輪對扁疤對高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)特性的影響

劉鵬亮 鄭立志 苗志勇 尉建軍

中車四方車輛有限公司 山東 青島 266031

輪對是軌道車輛中最為關(guān)鍵的承力部件，它將車輛載荷直接傳遞給鋼軌部分，帶動(dòng)車輛向前運(yùn)行，所以輪對的運(yùn)作狀況直接影響車輛整體安全指標(biāo)發(fā)揮。伴隨高速列車運(yùn)行速度的不斷提高，輪對與鋼軌之間的滾動(dòng)接觸與摩擦條件正在逐漸激烈化，這加大了輪對及車輛本身的接觸負(fù)荷，為車輛運(yùn)行帶來嚴(yán)重隱患。經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)輪對打滑、踏面擦傷、剝離等等情況，這些就造成了高速列車車輛的輪對扁疤。由于輪對扁疤產(chǎn)生于軌道與車輛的動(dòng)態(tài)接觸作用下，因此必須準(zhǔn)確且及時(shí)的對輪對扁疤進(jìn)行定量分析評估，了解它對高速列車在運(yùn)行過程中究竟會(huì)產(chǎn)生何種影響。

一、輪對扁疤與高速列車車軌耦合理論的理論關(guān)系分析

當(dāng)前針對輪對扁疤的理論分析研究多基于車軌耦合理論展開，即專門編制一套輪軌噪聲仿真程序，利用該程序仿真分析輪對扁疤對輪對本身所產(chǎn)生的激擾影響與沖擊影響，并可考慮根據(jù)低接頭沖擊力公司計(jì)算得出一套與扁疤沖擊速度相關(guān)的扁疤沖擊力計(jì)算公式，配合Koettgen虛應(yīng)力算法求解輪軌作用下車輛與輪對作用下的扁疤沖擊力解耦問題，并實(shí)施線彈性有限元計(jì)算，將其中的應(yīng)力分量疊加，最終可求解在扁疤沖擊下車軸的危險(xiǎn)截面應(yīng)力譜內(nèi)容與結(jié)果，建立一套基于輪對擦傷科學(xué)化考量的車輛動(dòng)力學(xué)模型。該模型可深度分析輪對踏面擦傷對輪軌所產(chǎn)生的影響，包括對車輛振動(dòng)特性的影響，進(jìn)而衍生出新的計(jì)算方法——高速列車輪對擦傷的維修界限計(jì)算。該計(jì)算方法能夠?qū)Ω咚倭熊嚨能囕啽獍套鞒鼍_分析與定量限制。

就目前來看針對高速列車輪對踏面失圓的主要研究方法圍繞輪對激勵(lì)與轉(zhuǎn)化對應(yīng)軌道垂向不平順。在該過程中，要分析輪軌激勵(lì)效應(yīng)，通過制作軌道譜分析輪對扁疤對垂向沖擊可能對車輛所造成的巨大影響。當(dāng)然，該方法也存在一定弊端，因?yàn)樵诓煌妮唽Ρ獍坛叽纭⒉煌慕佑|頻率、不同的車輛速度背景下對對車輛軌道的不平順激勵(lì)也是不同的，存在較大差距。所以在高速列車運(yùn)行過程中，其下車對輪扁疤位置會(huì)出現(xiàn)一定的懸空效應(yīng)，相比于傳統(tǒng)模型無法進(jìn)行基于不同運(yùn)行速度、不同尺寸的扁疤對輪軌沖擊影響分析。

我國針對高速列車的輪對扁疤產(chǎn)生主要從輪軌沖擊這一點(diǎn)展開，及分析輪軌與車輛之間的相互作用，并提出車輛輪軌耦合動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論內(nèi)容。在研究中主要對高速列車的對輪扁疤幾何形狀與作用機(jī)理進(jìn)行述職分析描述，著重分析它的相位偏移情況以及偏移辯論對對輪幾何半徑的具體影響。在研究中還會(huì)輪對扁疤激勵(lì)效應(yīng)內(nèi)容輸入到車輛模型中，計(jì)算分析輪對扁疤(新舊)分別對輪軌振動(dòng)沖擊所產(chǎn)生的具體影響，得出扁疤尺寸、速度與轉(zhuǎn)向架安全性之間的相互理論關(guān)系。結(jié)合上述分析便可提高高速車輛的運(yùn)行效率與安全性，為現(xiàn)場車輛的科學(xué)有效維護(hù)創(chuàng)造有利條件[1]。

