曲線幾何參數(shù)對車輛輪軌磨耗的影響

魏家沛，李國芳

（蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

隨著中國高速鐵路的發(fā)展，高速列車的動(dòng)力學(xué)問題日漸突出。尤其是車輛過曲線時(shí)，輪軌間的作用力及磨耗也相應(yīng)增加，對車輛的安全性和經(jīng)濟(jì)性造成了一定的影響。影響輪軌磨耗的因素有很多，主要有曲線半徑、曲線超高、軌底坡等。基于此，本文從這幾個(gè)主要方面對曲線上輪軌的磨耗情況進(jìn)行了仿真分析。

1 研究方法及評價(jià)指標(biāo)

本文利用多剛體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK 對裝有CW－200k 型轉(zhuǎn)向架的25T 型客車進(jìn)行相關(guān)仿真計(jì)算。SIMPACK 中的車輛模型如圖1所示。

圖1 SIMPACK 中的車輛模型

由于車輪踏面外形是輪軌系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一，輪軌接觸關(guān)系對輪軌磨耗有很大影響，而SIMPACK中輪軌型面為歐洲標(biāo)準(zhǔn)。我國鐵路一般使用LM 磨耗型踏面，為了使CW－200k型轉(zhuǎn)向架模型仿真符合我國鐵路實(shí)情，通過文件導(dǎo)入LM 磨耗型車輪踏面參數(shù)。

輪軌磨耗機(jī)理十分復(fù)雜，國內(nèi)外尚無公認(rèn)的評定標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)輪軌磨耗的評價(jià)方法一般采用輪對磨耗功率、最大輪軌橫向力、沖角及蠕滑力4個(gè)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)來分析。對于曲線上輪軌磨耗的仿真，參照以上標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行分析。另外，在保證列車通過曲線時(shí)輪軌磨耗較低的同時(shí)，列車的平穩(wěn)性和安全性也應(yīng)達(dá)到相關(guān)的要求。

2 曲線半徑對車輛輪軌磨耗的影響

曲線半徑是影響輪軌磨耗的最主要幾何參數(shù)，研究不同曲線半徑下車輛的磨耗具有重要意義。仿真分析時(shí)，結(jié)合我國線路情況及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，曲線設(shè)置為：直線段長30m，緩和曲線長75m，圓曲線長300m，超高80mm，軌底坡為1／40。為了能更清楚地比較曲線半徑對車輛過曲線磨耗的影響，軌道不加激勵(lì)。圖2～圖5為車輛以70km／h的速度通過不同半徑曲線時(shí)各磨耗指標(biāo)變化的計(jì)算結(jié)果。

圖2 曲線半徑R 對磨耗功率的影響曲線

由仿真結(jié)果可知，車輛通過曲線時(shí)，隨著曲線半徑的增加，磨耗功率、最大輪軌橫向力、輪軌沖角及蠕滑力均有一定程度的減少。當(dāng)曲線半徑小于500m 時(shí)，磨耗功率和最大輪軌橫向力急劇增加；500 m 曲線半徑時(shí)的輪軌磨耗功率是800m 曲線半徑時(shí)的3.08倍，500m 曲線半徑時(shí)的最大輪軌橫向力較800m 曲線半徑時(shí)增加了3.02倍；當(dāng)曲線半徑大于800m 時(shí)，磨耗功率和最大輪軌橫向力曲線變化較為平緩。導(dǎo)向輪對外側(cè)車輪的橫向蠕滑力隨著曲線半徑的增加，其數(shù)值在變小。當(dāng)曲線半徑變小時(shí)，輪對所需要的導(dǎo)向力主要由橫向蠕滑力提供。

圖3 曲線半徑R 對輪軌橫向力的影響曲線

圖4 曲線半徑R 對橫向蠕滑力的影響曲線

圖5 曲線半徑R 對輪軌沖角的影響曲線

3 曲線超高對輪軌磨耗的影響

由于曲線超高影響輪軌之間的導(dǎo)向力，曲線超高的大小對鋼軌側(cè)磨有很大影響。在分析曲線超高對車輛曲線通過性能的影響時(shí)，SIMPACK 中線路設(shè)置與前相同，曲線半徑設(shè)為400m，曲線超高取80mm、100mm、120mm、140mm。圖6～圖8為在不同曲線超高下，導(dǎo)向輪組外側(cè)車輪的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的仿真結(jié)果。

