直線電機地鐵車輛的車輪磨耗特性及動力學(xué)性能試驗研究

劉偉，張雄飛，張冬梅，關(guān)慶華，溫澤峰

直線電機地鐵車輛的車輪磨耗特性及動力學(xué)性能試驗研究

劉偉1，張雄飛1，張冬梅1，關(guān)慶華*,2，溫澤峰2

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

對國內(nèi)某直線電機地鐵線路軸箱內(nèi)外置列車的車輪磨耗規(guī)律和動力學(xué)性能進行了現(xiàn)場調(diào)查、特征對比以及形成機理的理論研究。通過兩種車型不同鏇后運行里程的車輪磨耗測試，分析了兩種軸箱布置方式車輛的車輪磨耗形式、分布區(qū)域及磨耗速率的演變規(guī)律。通過正線運行動力學(xué)測試，對兩種車型鏇輪前后的運行平穩(wěn)性和穩(wěn)定性進行了對比研究。研究結(jié)果表明，鏇后6萬公里前，軸箱內(nèi)置車輛的車輪踏面磨耗小于軸箱外置車輛，鏇后里程達到10萬公里以上時，兩種車型的磨耗量相當(dāng)。軸箱外置車輛的運行平穩(wěn)性和穩(wěn)定性優(yōu)于軸箱內(nèi)置車輛，同時對輪軌狀態(tài)的適應(yīng)性更好?；趦煞N車型的車輛結(jié)構(gòu)特征及其與動力學(xué)性能的相關(guān)分析，揭示了兩種車型車輪磨耗和動力學(xué)性能差異的內(nèi)在機理，明確了兩種車型的動力學(xué)特性，并提出了兩種車型的優(yōu)化設(shè)計建議。

直線電機地鐵；車輪磨耗；平穩(wěn)性；穩(wěn)定性；軸箱布置

直線電機地鐵誕生于20世紀(jì)80年代的加拿大，之后在日本、中國、馬來西亞及韓國等國得到了廣泛應(yīng)用。直線電機地鐵通過布置于車輛上的定子和軌道上的感應(yīng)板之間的電磁相互作用產(chǎn)生驅(qū)動和制動力，由于其采用非黏著驅(qū)動系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)地鐵，可以適應(yīng)更小半徑曲線和更大坡度的線路運行條件[1]，合理采用直線電機地鐵運營模式可以大幅降低地鐵的建設(shè)和運營成本。

目前，國外直線電機地鐵技術(shù)主要以加拿大龐巴迪公司的先進快速交通和日本的直線電機技術(shù)體系為主[2-5]，日本的直線電機技術(shù)是從加拿大引進并根據(jù)日本的實際情況進行不斷改進后形成的[4]。從車輛結(jié)構(gòu)上而言，前者以軸箱內(nèi)置構(gòu)架和電機軸懸為代表，后者逐漸形成以軸箱外置和電機架懸為代表的直線電機車輛技術(shù)。我國在20世紀(jì)80年代開始研究直線電機驅(qū)動方式的運載系統(tǒng)，2005年在廣州開通了國內(nèi)首條直線電機地鐵線路，之后首都國際機場線以及廣州5號線和6號線也相繼開通[6]，至今我國直線電機線路里程約占世界總里程的38%，線路里程和日均運量均遠遠超過世界其他國家。我國在引進國外直線電機車輛的同時，也開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的直線電機車輛轉(zhuǎn)向架[7]。

近十五年間，隨著直線電機地鐵在我國的應(yīng)用和推廣，國內(nèi)關(guān)于直線電機車輛和軌道結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)性能的研究不斷涌現(xiàn)，周建樂等[6-7]對國內(nèi)外直線電機車輛的總體技術(shù)進行了歸納總結(jié)，分析了直線電機地鐵的發(fā)展前景；馮雅薇、魏慶超等[8]研究了直線電機地鐵車輛和軌道的動力相互作用，考慮了軌道結(jié)構(gòu)的彈性變形。在我國直線電機線路中，存在軸箱內(nèi)置和軸箱外置兩種類型車輛同時運行的情況，車輛在運營過程產(chǎn)生了不同的動力學(xué)行為和運營問題。文獻[9-10]針對直線電機軸箱布置方式對直線電機地鐵車輛動力學(xué)性能的影響進行了仿真分析。直線電機轉(zhuǎn)子和感應(yīng)板之間的間隙對直線電機的牽引和制動效率有重要影響，啟動過程中的顫振還會引起車輛部件的故障[11]。黃立和曾京等[12]對高速動車組晃車現(xiàn)象的研究表明，由于輪軌型面磨耗導(dǎo)致的等效錐度變化，引起轉(zhuǎn)向架蛇行與車輛模態(tài)耦合是晃車的產(chǎn)生機理。直線電機地鐵在運營過程中同樣存在輪軌異常磨損以及導(dǎo)致的車輛軌道部件破壞、高速晃車、運行品質(zhì)下降以及振動噪聲突出等問題，不少運營單位對采用直線電機地鐵模式仍存疑惑，能否成功解決這些問題將事關(guān)我國直線電機地鐵的未來發(fā)展。

