上海軌道交通8號線車輛車輪踏面設計優化及測試

豐燦燦 丁亞琦 周 亮 沈 鋼

(1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海; 2.上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司,200031,上海; 3.上海申通地鐵集團有限公司,200031,上海∥第一作者,碩士研究生)

上海軌道交通8號線車輛車輪踏面設計優化及測試

豐燦燦1丁亞琦2周 亮3沈 鋼1

(1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海; 2.上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司,200031,上海; 3.上海申通地鐵集團有限公司,200031,上海∥第一作者,碩士研究生)

針對上海軌道交通8號線車輪踏面異常磨耗情況,根據輪軌間的幾何接觸特性關系,采用了基于輪徑差函數的方法,優化設計了新的車輪踏面外形;運用MATLAB/SUMLINK軟件來搭建車輛模型,通過仿真模擬,比較了裝有新、舊設計踏面的整車性能差異,得出新踏面外形具有明顯減磨性能優勢的結論。通過實際裝車試驗,分析了裝有新、舊踏面車輪的磨耗情況,從而驗證了新踏面外形具有明顯減少鋼軌和車輪之間的相互磨耗的特性的結論。

軌道交通車輛; 踏面外形; 動力學性能; 輪緣磨耗

在地鐵運營期間,鋼軌曲線磨損和波浪型磨損、車輪頻繁鏇修和車輪的不圓磨損等問題是地鐵安全運營的難題,而合理的輪軌型面匹配對于改善地鐵車輛運行平穩性、提高曲線通過能力、降低輪軌接觸應力、提高輪軌疲勞壽命和保證行車安全等具有重要意義[1-5]。文獻[6-8]提出優化踏面外型的思路,卻未能提供相應的設計方法;文獻[9-11]給出了一種以接觸角曲線為目標函數的直接方法,但同時指出影響臨界速度的關鍵參數是等效斜度;文獻[12]采用以輪徑差曲線為目標函數的直接方法,對高速列車的車輪踏面進行優化設計。為應對車輛的車輪異常磨耗情況,上海軌道交通采用了基于輪徑差的方法,設計了滿足動力學要求的踏面外形。本文介紹了該方法,對新、舊踏面外形進行了動力學分析和比對,并在地鐵車輛上進行了裝車試驗分析,進而得出新踏面外形具有明顯減磨性能優勢的結論。

1 踏面設計方法

傳統的踏面設計方法主要是依靠設計人員的經驗和反復的試驗進行不斷優選,但獲得的卻是近似解。這種反復試驗的方法,不僅花費時間多,且由于依賴實際車輛的參數和實際線路條件,因此優選出來的外形不具有通用性。如圖1所示,新型的鋼軌外形設計方法,是以“左右輪徑差函數”為目標,根據給定的鋼軌外形用數學模型逆向反求解踏面外形[12]。

在設計階段,首先確定“左右輪徑差函數”、接觸應力和磨耗分布,然后根據車輛運行的動力學和接觸點位置要求,修正輪徑差曲線,改進平穩性、曲線通過性能和降低輪軌接觸應力。根據修正后的目標輪徑差曲線,利用數學模型,通過遞推算法反推出修正后的車輪的新踏面外形。通過這種方法可以為多種鋼軌、軌底坡設計出合理的踏面外形,也能夠為磨耗穩定的鋼軌外形設計出與之相匹配的踏面外形;能根據所需的車輛的平穩性、穩定性和曲線通過性能設計出不同需求的踏面外形,避免了與車輛懸掛參數牽連,具有通用性和較廣的覆蓋性;可以指定通過對接觸點位置的修正,使設計出來的踏面外形具有較小的接觸應力。

圖1 基于輪徑差曲線的踏面設計方法示意圖

2 踏面外形的整車性能分析

計算模型采用四軸車輛線性模型,利用MATLAB(SUMLINK)軟件來搭建車輛模型,計算車輪在不同輪軌接觸條件下的蛇形臨界速度、曲線通過性能和輪軌間的接觸應力。車輪載荷均為8 t。

鐵路線路總是由直線軌道和曲線軌道所組成的,在直線軌道上主要分析蛇形運動的臨界速度問題。采用線性化方法計算當前參數下不同輪軌接觸條件下的蛇形臨界速度,計算結果如圖2所示。

最低的臨界速度出現在動車AW0(空載)工況,其等效斜度為0.4、黏著系數為0.6時,臨界速度為100.98 km/h。所設計踏面在磨耗時其等效斜度約為0.15左右,最低臨界速度約為169 km/h,出現在動車AW0工況、黏著系數為0.15的時候,因此所設計的踏面能滿足列車快速行駛的要求。