二、高速列車車輛動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建

高速列車車輛雖然會(huì)與車軌接觸產(chǎn)生輪對扁疤，但只有在車輛低速運(yùn)行過程中，扁疤擦上面才會(huì)與車軌軌面實(shí)現(xiàn)完全接觸。如果當(dāng)車輛輪對正處于高速運(yùn)行狀態(tài)中時(shí)，其扁疤擦傷面是不會(huì)完全接觸到軌面的。所以這里有必要分析輪對扁疤與輪軌在接觸過程中所產(chǎn)生的主要影響，它應(yīng)當(dāng)具體表現(xiàn)在兩大層面上。首先，當(dāng)車輛輪軌的接觸點(diǎn)產(chǎn)生突變時(shí)，它的突變間距應(yīng)該等于輪對扁疤長度；其次，輪對扁疤會(huì)直接引發(fā)車輛質(zhì)心相對于車輛軌面的垂直向附加位移狀況。此時(shí)要對扁疤長度l0所造成的輪對質(zhì)心垂向位移Sz進(jìn)行計(jì)算分析，如下[2]:

在上述算式中，x代表車輛輪對在通過輪對扁疤時(shí)所產(chǎn)生的滾位線位移，d表示輪對扁疤的深度，R代表輪對實(shí)際半徑。可參考這一計(jì)算分析過程再建立輪對扁疤的外形模型。

1.輪對扁疤的外形模型構(gòu)建分析

當(dāng)輪對扁疤初步形成后，可在高速列車車輛運(yùn)行過程中對某些尖銳的新輪對扁疤邊緣部分進(jìn)行觀察分析。其邊緣部分會(huì)隨著軌道磨耗幅度的加大而逐漸變得越來越平滑，最終甚至形成邊緣相當(dāng)光滑但整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的舊輪對扁疤，此時(shí)新舊兩種輪對扁疤所表現(xiàn)出的車輛動(dòng)力學(xué)性能及其所產(chǎn)生的影響都是截然不同的。

以新輪對扁疤為例，它的外形模型就主要利用輪對圓周弦函數(shù)建立表示，它可表現(xiàn)輪對扁疤各個(gè)環(huán)節(jié)的幾何關(guān)系應(yīng)該如下:

在該幾何關(guān)系中，φ0就表示輪對扁疤的對應(yīng)中心角。客觀講，新輪對扁疤與舊輪對扁疤在幾何外觀關(guān)系方面首先二者輪對扁疤深度應(yīng)該是一致的，但舊扁疤相比于新扁疤長度更長，中心角更大。為了更好構(gòu)建輪對扁疤的外形模型，需要穩(wěn)定輪對扁疤外形輪廓的基本半徑，同時(shí)建立車軌耦合動(dòng)力學(xué)模型[3]。

(2)車輛耦合動(dòng)力學(xué)的模型構(gòu)建分析

在輪對扁疤外形模型基礎(chǔ)之上建立“車軌耦合動(dòng)力學(xué)模型”，該模型主要圍繞高速列車車輛的車體、輪對與整體框架構(gòu)架展開，其中專門對輪對的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行了分析，例如輪對的橫移、伸縮、側(cè)滾、沉浮以及點(diǎn)頭搖頭等等。要將高速車輛軌道看做是具有彈性的點(diǎn)支撐歐拉梁，并分析軌道的整體離散作用，最終建立剛性軌道模型，分析其具體的剛度數(shù)值與阻尼元件連接軌道坐標(biāo)系數(shù)值。該過程中可采用車軌耦合理論構(gòu)建車輛運(yùn)動(dòng)方程，配合積分方法計(jì)算車軌耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型與非線性振動(dòng)微分方程，如下:

