輪徑差對(duì)三大件式轉(zhuǎn)向架曲線通過性能影響分析

王文剛，隋順琦，高賢波，凌亮

輪徑差對(duì)三大件式轉(zhuǎn)向架曲線通過性能影響分析

王文剛1，隋順琦*,2，高賢波2，凌亮2

（1.神華鐵路裝備有限責(zé)任公司，北京 100120； 2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

輪徑差是我國(guó)鐵路重載貨車運(yùn)用中常見的一類問題，對(duì)車輛的運(yùn)行穩(wěn)定性和曲線通過性能有較大影響。為揭示輪徑差對(duì)三大件式轉(zhuǎn)向架曲線通過性能的影響規(guī)律，建立了某型敞車動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)比分析了四種不同形式輪徑差下貨車曲線動(dòng)態(tài)響應(yīng)。研究結(jié)果表明：不同種類輪徑差對(duì)轉(zhuǎn)向架通過曲線的影響有所不同，適當(dāng)程度輪徑差有利于車輛動(dòng)態(tài)曲線通過；前導(dǎo)向輪輪徑差狀態(tài)下，小輪徑車輪位于內(nèi)軌側(cè)時(shí)，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力三項(xiàng)指標(biāo)更優(yōu)；后隨輪對(duì)輪徑差狀態(tài)下，小輪徑車輪位于曲線外軌側(cè)且速度小于70 km/h，更有利于其動(dòng)態(tài)曲線通過；等值同相輪徑差狀態(tài)下，小輪徑車輪位于內(nèi)軌側(cè)時(shí)，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力指標(biāo)更優(yōu)，反之，減載率、輪軸橫向力指標(biāo)較優(yōu)；等值反相輪徑差狀態(tài)下，速度低于70 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)向架以一位輪對(duì)右輪小、二位輪對(duì)左輪小形態(tài)通過右曲線時(shí)，其脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力更優(yōu)，但輪重減載率更高。

輪徑差；鐵路貨車；曲線通過；動(dòng)力學(xué)性能

隨著貨物列車載重、運(yùn)行速度逐步提高，隨機(jī)載荷激勵(lì)下輪軌相互作用加劇，踏面?zhèn)麚p日益嚴(yán)重，重載貨車輪軌磨耗問題日益突出，輪軌維修成本增加[1-8]。理想狀態(tài)下同一車軸左右側(cè)車輪具有相同車輪直徑，但在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用過程中，由于受到生產(chǎn)、旋修加工精度和車輪非對(duì)稱磨耗的影響，導(dǎo)致同一車軸兩側(cè)車輪滾動(dòng)圓輪徑不一致而產(chǎn)生輪徑差（WDD），隨著車輛持續(xù)運(yùn)行，輪徑差值逐漸增加，輪軌接觸環(huán)境不斷惡化，影響車輛的臨界速度及運(yùn)行安全性。

研究人員針對(duì)輪徑差對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)特性的影響開展了許多研究。黃照偉[9]和韓鵬[10]分析了輪徑差對(duì)高速列車平穩(wěn)性、穩(wěn)定性指標(biāo)的影響。姚治鋒[11]研究了高速車輛輪徑差對(duì)其臨界速度的影響。池茂儒[12-13]分析了輪徑差對(duì)轉(zhuǎn)向架的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力的影響，并根據(jù)影響程度將輪徑差劃分為易穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和亞穩(wěn)定三個(gè)區(qū)域。丁軍君等[14]分析了輪對(duì)輪徑差及安裝偏角對(duì)高速列車踏面磨耗的影響。王晨等[15]探討了不同形式輪徑差對(duì)地鐵車輛動(dòng)力學(xué)性能及車輪磨耗的影響。孫士剛[16]研究了在車橋耦合系統(tǒng)中輪徑差對(duì)踏面磨耗的影響。王偉等[17]分析了輪徑差狀態(tài)下三大件轉(zhuǎn)向架輪緣磨耗演變規(guī)律，并指出輪徑差大于6 mm后將導(dǎo)致輪緣磨耗。陳嶸等[18]研究了高速列車輪徑差對(duì)其通過道岔的影響并且提出相應(yīng)的的運(yùn)用限值、檢修限值。

目前，對(duì)輪徑差的分析多集中于高速列車及地鐵等軌道車輛，對(duì)重載貨車輪徑差的分析相對(duì)較少。然而，重載貨車因其車輛運(yùn)行速度及軸重不斷增大，車輪磨耗所致輪徑差現(xiàn)象也越發(fā)普遍。因此，本文針對(duì)某型貨車，分析其在不同輪徑差形式下的曲線通過性能演變規(guī)律。