圖6 曲線超高對磨耗功率的影響曲線

分析可知，當(dāng)曲線超高由80 mm 增至140 mm時(shí)，車輛輪對磨耗功和沖角都有不同幅度的增加。當(dāng)曲線超高為80mm 時(shí)，最大輪軌橫向力為2.5kN；超高為120mm 時(shí)，輪軌橫向力達(dá)到最小值0.35kN，比超高為80mm 時(shí)降低了86.9%；當(dāng)曲線超高增大到140mm 時(shí)，輪軌橫向力再增大為1.7kN，又比120 mm 時(shí)升高了79.4%。可見，曲線上超高的變化對于沖角及輪對磨耗功的影響較小，對輪軌橫向力影響很大。所以可以通過調(diào)整輪軌橫向力來降低曲線上的輪軌磨耗。一般情況下，小半徑曲線上超高通常偏大，故而適當(dāng)降低超高有利于降低輪軌磨耗，但不能降得太低，過低的超高反而加劇輪軌磨耗。

圖7 曲線超高對輪軌橫向力的影響曲線

圖8 曲線超高對輪軌沖角的影響曲線

4 軌底坡對于輪軌磨耗的影響

軌底坡對曲線軌道輪軌磨耗有一定的影響，尤其是在小半徑曲線上。在國標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)，適當(dāng)增大曲線軌道鋼軌的軌底坡，能夠增大車輛兩側(cè)輪對滾動(dòng)圓半徑差，從而提高車輛的曲線通過能力。

本文分析1／40、1／30、1／20和1／10四種軌底坡時(shí)的輪軌磨耗情況，結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 軌底坡對磨耗功率的影響

從圖9～圖11可以看出，當(dāng)軌底坡由1／40 增加到1／10 時(shí)，沖角降低了7.9%，輪對磨耗功增加了17.9%，輪對橫向力則增至原來的4.4倍，雖然沖角會(huì)有較大降低，但輪對磨耗功率及輪軌橫向力會(huì)急劇增大，反而加劇了輪軌的磨耗。當(dāng)軌底坡由1／40增加到1／20 時(shí)，輪對磨耗功降低2.6%，輪軌橫向力略有增加，輪軌沖角有較小幅度降低。

圖10 軌底坡對輪軌橫向力的影響

圖11 軌底坡對輪軌沖角的影響

5 結(jié)論

小半徑曲線上輪軌磨耗較為嚴(yán)重，曲線半徑變大時(shí)，輪軌磨耗有明顯降低。當(dāng)曲線半徑大于800m 時(shí)，磨耗指標(biāo)隨曲線半徑的變化影響較小。小半徑曲線上，在一定的范圍內(nèi)適當(dāng)降低超高可以降低輪軌磨耗。

在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)整曲線超高可有效降低輪軌磨耗，但超高的設(shè)置應(yīng)該適當(dāng)，過高或過低反而有可能增大輪軌磨耗。

軌底坡對輪軌磨耗有一定的影響，適當(dāng)調(diào)整軌底坡可使輪對磨耗功率及沖角有一定降低，進(jìn)而起到降低輪軌磨耗的作用，但效果不明顯。軌底坡增加過大會(huì)使輪軌磨耗功率及輪軌橫向力急劇增大，反而加劇輪軌的磨耗。

［1］ 李亨利，李芾，傅茂海，等.曲線幾何參數(shù)對貨車轉(zhuǎn)向架曲線通過性能的影響［J］.中國鐵道科學(xué)，2008，29（1）：70－75.

［2］ 翟婉明.車輛－軌道耦合動(dòng)力學(xué)［M］.第2版.北京：中國鐵道出版社，2002.

［3］ 陳鵬，高亮，郝建芳.鐵路曲線上輪軌磨耗影響參數(shù)的仿真研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2007，28（5）：19－22.

［4］ 任尊松.車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［5］ 張良威.重載貨車輪軌磨耗研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008：63－72.

［6］ Tomas Jendel.Predication of wheel profile wearcomparisons with field measurements［J］.Wear，2002，253：88－99.

［7］ 練松良，孫琦，王午生.鐵路曲線鋼軌磨耗及其減緩措施［M］.北京：中國鐵道出版社，2001.