扁疤條件下CRH2動車組的輪軌沖擊載荷分析

李文全　趙永翔

摘? 要：扁疤是輪軌接觸滑移在踏面產生的車輪不圓損傷，對軌道車輛動力學性能具有相對較強影響。考慮輪軸材料的動載彈塑性，運用商業動力學軟件建立了車輛-軌道-車輪扁疤長度的耦合動力學模型，研究獲得了扁疤長度-CRH2型動車組的輪軌沖擊載荷關系。結果表明，扁疤長度對輪軌接觸沖擊力具有顯著影響，主要隨著扁疤長度的增加沖擊力變大，在商業應用速度范圍，扁疤長度小于20mm才能保證輪軌載荷不超過管理范圍。文章研究有助于指導軌道車輛的運用安全管理。

關鍵詞：CRH2型動車組;車輪扁疤;動力學仿真;輪軌力

中圖分類號：U211 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）17-0006-05

Abstract： Wheel flat is the wheel out-of-round damage caused by wheel-rail contact slip on the tread， which has a relatively strong influence on the dynamic performance of rail vehicles. Considering the dynamic elastoplasticity of axle material， the coupling dynamic model of vehicle-rail-wheel flat length is established by using commercial dynamics software， and the wheel-rail impact load relationship between flat length and CRH2 EMU is obtained. The results show that the flat length has a significant effect on the wheel-rail contact impact force， which mainly increases with the increase of the flat length. In the speed range of commercial application， the flat length is less than 20mm to ensure that the wheel-rail load does not exceed the management range. The research in this paper is helpful to guide the safety management of rail vehicles.

Keywords： CRH2 EMU; wheel flat; dynamic simulation; wheel-rail contact force

引言

由于現有軌道交通采用車輪金屬硬度弱于軌道的接觸方案，在車輛運行期間，輪軌接觸因動態接觸應力大于材料的循環應力-應變關系的屈服點而產生塑性變形累積，加上隨機出現的輪軌接觸相對滑動而產生的摩擦磨損，以及硬質外物造成的踏面硌傷等是軌道交通固有的損傷形態，車輪踏面損傷可統稱為扁疤損傷。鑒于車輪出現扁疤，將影響列車運行的動力學性能和相關零部件所承受的動載荷條件，分析扁疤長度與列車動力學性能及動載荷條件的關系，科學地管控扁疤長度，確保列車運行具有良好的動力學性能和可接受的動載，是軌道交通的主要科技問題之一。

Newton-Clark[1]在進行扁疤沖擊研究中，將扁疤沖擊等效為軌道低接頭沖擊，提出了如下扁疤深度與扁疤長度的描述方程：

f（x）=d/2[1-cos（2πx/L）] d=L2/16R （1）

其中x為扁疤上某一點位置，0

翟婉明等[2-3]將扁疤等效為軌道低接頭沖擊，建立了扁疤沖擊速度、扁疤長度、車輛運行速度等關系，借助VICT程序對扁疤沖擊進行了模擬，結果顯示嚴重時車輪扁疤所引起的高頻沖擊力可為正常輪載的3～4倍。

王建斌-鄔平波-唐兆[4]也將扁疤沖擊等效為軌道低接頭沖擊，采用Koettgen虛應力方法結合Neuber缺口應力修正算法求解車軸危險截面的應力-應變歷程，結果顯示危險截面等效應力可達到無扁疤激擾時的2倍。

Dukkipati-Dong[5]采用與Newton-Clark[1]相同的數學模型描述扁疤深度-長度關系，探究了車軸載荷、速度、軌道定位剛度等因素對輪軌垂向沖擊載荷的影響，說明了輪軌沖擊力不僅與扁疤尺寸相關，同時也受車輛懸掛參數、車軸載荷、車速及軌道參數等影響。

王憶佳-曾京-高浩等[6]研究了扁疤長度與垂向輪軌力的關系，新扁疤及舊扁疤輪廓采用與Newton-Clark相同的數學模型[1]，分析結果顯示：在較高的速度下，舊扁疤引起的輪軌垂向力大于新扁疤;當車速在200～250km/h時，車輪扁疤長度應?35mm，當車速?250km/h，扁疤長度應?30mm。

王晨、秦玉東、張大偉等[7-9]也對扁疤沖擊進行了一定的分析研究，得出的基本規律較為一致：扁疤損傷越長，引起的輪軌沖擊力越大，扁疤沖擊與速度、一系懸掛剛度、軸重等相關。同時扁疤損傷還會引起轉臂、構架等結構不同程度的振動。

以上文獻在計算扁疤引起的輪軌沖擊力時，大多未考慮輪對柔性，這可能導致輪軌力計算結果與實際情況有較大差異。楊光、陳新華、李笑等學者[10-12]建立了剛柔耦合動力學模型，并對動力學仿真中結構柔性對動力學性能的影響進行了研究，研究表明：在低速工況，剛性輪對與柔性輪對動力學性能相近，但在高速時，輪對柔性影響較大，考慮輪對的柔性非常有必要。

3 結論

通過建立彈塑性輪對模型及CRH2車輛-軌道耦合動力學模型、扁疤模型，模擬分析了扁疤對車輛舒適性、脫軌系數、輪軌沖擊力的影響。得出以下結論：

（1）車輪踏面扁疤損傷引起的沖擊，對輪軌橫向力、垂向力均有影響，在100～375km/h速度范圍內，隨著速度及扁疤長度增加，扁疤引起的輪軌橫向、垂向沖擊力均有增加。

（2）在車輪踏面存在扁疤損傷時，在實際運行速度范圍內，推薦扁疤長度限定在20mm以內。對大于20mm長的扁疤損傷，不同長度對應不同速度限值：當扁疤長度達到25mm時，車運行速度建議降至250km/h;當扁疤長度達到30mm時，建議車速降至100km/h左右;當扁疤長度達到35mm時，建議車速降至80～100km/h;當扁疤長度達到40mm，建議車速降至60～80km/h;當扁疤長度大于等于45mm時，降速至50～60km/h回站旋修。

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