而曲線通過性能一直是軌道交通車輛動力學研究的重點,是評價車輛性能的重要指標,主要通過輪對的橫移量、橫向力、沖角和脫軌系數等方面進行分析。計算曲線參數如表1所示,其中軌距為1 435 mm,軌底坡為1/40,黏著系數取0.3。

新踏面的曲線通過性能指標可以從以下幾個方面來分析:

(1) 脫軌系數:采用新踏面的車輛,動車和拖車的最大脫軌系數分別為0.484 2和0.480 7,都出現在AW0工況、車輛通過半徑為150 m的曲線時。根據GB 5599—1985標準得:Q/P≤1.0(Q為輪軌橫向力;P為輪軌重向力)；因此脫軌系數具有較大安全余量。

表1 計算曲線參數

(2) 輪重減載率:動車的最大外側輪重減載率為19.25%,出現在AW3(超載)工況下,車輛通過半徑為150 m的曲線;拖車的最大外側輪重減載率為21.33%,出現在AW0工況下,拖車通過半徑為150 m的曲線。根據GB 5599—1985標準得:ΔP/P≤0.6(ΔP為輪軌垂向力變化值)。因此輪重減載率也有較大安全余量。

(3) 輪軌橫向作用力:動車和拖車輪對的最大輪軌橫向作用力分別為33.16 kN和31.33 kN,都出現在AW3工況,車輛通過半徑為150 m的曲線。根據GB 5599—1985的標準得:Q≤19+0.3Pst(Pst為車輪載荷)。在AW0工況下,Q≤31 kN;在AW3工況下,Q≤37 kN。因此符合要求。

(4) 輪軸橫向力:動車和拖車輪軸的最大橫向力分別為17.38 kN和17.12 kN,都出現在AW3工況下,車輛通過半徑為150 m的曲線。根據GB 5599—1985的標準得:H≤0.85(15+(pst1+pst2)/2)(pst1和pst2分別為左右輪載荷)。則H≤63.75 kN,因此是安全的。

(5) 新踏面車輛與舊踏面車輛在主要曲線通過的關鍵指標上是有差異的,主要表現在一位輪對與外軌的橫移量、橫向力、沖角、脫軌系數等方面,如表2所示。這些曲線通過的關鍵指標均有不同程度的減小,并且曲線半徑越大,減小幅度也越大。

圖2 新踏面車輛在直線段不同工況下的臨界速度

表2 一位輪對新舊踏面的曲線通過關鍵指標對比

磨耗型踏面外形的曲率半徑不是恒定的,也并不是橢球體。為了提高計算精度,采用非赫茲滾動接觸理論,編制了在MATLAB環境下的計算程序,以表面力學形式來表達兩彈性體滾動接觸。通過輸入輪軌外形和軸重,計算了不同輪對橫移量下的新、舊踏面與60 kg/m鋼軌之間的接觸應力。車輪載荷均為8 t。

如圖3所示,虛線為新踏面車輛的最大接觸應力,實線為舊踏面車輪的最大接觸應力;當橫移量小于3.6 mm時,新踏面車輛的最大接觸應力較舊踏面有一定程度的下降,當橫移量在4～5 mm時,最大接觸應力會略有上升。當橫移量為零時,最大接觸應力下降率在20%;當橫移量從0變化到3.6 mm時,最大接觸應力下降率先逐步升至30%,然后又逐步降低到0;在橫移量為4 mm處,最大接觸應力會出現小幅的提升;當橫移量從0變化到-5 mm時,最大接觸應力下降率會逐步提高至48%,在此范圍內,最大接觸應力值下降率皆大于20%。在所計算的輪對橫移量(±5 mm)范圍內,最大接觸應力的平均下降率為22.82%,新踏面車輛的最大接觸應力相比于舊踏面而言,有一定程度的下降。

圖3 新、舊兩個踏面的接觸應力最大值比較

3 踏面裝車試驗

3.1 試驗方案

基于前期的理論研究分析,在線路上進行裝車試驗,以驗證新設計的踏面外形在減磨性能上的優勢。在上海軌道交通8號線某列車上分別選取動車(3車和5車)和拖車(1車和7車)輪對,在1車和5車輪對安裝新踏面外形,在3車和7車輪對安裝舊踏面外形。同時制定了為期6個月的持續跟蹤測量方案,平均每隔10天測量一次,對比分析兩種車輪踏面外形的磨損趨勢。