1 輪徑差常見形式及其檢修限度

理想的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向架4個(gè)車輪的直徑應(yīng)該完全相等，但在實(shí)際運(yùn)用過程中，車輪踏面磨耗會(huì)引起踏面形狀的改變從而會(huì)引起車輪輪徑差的變化。目前，既有的鐵路三大件式轉(zhuǎn)向架貨車輪徑差檢修限度主要針對(duì)同一車輪、同一輪對(duì)、同一轉(zhuǎn)向架、同一車輛四個(gè)方面做出規(guī)定，如表1所示。三大件式轉(zhuǎn)向架貨車實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)表明，同一輪對(duì)輪徑差出現(xiàn)較為頻繁，對(duì)車輛檢修、維護(hù)造成較大負(fù)擔(dān)[18]。車輛輪徑差狀態(tài)形式多樣，但基本可以通過圖1中四種典型形式組合得到，依次為：前導(dǎo)向輪輪徑差、后隨輪對(duì)輪徑差、等值同相輪徑差、等值反相輪徑差。如果輪對(duì)存在輪徑差，車輪會(huì)通過踏面錐度來調(diào)整車輪的滾動(dòng)圓直徑，使輪對(duì)中心線偏離軌道中心線向輪徑小的一側(cè)移動(dòng)，直至左右車輪達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)而改變輪軌接觸關(guān)系，影響車輛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能。

2 仿真分析

2.1 車輛－軌道動(dòng)力學(xué)模型

基于某型貨車動(dòng)力學(xué)參數(shù)，采用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立車輛－軌道動(dòng)力學(xué)分析模型，如圖2所示，車輛模型由1個(gè)車體、2個(gè)搖枕、4個(gè)側(cè)架、4個(gè)輪對(duì)和8個(gè)承載鞍組成。車體、側(cè)架和搖枕各有6個(gè)自由度，輪對(duì)考慮6個(gè)自由度（縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭；其中輪對(duì)垂向和側(cè)滾運(yùn)動(dòng)是非獨(dú)立運(yùn)動(dòng)），每個(gè)承載鞍有1個(gè)點(diǎn)頭自由度，整個(gè)車輛系統(tǒng)有70個(gè)自由度。在建模時(shí)，充分考慮了各種斜楔、旁承、心盤等非線性因素，踏面采用標(biāo)準(zhǔn)LM踏面，軌道采用60 kg/m鋼軌型面，輪軌法向力和切向力分別使用Hertz非線性彈性接觸和Kalker簡(jiǎn)化理論算法FASTSIM的進(jìn)行計(jì)算。

車輛及線路設(shè)置如表2所示，為分析輪徑差對(duì)車輛曲線通過性能影響，線路未施加不平順。車輛前轉(zhuǎn)向架設(shè)置不同形式輪徑差，分別計(jì)算不同輪徑差、速度下惰行通過400 m小半徑曲線，分析其前轉(zhuǎn)向架脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力、輪軸橫向力等曲線通過性能指標(biāo)最大值隨速度、輪徑差動(dòng)態(tài)演變特性。

圖1 輪徑差種類

表1 輪徑差檢修限度

圖2 貨車動(dòng)力學(xué)模型

表2 車輛及線路參數(shù)設(shè)置

2.2 仿真結(jié)果分析

（1）前導(dǎo)向輪

對(duì)于前導(dǎo)向輪徑差，輪徑差為一位輪對(duì)左輪的輪徑與右輪的輪徑的差值，輪徑差為-8～8 mm。輪徑差為負(fù)表示一位輪對(duì)左輪小、右輪大，即小輪徑車輪處于外軌側(cè)；輪徑差為正表示一位輪對(duì)左輪大、右輪小，即小輪徑車輪位于內(nèi)軌側(cè)。

圖3為前導(dǎo)向輪輪徑差下，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力、輪軸橫向力指標(biāo)最大值隨輪徑差變化圖。由圖可知，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力隨一位輪對(duì)內(nèi)軌側(cè)車輪輪徑減小（即輪徑差由負(fù)至正）逐漸減小。脫軌系數(shù)、輪軌橫向力隨速度變化并不顯著，輪軸橫向力隨速度增加而增大。當(dāng)輪徑差為負(fù)（即一位輪對(duì)外軌側(cè)輪徑小）減載率隨速度變化較小，隨輪徑差增大有所增大；當(dāng)輪徑差為正（即一位輪對(duì)內(nèi)軌側(cè)輪徑小）減載率與速度、輪徑差呈正相關(guān)。

