踏面形狀對(duì)地鐵車輛動(dòng)力學(xué)性能及輪軌磨耗影響研究

雷 洋 李越超

沈陽(yáng)地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司

1.動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 車輛運(yùn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

當(dāng)車輛運(yùn)行速度達(dá)到一定限定值時(shí)，傳統(tǒng)輪對(duì)結(jié)構(gòu)的車輛在婦滑力的作用下會(huì)產(chǎn)生蛇形運(yùn)動(dòng)發(fā)散的趨勢(shì)，即蛇行運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)不收斂，車輛運(yùn)行失穩(wěn)。因此，在設(shè)計(jì)研究車輛懸掛系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，要考慮車輛運(yùn)行的實(shí)際環(huán)境，選擇相對(duì)合理的橫、縱向車輪定位剛度，在確保車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的同時(shí)，盡可能提高曲線通過(guò)性能。自20世紀(jì)早期，Carter開始研究輪軌間滑理論和蛇行運(yùn)動(dòng)以來(lái)，車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的研究就逐漸深入。目前，車輛運(yùn)行穩(wěn)定性研究的判定依據(jù)已多種多樣。國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC等研究機(jī)構(gòu)結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，給出了適用于線路動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的穩(wěn)定性判據(jù)。

1.2 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性評(píng)價(jià)

車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)和舒適度指標(biāo)可以用來(lái)評(píng)定車輛運(yùn)行平穩(wěn)性，這些指標(biāo)不僅與車輛自身運(yùn)行性能息息相關(guān)，也與乘客對(duì)車輛運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)的反應(yīng)有關(guān)。

平穩(wěn)性指標(biāo)一般以Sperling指標(biāo)和ISO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行衡量，本文主要應(yīng)用Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)和車體最大振動(dòng)加速度來(lái)評(píng)定客車運(yùn)行平穩(wěn)性。

1.3 車輛運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)

鐵路車輛在通過(guò)曲線線路時(shí)，車輪與軌道相互作用會(huì)使得輪軌間出現(xiàn)較大的橫向力，致使輪軌磨耗發(fā)生。在通過(guò)曲線時(shí)，在輪軌間會(huì)產(chǎn)生摩擦螺滑力和輪緣力這兩種力，車輛其他部件會(huì)產(chǎn)生離心力、制動(dòng)力和牽引桿力在轉(zhuǎn)向架各輪之間均勾分布。

車輛具有良好的曲線通過(guò)性能則表明通過(guò)曲線時(shí)輪軌間作用力相對(duì)較小，輪軌磨耗較小。因此，車輛上各個(gè)部件間的相互作用力也大大降低；車輛在曲線上運(yùn)行阻力也會(huì)隨之下降，牽引力也會(huì)降低，能耗消耗降低，鐵道車輛曲線通過(guò)的計(jì)算可以確保列車安全進(jìn)行、降低輪軌之間作用力，并且制約懸掛系統(tǒng)的參數(shù)選擇。

2.車輪踏面形狀對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

2.1 地鐵車輛運(yùn)行穩(wěn)定性受到不同踏面的相應(yīng)影響

為了觀察地鐵車輛的穩(wěn)定運(yùn)行情況，我們通過(guò)地鐵蛇行運(yùn)動(dòng)時(shí)的臨界速度來(lái)進(jìn)行考量。我們都知道車輛車輛蛇形運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，在車輪和軌道接觸的過(guò)程中會(huì)發(fā)生振動(dòng)，因此速度并非線性的，我們要通過(guò)一個(gè)多極系統(tǒng)來(lái)對(duì)地鐵蛇形運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度進(jìn)行分析，通過(guò)查找資料我們找到了該運(yùn)動(dòng)的微分方程組的矩陣方程，如下所示：

表1 兩種地鐵裝載不同踏面新輪空車時(shí)的蛇行失穩(wěn)臨界速度

通過(guò)上表我們可以看出，相同條件下，地鐵裝配了DIN5573型踏面的車輛臨界速度較高，也就是說(shuō)該踏面形狀對(duì)于車輛的穩(wěn)定作用較好，這是因?yàn)椴煌っ娴能囕喸趲缀螀?shù)方面呈現(xiàn)不同的情況，也就影響了地鐵車輛蛇形運(yùn)動(dòng)的臨界速度。

2.2 踏面形狀對(duì)運(yùn)行平穩(wěn)性的影響

在分析車輛運(yùn)行平穩(wěn)性時(shí)，線路激擾采用美國(guó)V級(jí)線路譜。采用2種不同踏面的車輛在40～90km/h間運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性。

踏面形狀對(duì)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的影響比較明顯，采用LM磨耗型踏面的車輛，其橫向平穩(wěn)性相對(duì)較差，而采用DIN5573踏面時(shí)，橫向平穩(wěn)性則較好，其原因還是由于在相同的輪對(duì)橫移下DIN5573踏面的等效錐度比LM磨耗型踏面小，使得采用DIN5573踏面的車輛橫向穩(wěn)定性優(yōu)于采用LM磨耗型踏面的車輛，從而使得其橫向平穩(wěn)性相對(duì)較好。

2.3 地鐵車輛曲線通過(guò)安全性受到不同踏面的相應(yīng)影響

地鐵車輛曲線是車輛超高和定曲率半徑等共同決定的圓曲線構(gòu)成的，我們通過(guò)使車輛通過(guò)一定曲率的曲線，計(jì)算在通過(guò)曲線過(guò)程時(shí)輪軌所受到的作用力，并對(duì)這一作用力進(jìn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)的轉(zhuǎn)化根系，并根據(jù)我國(guó)相關(guān)法規(guī)的定值來(lái)評(píng)定地鐵車輛曲線通過(guò)的安全性。車輛運(yùn)行速度的計(jì)算公式如下：

其中，V表示車輛運(yùn)行的速度，h為超高，hd則表示欠超高，而R為曲線半徑。根據(jù)試驗(yàn)可知，由于裝配了不同的踏面形狀車輛，地鐵車輛在通過(guò)同一曲線時(shí)兩種車輛的各項(xiàng)指標(biāo)都在國(guó)家規(guī)定的范圍以內(nèi)。我們從相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以得出結(jié)論，曲線軌道因?yàn)橛谐叽嬖冢亓?huì)產(chǎn)生分力現(xiàn)象，輪軌的橫向壓力和垂向壓力就產(chǎn)生。如果車輛的踏面形狀不同，那么輪軌的橫向壓力與脫軌系數(shù)就會(huì)由于重力分力不同而產(chǎn)生差距。

綜上所述，踏面形狀的不同，使得其與鋼軌匹配時(shí)的輪軌接觸幾何關(guān)系存在差異，從而影響車輛的動(dòng)力學(xué)性能。因此，需要我們通過(guò)分析可以找到相關(guān)措施，延長(zhǎng)地鐵軌道運(yùn)行壽命。

[1]李曉龍，馬衛(wèi)華，羅世輝.踏面下凹磨耗對(duì)地鐵車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響 [J].內(nèi)燃機(jī)車，2013，(01)：17-20.

[2]湯超.平縱斷面線型及軌道類型對(duì)地鐵軌道動(dòng)力特性和鋼軌磨耗影響研究[D].北京交通大學(xué)，2012.