本文基于兩種類型直線電機地鐵車輛的輪軌磨耗狀態(tài)和車輛動力學(xué)性能的試驗研究，分析了兩種車型的輪軌磨耗規(guī)律、動力學(xué)演變規(guī)律及其產(chǎn)生的原因，為直線電機車輛的改進設(shè)計以及運營維護提供參考。

1 線路及車輛情況

線路正線曲線長度占比達67.03%，其中，半徑在300 m以內(nèi)曲線17條，占線路總長11.06%。正線最小曲線半徑為200 m，車場線最小曲線半徑為65 m。正線最大坡度為55‰，出入線段最大坡度為58‰。

車輛采用6輛編組大運量直線電機地鐵列車，部分列車采用軸箱內(nèi)置型式，設(shè)置有抗側(cè)滾扭桿和搖枕結(jié)構(gòu)。另一部分列車采用軸箱外置式結(jié)構(gòu)，取消了搖枕和抗側(cè)滾扭桿。兩種車型均采用軸懸式電機，吊掛于固定于輪軸的懸掛梁。

列車最高運行速度為90 km/h，線路平均速度為35.6 km/h，2015年度線路日均客流量達98.55萬人次，超高了東京地鐵12號線8輛直線電機編組列車的日均運量87.896萬人次，運量居世界直線電機列車之最。

2 車輪磨耗規(guī)律

兩種車型車輪均采用LM型踏面，新輪狀態(tài)輪徑為730 mm，磨耗到限輪徑為650 mm，輪對內(nèi)側(cè)距為1353 mm。圖1所示為兩種車型車輪鏇后里程分別為4.0萬公里和10～12萬公里時的實測廓形和磨耗量統(tǒng)計曲線。由圖可知，兩種車型車輪的磨耗區(qū)域和磨耗量分布曲線基本類似，車輪磨耗主要以踏面磨耗為主，幾乎無輪緣磨耗，踏面磨耗區(qū)域分布在－30～＋35 mm范圍內(nèi)。隨著鏇后運行里程的增加，踏面上逐漸形成以－15 mm和＋10 mm為中心的兩個磨耗峰值。

圖2所示為兩種車型踏面磨耗量的統(tǒng)計結(jié)果，隨著鏇后里程的增大，踏面磨耗量也逐漸增大，且隨著鏇后里程的增大，同一列車不同車輪的踏面磨耗量離散性也增大，表明車輪磨耗與車輪在列車中的位置也有關(guān)系。

從圖3中兩種車型車輪踏面平均磨耗量隨鏇后里程的變化曲線可知：1～4萬公里范圍內(nèi)兩種車型的磨耗速率最大；超過4萬公里時，軸箱外置車輛的車輪磨耗速率顯著下降并趨于穩(wěn)定值，而軸箱內(nèi)置車輛的車輪磨耗速率略高于軸箱外置車輛。整體而言，鏇輪后前6萬公里內(nèi)，軸箱內(nèi)置車輛的車輪磨耗量小于軸箱外置車輛。從磨耗量和磨耗速率的發(fā)展趨勢上看，超過10萬公里運行時，軸箱外置車輪的磨耗量將與軸箱內(nèi)置車輪相當(dāng)，甚至有可能低于軸箱內(nèi)置車輪。

圖1 兩種車型的車輪典型磨耗特征

圖2 兩種車型不同鏇后里程下的車輪踏面磨耗量統(tǒng)計值分布

圖3 兩種車型車輪踏面平均磨耗量隨鏇后里程的變化曲線

3 車輛運行動力學(xué)性能

運行平穩(wěn)性是評價旅客乘坐舒適度的重要指標(biāo)。按照GB5599-85標(biāo)準(zhǔn)要求，在如圖4所示轉(zhuǎn)向架中心上方橫向距離為1 m處布置垂向和橫向振動傳感器，對測試得到橫向和垂向振動加速度進行加權(quán)計算后得到的Sperling指標(biāo)來評價運行平穩(wěn)性。其中，2.75～3.0為合格范圍，2.5～2.75為良好，2.5以內(nèi)為優(yōu)秀。

圖4 車輛平穩(wěn)性測點布置

對兩種車型列車鏇輪前后的正線運行平穩(wěn)性進行了測試，圖5為各工況下全線上下行所有區(qū)間的平穩(wěn)性指標(biāo)的統(tǒng)計圖。圖中數(shù)據(jù)表明：