當(dāng)前導(dǎo)向輪存在輪徑差且小輪徑車輪位于內(nèi)軌側(cè)時(shí)，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力三項(xiàng)指標(biāo)更優(yōu)；當(dāng)車輛速度小于50 km/h，小輪徑車輪位于內(nèi)軌側(cè)時(shí)的減載率更優(yōu)，隨著速度、輪徑差進(jìn)一步增大，小輪徑車輪位于外軌側(cè)時(shí)減載率更優(yōu)。在實(shí)際運(yùn)用中，三大件式轉(zhuǎn)向架貨車運(yùn)行速度一般在80 km/h以下，總體上看，小輪徑車輪位于內(nèi)軌側(cè)時(shí)更有利于車輛動(dòng)態(tài)曲線通過。

（2）后隨輪對(duì)

對(duì)于后隨輪對(duì)輪徑差，輪徑差為二位輪對(duì)左輪輪徑與右輪輪徑的差值，輪徑差為-8～8 mm。輪徑差為負(fù)表示二位輪對(duì)左輪小、右輪大，即小輪徑車輪位于曲線外軌側(cè)；輪徑差為正表示二位輪對(duì)左輪大、右輪小，即小輪徑車輪位于曲線內(nèi)軌側(cè)。圖4為后隨輪對(duì)輪徑差下，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力、輪軸橫向力指標(biāo)最大值隨輪徑差變化情況。

由圖4可知，后隨輪對(duì)輪徑差-2～0 mm（即二位輪對(duì)左輪與右輪輪徑差值小于2 mm）范圍內(nèi)脫軌系數(shù)、輪軌橫向力相對(duì)較小且隨速度、輪徑差增大有不同程度的增大。減載率與速度、輪徑差呈正相關(guān)。車輛運(yùn)行速度低于60 km/h、輪徑差超過-2 mm（即二位輪對(duì)左輪與右輪輪徑差值超過2 mm）輪軸橫向力較小。

當(dāng)車輛存在后隨輪對(duì)輪徑差，對(duì)比小輪徑車輪位于內(nèi)、外軌側(cè)的性能指標(biāo)可知，車輛運(yùn)行速度小于70 km/h，二位輪對(duì)外軌側(cè)輪徑較小時(shí)更有利于曲線通過。

（3）等值同相

對(duì)于等值同相輪徑差，輪徑差為一、二位輪對(duì)左、右輪輪徑的差值，差值為-8～8 mm。輪徑差為負(fù)表示一、二位輪對(duì)左輪小、右輪大，即小輪徑車輪位于外軌側(cè)；輪徑差為正表示一、二位輪對(duì)左輪大、右輪小，即小輪徑車輪位于內(nèi)軌側(cè)。圖5為等值同相輪徑差下，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力、輪軸橫向力指標(biāo)最大值隨輪徑差變化分布情況。

由圖5可知，當(dāng)輪徑差為負(fù)（即一、二位輪對(duì)外軌側(cè)輪徑小）脫軌系數(shù)、輪軌橫向力隨速度變化較小，隨輪徑差增大而增大；當(dāng)輪徑差為正（即一、二位輪對(duì)內(nèi)軌側(cè)輪徑小）脫軌系數(shù)、輪軌橫向力隨速度增大先減小后增大、與輪徑差呈正相關(guān)。減載率與速度、輪徑差呈正相關(guān)。一、二位輪對(duì)外軌側(cè)輪徑小于內(nèi)軌側(cè)輪徑2～4 mm（即輪徑差-4～-2 mm區(qū)間），輪軸橫向力最小，兩側(cè)車輪輪徑增大、減小均會(huì)導(dǎo)致輪軸橫向力增加。

當(dāng)車輛存在等值同相輪徑差，小輪徑車輪位于曲線內(nèi)軌一側(cè)時(shí)，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力指標(biāo)更優(yōu)；反之，減載率、輪軸橫向力指標(biāo)更優(yōu)。

（4）等值反相

對(duì)于等值反相輪徑差，差值范圍為-8～8 mm。輪徑差為負(fù)表示一位輪對(duì)左側(cè)車輪輪徑小、二位輪對(duì)右側(cè)車輪輪徑小；輪徑差為正表示一位輪對(duì)右側(cè)車輪輪徑小、二位輪對(duì)左側(cè)車輪輪徑小。圖6為等值反相輪徑差下，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力、輪軸橫向力指標(biāo)最大值隨輪徑差變化情況。