主要觀察了輪緣厚度和踏面區段的磨耗情況。輪緣厚度的測量如圖4所示,采用以輪緣頂點為基準點[13-14],分析距離輪緣頂點L處A點的輪緣厚度Sd,通過對比,得到輪緣厚度的磨損量。對于踏面區段的磨損情況及磨損趨勢,則將磨損后的踏面外形與最初的踏面外形的輪緣頂點和輪緣外側對齊,進行比較,分析出踏面的垂向最大磨耗量。

3.2 試驗結果

3.2.1 車輪輪緣厚度磨耗

經過對試驗車輛踏面外形的跟蹤測量及統計分析,通過對動車和拖車的比對,輪緣厚度磨損量如圖5和圖6所示。對于拖車而言,舊踏面的輪緣厚度磨損量基本都在1 mm以上,最大磨損量可以達到4.701 mm,平均磨損量為1.963 mm;新踏面的輪緣厚度磨耗量相對小得多,最大磨損量為1.435 mm,平均磨損量為0.789 mm,降低了20.8%。對于動車而言,舊踏面的輪緣厚度磨損量分布較廣,最大磨損量可以達到3.417 mm,平均磨損量為1.122 mm;新踏面的輪緣厚度磨損量較為平穩,在0～1 mm之間,最大磨損量為0.951 mm,平均磨損量為0.629 mm,降低了34.5%,表明新踏面的輪緣抗磨耗性能較好。

圖5 拖車輪緣厚度磨損量

圖6 動車輪緣厚度磨損量

3.2.2 踏面區段磨耗

拖車與動車的車輪踏面區段最大磨耗量如表3所示。拖車的踏面磨損相對于動車而言要嚴重的多,磨耗量遠大于動車,拖車踏面溝槽現象明顯,最大垂向磨損達到了4.79 mm,因為該車采用的是踏面制動。對于拖車而言,新踏面的踏面磨耗量比舊踏面有所降低;對于動車而言,新踏面的踏面磨耗也有所降低。這說明新踏面有較好的輪軌接觸特性,能間接地降低輪軌之間的接觸應力,具有較好的踏面抗磨耗性能。

表3 踏面區段的最大磨耗量 mm

4 結語

針對上海軌道交通8號線車輪異常磨耗情況,根據輪徑差函數和鋼軌外形的幾何接觸特性關系,采用了基于輪徑差的設計方法,設計了新的車輪踏面外形;運用MATLAB(SUMLINK)軟件來搭建車輛模塊,對裝有新、舊踏面外形的整車性能進行評估分析。新踏面車輛在直線段的最低臨界速度出現在動車AW0工況,等效斜度為0.4、黏著系數為0.6時,臨界速度為100.98 km/h;新踏面車輛通過一段50 m長的隨機軌道橫向不平順線路,在上升段的最低臨界速度為235 km/h,下降段最低收斂速度為164 km/h,都在動車AW0工況下;新踏面車輛的曲線通過性能指標都滿足要求,與舊踏面相比,關鍵指標均有不同程度的減小,并且曲線半徑越大,減小幅值也越大;新踏面車輛的最大接觸應力較舊踏面車輛有一定程度的下降,在所計算的輪對橫移量范圍內,最大接觸應力的平均下降率為22.82%。并且在上海軌道交通8號線車輛上進行了為期6個月的裝車試驗,通過對試驗數據的分析發現,新踏面車輪的輪緣厚度和踏面區段的磨損皆優于舊踏面車輪。這說明該設計踏面外形具有明顯減少鋼軌和車輪之間的相互磨耗的特性,從而獲得了具有明顯減磨性能的車輪踏面外形,減少因輪軌不匹配引起的各種磨耗問題。

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Optimization and Test for Wheel Tread Design for Shanghai Metro Line 8 Vehicles

FENG Cancan,DING Yaqi,ZHOU Liang,SHEN Gang

In view of the abnormal wear of wheel tread on Shanghai metro Line 8, and according to the geometric contact characteristics of wheels and track,the design of wheel tread shape is optimized based on the wheel diameter difference function. Then, software MATLAB/SUMLINK is used to build a vehicle model. With simulation and comparison of the vehicle dynamic performances between the new tread shape and the old one, it shows that the new tread shape has better antifriction property.Finally, through operation experiment and tracing investigation, the wear condition of the new and old wheels is analyzed, the new tread shape is verified with distinct features of reducing the abrasion between rail and wheel.

railway vehicle; tread shape; dynamic performance; flange wear

Institude of Rail Transit,Tongji University,201804,Shanghai,China

U 270.331+.1

10.16037/j.1007-869x.2017.03.019

2016-01-14)