（1）兩種車型鏇輪前后的垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)區(qū)間統(tǒng)計均值均在優(yōu)秀范圍；軸箱外置車輛鏇輪前后的垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值均為優(yōu)秀，軸箱內(nèi)置車輛鏇輪前后的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值為優(yōu)秀，但橫向平穩(wěn)性指標(biāo)各區(qū)間統(tǒng)計最大值位于良好和合格范圍。相對而言，兩種車型的橫向平穩(wěn)性要差于垂向，軸箱外置車輛的垂向和橫向運行平穩(wěn)性要優(yōu)于軸箱內(nèi)置車輛。

（2）鏇輪前后軸箱外置車輛的垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均值和最大值變化均很小，而軸箱內(nèi)置車輛鏇輪后車輛的橫向和垂向平穩(wěn)性均值和最大值均明顯增大，因此，軸箱外置車輛的平穩(wěn)性受車輪狀態(tài)影響不大，對輪軌匹配的適應(yīng)性更強。

圖5 兩種車型鏇輪前后的平穩(wěn)性指標(biāo)

構(gòu)架的橫向振動加速度可以反映車輛運行穩(wěn)定性，TSI-L84及T3188－2007標(biāo)準(zhǔn)中即以經(jīng)低通濾波后的構(gòu)架橫向振動加速度的幅值來評判車輛運行穩(wěn)定性。圖6所示為兩種車型鏇輪前后經(jīng)低頻0.5～10 Hz濾波后的構(gòu)架橫向振動加速度在各區(qū)間的統(tǒng)計最大值，橫坐標(biāo)為區(qū)間。圖中數(shù)據(jù)表明，軸箱內(nèi)置車輛鏇輪前后正線運行過程中均有區(qū)間的構(gòu)架橫向振動加速度的最大值超過8 m/s2，而且鏇后出現(xiàn)的區(qū)間更多，而軸箱外置車輛鏇輪前后正線運行所有區(qū)間的構(gòu)架橫向振動加速度最大值均未超過8 m/s2。對軸箱內(nèi)置車輛構(gòu)架橫向振動加速度超過8 m/s2的時間里程數(shù)據(jù)進行逐一分析表明，超過8 m/s2的情況均為構(gòu)架橫向振動加速度瞬時增大，并未出現(xiàn)連續(xù)波動的失穩(wěn)狀態(tài)，如圖7所示。相對而言，軸箱內(nèi)置車輛的橫向運動受線路狀態(tài)及運行狀態(tài)的影響要顯著于軸箱外置車輛，軸箱外置式車輛運行穩(wěn)定性更不易受輪軌狀態(tài)及運行環(huán)境影響。

4 兩種車型動力學(xué)性能差異原因分析

前述測試分析表明，兩種車型車輪磨耗主要以踏面磨耗為主，磨耗分布范圍基本一致。鏇后6萬公里前，軸箱內(nèi)置車輛的車輪磨耗量小于軸箱外置車輛；鏇后里程超過10萬公里時，軸箱外置車輛的車輪磨耗量與軸箱內(nèi)置車輛相當(dāng)，磨耗速率低于軸箱內(nèi)置車輛。

圖6 兩種車型鏇輪前后構(gòu)架橫向振動加速度（經(jīng)0.5～10 Hz濾波）

動力學(xué)測試結(jié)果表明，軸箱外置車輛的運行平穩(wěn)性和穩(wěn)定性要優(yōu)于軸箱內(nèi)置車輛，且對輪軌表面狀態(tài)具有更大的適應(yīng)性。為揭示兩種車型在車輪磨耗特性以及動力學(xué)性能上差異，對兩種車型車輛結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特征進行分析，圖8所示為兩種車型的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)圖，軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架采用了搖枕結(jié)構(gòu)和抗側(cè)滾扭桿，二系空氣彈簧連接于搖枕和構(gòu)架，搖枕和車體之間具有類似旁承的間隙結(jié)構(gòu)。軸箱外置式轉(zhuǎn)向架取消了搖枕和抗側(cè)滾扭桿，同時通過軸箱外置實現(xiàn)了輪盤制動，平衡了電機吊掛和軸箱載荷對輪對彎曲效應(yīng)。

圖9所示為兩種車型的動力學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，軸箱內(nèi)置車輛由于其一系懸掛（包括垂向和縱向）的橫向跨距相比于軸箱外置車輛要小40%以上[13]，因此，在同樣的一系垂向和縱向剛度下，軸箱內(nèi)置車輛的輪對搖頭剛度和簧上質(zhì)量的側(cè)滾角剛度相對于軸箱外置車輛要小64%以上。由于相對較小的搖頭剛度，軸箱內(nèi)置車輛通過曲線時輪軌力得以下降，具有更好的曲線通過性能，鏇輪后初期運行的輪軌磨耗量小。