圖6為等值反相輪徑差下，曲線通過性能指標(biāo)隨輪徑差變化。由圖可知，當(dāng)車輛速度低于50 km/h、等值反相輪徑差超過2 mm范圍內(nèi)，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力最小且隨速度增加而增大。等值反相輪徑差-1～2 mm區(qū)間內(nèi)輪重減載率較小，輪徑差進(jìn)一步增大會(huì)導(dǎo)致減載率增大。

當(dāng)轉(zhuǎn)向架存在等值反相輪徑差，車輛運(yùn)行速度低于70 km/h通過右曲線時(shí)，一位輪對(duì)右輪小、二位輪對(duì)左輪小（即輪徑差為正），脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力更優(yōu)，但輪重減載率更大。

圖5 等值同相輪徑差對(duì)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)影響

3 結(jié)論

本文分析了曲線線路條件下，不同種類輪徑差對(duì)鐵路貨車轉(zhuǎn)向架動(dòng)態(tài)通過性能的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）輪徑差分布方式對(duì)三大件式轉(zhuǎn)向架動(dòng)態(tài)曲線通過有較大影響，不同分布類型影響有所不同，適當(dāng)程度輪徑差更有利于三大件式轉(zhuǎn)向架動(dòng)態(tài)曲線通過。

（2）前導(dǎo)向輪輪徑差狀態(tài)下，小輪徑車輪位于內(nèi)軌側(cè)時(shí)，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力三項(xiàng)指標(biāo)更優(yōu)；當(dāng)車輛速度小于50 km/h、輪徑差小于6 mm，小輪徑車輪位于內(nèi)軌側(cè)時(shí)，輪重減載率更優(yōu)。

（3）后隨輪對(duì)輪徑差狀態(tài)下，二位輪對(duì)小輪徑車輪位于外軌側(cè)、車輛速度小于70 km/h時(shí)，更有利于轉(zhuǎn)向架曲線動(dòng)態(tài)通過。

（4）等值同相輪徑差狀態(tài)下，小輪徑車輪位于內(nèi)軌側(cè)時(shí)，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力指標(biāo)更優(yōu)；反之，減載率、輪軸橫向力更優(yōu)。

（5）等值反相輪徑差狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向架以一位輪對(duì)右輪小、二位輪對(duì)左輪小形態(tài)通過右曲線且車輛速度低于70 km/h時(shí)，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力三項(xiàng)指標(biāo)較小，但減載率較高。

圖6 前導(dǎo)向輪輪徑差對(duì)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)影響

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Influence of Wheel Diameter Difference on Curving Negotiation Performance of Three-piece Bogies

WANG Wen'gang1，SUI Shunqi2，GAO Xianbo2，LING Liang2

(1.Shenhua Railway Freight Transportation Co., Ltd., Beijing 100120, China；2.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, 610031 Chengdu, China)

Wheel diameter difference (WDD) is a common problem in the operation of heavy haul freight wagons in China, which has a great impact on the running stability and curving negotiation performance of vehicles. To reveal the influence of the WDD on the curve negotiation performance of the three-piece bogies, a dynamic model of freight wagons has established. The dynamic response of freight wagons under four different types of the WDD was compared and analyzed. The results show that different types of the WDD have different effects on the curve negotiation performance, and the appropriate degree of the WDD is conducive to the curve negotiation. For the WDD of the first wheelset, the derailment coefficient, wheel-rail lateral force and wheel axle lateral force are smaller when the small wheel is put on the inner rail side. For the WDD of the second wheelset, the bogie is easy to negotiate the curve when the small wheel is put on the outer side of the curve with a speed limit of 70 km/h. As for the equivalent and in-phase WDD of the first and second wheelsets, the derailment coefficient and wheel-rail lateral force are smaller on condition that the small wheel is put on the inner rail, whereas the wheel load reduction and wheel axle lateral force are smaller when the small wheel is put on the outer side. For the equivalent and inverse WDD, the derailment coefficient, wheel-rail lateral force and wheel axle lateral force are smaller, but the wheel load reduction rate is higher.

Wheel diameter difference；Freight wagons；Curving negotiation；Dynamics performance

TE833

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.01.006

1006－0316 (2021) 01－0037－07

2020－07－29

國(guó)家自然科學(xué)基金（51825504）

王文剛（1987－），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)檐壍儡囕v。

隋順琦（1993－），男，黑龍江伊春人，博士研究生，主要研究方向?yàn)殍F道車輛動(dòng)力學(xué)，E-mail：674959078@qq.com。