在上述非線性振動(dòng)微分方程中，M/C/K分別代表了軌道質(zhì)量、阻尼與剛度，通過這些指標(biāo)可建立矩陣，表現(xiàn)軌道激勵(lì)阻尼矩陣與激勵(lì)剛度矩陣之間的微妙關(guān)系，最終計(jì)算出軌道上高速車輛的自由度位移矢量、速度以及加速度矢量。同時(shí)分析列車的輪對激勵(lì)情況與積分步數(shù)情況。在非線性振動(dòng)微分方程中也需要基于數(shù)值積分方法對車輛的前后構(gòu)架、前車體以及4個(gè)輪對進(jìn)行分析，聯(lián)立建設(shè)輪對運(yùn)動(dòng)方程。結(jié)合上文中論述，由于忽略了高速車輛中各節(jié)車廂之間的鉤緩作用，因此可參考Lagrange方程進(jìn)一步獲得車輛的剛度、阻尼與質(zhì)量矩陣，利用數(shù)值積分方法進(jìn)一步計(jì)算出車輛前車體、前后構(gòu)建以及4個(gè)輪對的運(yùn)動(dòng)方程并聯(lián)立起來，最后代入矩形方程。該方程能夠深度求解各個(gè)部件的速度、加速度、位移等等重要變量，再分析數(shù)據(jù)可獲得車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)性能基本參數(shù)。以某高速列車為例，它的軸重為20t，最高運(yùn)行速度為200km/h，可構(gòu)建一套高速車輛多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，在模型中針對車體、構(gòu)架、輪對、多系懸掛等剛體系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行分析，通過模型合理控制車體與中心銷相互有效連接，并參考導(dǎo)向輪對輪軌所產(chǎn)生的巨大沖擊，這一沖擊能量應(yīng)該遠(yuǎn)大于車輛輪對對輪軌的沖擊，所以說該輛高速列車的輪對扁疤應(yīng)當(dāng)設(shè)置在車輛前轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向輪對左側(cè)位置[4]。

2.高速列車輪對扁疤的仿真計(jì)算結(jié)果討論

考慮到輪對扁疤所主要影響的是高速車輛的垂向性能部分，所以需要評價(jià)車輛輪對與構(gòu)架之間的垂向振動(dòng)特性關(guān)系，并著重對輪軌的垂向載荷進(jìn)行分析。在該過程中主要采用到車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)對仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，具體分析內(nèi)容包括以下3點(diǎn)。

(1)對高速車輛新舊輪對扁疤的輪軌沖擊仿真結(jié)果分析

如果高速車輛的輪對以200km/h的時(shí)速滾過50mm新舊輪對扁疤，它所引發(fā)的輪軌垂向沖擊力變化應(yīng)當(dāng)如圖1。

(2)高速車輛輪對扁疤對輪軌接觸的結(jié)果影響分析。當(dāng)高速列車輪對在輪軌上運(yùn)行時(shí)，輪軌間會(huì)產(chǎn)生規(guī)律較為明顯的周期性垂向沖擊力，因此在這其中輪對扁疤的長度越長，扁疤所造成的深度就越大，輪對滾過扁疤區(qū)域的時(shí)間就越長。如果在懸空狀態(tài)下，輪對的下落高度越高，所帶來的沖擊自然越大，所造成的扁疤擦傷面就越大，甚至?xí)?dǎo)致扁疤隨高速車輛車速增大而“增大——減小——增大”的復(fù)雜情況。當(dāng)然，當(dāng)輪對扁疤不斷增大時(shí)，輪軌的垂向力峰值也會(huì)發(fā)生變化，對應(yīng)速度變大而逐漸加大[6]。

圖1 高速列車在200km/h時(shí)速狀態(tài)下的新舊輪對扁疤垂向力—時(shí)間歷程

如圖1，可看到高速列車在200km/h時(shí)速狀態(tài)下的新舊輪對扁疤垂向力差值大約會(huì)維持在30～40kN范圍內(nèi)，所以可參考舊輪對扁疤進(jìn)行各方面影響分析[5]。

當(dāng)高速車輛的時(shí)速達(dá)到200km/h時(shí)，不同尺寸輪對扁疤所造成的大小車軌輪對變化也是不盡相同的。例如在受到車輛車輪簧下質(zhì)量振動(dòng)的影響，其動(dòng)力附加荷載也會(huì)逐漸增大。再例如當(dāng)輪對扁疤長度尺寸從10mm逐漸邊長到50mm過程中，車輪的輪對應(yīng)力也會(huì)增大至少30%以上，即增大到100kN[7]。