圖7 軸箱內(nèi)置車輛構(gòu)架橫向振動加速度（經(jīng)0.5～10 Hz濾波）

圖8 兩種車型的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)圖

圖9 兩種車型的車輛結(jié)構(gòu)動力學(xué)示意圖

由于軸箱外置車輛具有更大的簧上側(cè)滾角剛度，同時不存在如軸箱內(nèi)置車輛搖枕旁承與車體間的間隙所導(dǎo)致的摩擦碰撞，因此，軸箱外置車輛的運行平穩(wěn)性和穩(wěn)定性要優(yōu)于軸箱內(nèi)置車輛，且對輪軌狀態(tài)具有更大的適應(yīng)性。鏇輪后運行初期，軸箱內(nèi)置車輛的磨耗性能具有優(yōu)勢，而軸箱外置車輛由于其運行平穩(wěn)性和穩(wěn)定性能優(yōu)越，若能實現(xiàn)超長鏇后里程運行，其綜合的輪軌磨耗水平與軸箱內(nèi)置車輛相當(dāng)。

5 結(jié)語

對某直線電機地鐵軸箱內(nèi)置和軸箱外置兩種車型的車輪磨耗規(guī)律和車輛運行動力學(xué)性能進行了試驗研究。

車輪磨耗分析結(jié)果表明：兩種車型的車輪均以踏面磨耗為主，輪緣磨耗很小；踏面磨耗范圍主要分布于踏面－30 mm～＋35 mm之間，并形成以內(nèi)側(cè)－15 mm和外側(cè)＋10 mm為中心的雙磨耗峰值。兩種車型在車輪鏇后4萬公里前，車輪磨耗速率最大；鏇后6萬公里前，軸箱內(nèi)置車輛的車輪磨耗小于軸箱外置車輛；超過10萬公里時，軸箱外置車輛的車輪磨耗量與軸箱內(nèi)置車輛相當(dāng)。動力學(xué)測試結(jié)果表明，軸箱外置車輛的運行平穩(wěn)性和穩(wěn)定性優(yōu)于軸箱內(nèi)置車輛，同時軸箱外置車輛的運行平穩(wěn)性和運動穩(wěn)定性對輪軌狀態(tài)的適應(yīng)性更好。

對于軸箱內(nèi)置車輛而言，在保持其優(yōu)良的曲線通過性能的同時，應(yīng)進一步改進構(gòu)架及以上結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高運行平穩(wěn)性和運動穩(wěn)定性。而軸箱外置車輛整體穩(wěn)健的結(jié)構(gòu)以及較大的簧上側(cè)滾角剛度使其具有良好的動力學(xué)性能及對輪軌狀態(tài)的適應(yīng)性，可考慮優(yōu)化其曲線通過能力，進一步降低輪軌磨耗，實現(xiàn)兩種車型的優(yōu)勢互補。

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Experimental Investigation of Wear Characteristic and Dynamic Performance of Linear Metro Vehicles

LIU Wei1，ZHANG Xiongfei1，ZHANG Dongmei1，GUAN Qinghua2，WEN Zefeng2

( 1.CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China;2.State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

Field survey and theoretical analysis on the wear characteristic and dynamic performance of linear metro vehicles with inner/outer axle box layouts are carried out respectively. The wear form, wear range and wear rate are compared based on the test results of the worn wheel profiles of two types of vehicles with different axle-box layouts in different mileages. The ride quality and running stability of the two types of vehicles are also analyzed based on the running tests before and after wheel reprofiling. The test results indicate that the vehicle with inner axle-box has lower level of wheel wear when the mileage is less than 60,000 km after wheel reprofiling. The two types of vehicle have similar wheel wear rate when the running mileage after wheel reprofiling is more than 100,000 km. The vehicle with outer axle-box have better ride quality and running stability. The intrinsic mechanisms of the differences in wheel wear and dynamic performance of the vehicles with two types of axle box layouts are discussed on the basis of the analysis of the vehicle structures and their dynamic properties. The suggestions on the optimization of the two types of vehicles are also proposed respectively.

linear metro；wheel wear；ride quality；running stability；axle box layout

U211.5；U260.11+1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.04.008

1006－0316 (2020) 04－0044－07

2019－12－17

牽引動力國家重點實驗室自主研究課題（2020TPL-T02）；四川省科技計劃項目（2019YFH0053）

劉偉（1987－），山東臨沂人，工程師，主要從事城軌車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計工作；張雄飛（1977－），河北石家莊人，教授級高級工程師，主要從事軌道車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計工作。

關(guān)慶華（1981－），河南澠池人，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為車輛軌道動力學(xué)、輪軌關(guān)系、軌道車輛運行安全性研究，guan_qh@163.com。