(3)高速車輛輪對扁疤對轉(zhuǎn)向架振動(dòng)特性的影響分析

高速列車在輪對垂向加速度不斷提升過程中，其輪對扁疤也會(huì)隨速度產(chǎn)生變化曲線，該輪軌垂向力變化曲線，基于不同尺寸的輪對扁疤對應(yīng)分析垂向振動(dòng)加速度峰值，其垂向振動(dòng)加速度一般在20～120km/h左右。在該過程中，輪對扁疤的尺寸會(huì)不斷增大，其振動(dòng)加速度峰值也會(huì)相應(yīng)提高。在這里要分析構(gòu)架垂直加速度與高速列車輪對速度變化的相互關(guān)系，在該關(guān)系中分析輪對扁疤尺寸變化的具體情況。一般情況下，高速列車的加速變化趨勢具體分為高速與低速兩個(gè)階段，其中高速區(qū)間大約在160～280km/h，在車輛速度不斷升高過程中，其加速度也在持續(xù)提升，同時(shí)受到輪對扁疤的激勵(lì)影響作用逐漸變小并進(jìn)入低速區(qū)間(低速區(qū)間為10～160km/h)。在速度變化過程中，車輛的整體構(gòu)架垂向加速度也會(huì)呈現(xiàn)出“減小——增大——減小”的循環(huán)變化規(guī)律，且在不同輪對扁疤尺寸的影響下其速度也會(huì)發(fā)生不同變化。在該過程中，如果軌道不平順，其激勵(lì)作用會(huì)變大，隨著車輛速度的增大而持續(xù)增強(qiáng)。如果完全不考慮軌道譜作用，在低速范圍內(nèi)其扁疤激勵(lì)對車輛構(gòu)架作用會(huì)更大(對比高速區(qū)間)[8]。

三、車輪扁疤長度的安全限值范例說明

以車輪出現(xiàn)輪對扁疤為例，由于車輪在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)不斷對輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生周期性沖擊，所以它對輪軌系統(tǒng)所所產(chǎn)生的垂向沖擊最為明顯，而垂向沖擊會(huì)引發(fā)輪軌出翔作用力過大導(dǎo)致車輪嚴(yán)重減載，威脅到高速列車的行車安全。所以結(jié)合當(dāng)前我國高速列車范例，有一半都會(huì)講導(dǎo)向輪對每個(gè)車輪作用于軌道的垂向作用力限值控制在170kN左右，同時(shí)輪重減載率靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)控制在0.6，動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)控制在0.8。即列車在輪軌垂向作用力下需要滿足170kN的安全限值，再根據(jù)車輛不同速度的下輪軌垂向作用力變化趨勢分析車輪扁疤長度，將其長度控制在30mm以內(nèi)。

總而言之，輪對扁疤在高速車輛輪對與軌道接觸過程中就會(huì)產(chǎn)生垂向的高頻沖擊載荷與低頻沖擊彩盒，它們分別位于車輛運(yùn)行的高速區(qū)間與低速區(qū)間中。在輪對扁疤出現(xiàn)磨損后，其中舊扁疤所產(chǎn)生的沖擊往往要大于新扁疤，但這種影響在低速區(qū)間中差值相對偏小，在高速區(qū)間內(nèi)差值相對偏大。另一方面，在輪對扁疤的激勵(lì)作用下，高速車輛的輪對垂向速度也會(huì)出現(xiàn)“升高——降低——升高”的循環(huán)變化，而輪對扁疤的尺寸也會(huì)逐漸增大，到達(dá)車輛行駛速度峰值時(shí)達(dá)到最大。當(dāng)高速車輛上的輪對扁疤尺寸達(dá)到40mm甚至以上時(shí)，車輛輪軌垂向力會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)狀況，此時(shí)會(huì)威脅到高速車輛的運(yùn)行安全，此時(shí)必須要就考慮搞什更換修復(fù)輪對，保證輪對扁疤的實(shí)際尺寸適中限制在30mm以內(nèi)為最佳[9]。

總結(jié)

輪對扁疤對高速列車安全穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用，它會(huì)嚴(yán)重影響到車輛的轉(zhuǎn)向架振動(dòng)特性，本文從輪對扁疤與車軌接觸影響結(jié)果、對高速車輛新舊輪對扁疤的輪軌沖擊仿真結(jié)果等等展開分析，目的就是要了解輪對扁疤對高速列車車輛的常規(guī)運(yùn)行影響程度與影響范圍，必要時(shí)作出修復(fù)與元件更換以提高高速列車運(yùn)行安全穩(wěn)定性，始終保持車輪輪對扁疤尺寸在40mm以內(nèi)，將輪軌接觸面積控制在140m㎡以內(nèi)，同時(shí)注意輪軌接觸點(diǎn)的周期性橫移問題與車輪扁疤磨耗指數(shù)問題，消除一切安全隱患問題。