地鐵車輪不對稱磨耗對車輛動力學性能的影響解析

韓守超 史可凡

摘 要：本文主要分析了地鐵車輪不對稱磨耗對車輛動力學性能的影響。然后闡述了地鐵車輪不對稱磨耗與地鐵車輛系統動力學模型，最后對車輪不對稱磨耗、對輪軌橫向力的影響、對輪軌垂向力的影響等進行總結，主要目的是能夠在最大程度上減少不對稱磨耗情況出現。

關鍵詞：地鐵;車輪;不對稱;磨耗;車輛;動力學性能

1、地鐵車輪不對稱磨耗分析

在如今社會快速發展背景下，城市軌道交通行業的發展，為人們出行、城市進步提供更多便利。地鐵車輛如今已經成為人們日常出行中的重要組成部分，具有間距短特點、制動頻繁特點等，因此，車輪也不可避免會出現磨損情況，這一問題的出現，會在不同程度上對車動力學性能產生直接影響。在二十世紀八十年代，人們開始對車輪型面磨耗、車輪不圓等方面研究車輪在出現損傷情況下，對地鐵車輛動力學性能的影響。國外學者在車輪磨損分析中，主要是對機車曲線通過能力的影響研究，結果顯示車輛磨損問題的出現，會影響車輛通過曲線時的安全性能，與此同時，車輪蛇形運動會更加明顯[1]。通過創建鋼軌仿真模型等不同方式分析可以了解到，不同車輪型面磨損程度，會對地鐵車輛動力學性能產生很大影響。在不同里程背景下，車輛踏面磨耗相對均勻，在外形方面沒有太大差異，但輪緣磨損相對明顯。

2、地鐵車輛系統動力學模型

本文主要結合某地鐵車輛主要運行參數情況進行建模與仿真計算，在這一過程中，要對列車正常運行狀態進行充分考慮與分析，選用地鐵車輛正常承載時的車體質量，具體模型的創建如圖一所示。根據圖一具體參數情況，工作人員可以使用軟件，創建地鐵單車拖車動力學模型，可以對拖車進行簡化，簡化成為一個車體、兩個構架、四個輪對以及八個軸箱。除了軸箱以外，其他剛體會沿著三個坐標軸，產生伸縮振動、橫移振動以及浮沉振動等。與此同時，根據三個坐標軸，還能夠形成側滾振動、搖頭振動等。不同剛體包括六個自由度，軸箱能夠簡化成為垂向振動，這屬于一個自由度，共包括五十個自由度。可以將兩個一系彈簧，安裝在轉向架與軸箱之間，同時在轉向架與車體之間，還要設置垂向非線性彈力元。根據相應地鐵設計規范，對運行路線進行合理設置，比如，設置總長度為1200m的s型路線，同時根據兩個曲線段，進行長度與超高值的設置。

3、車輪不對稱磨耗分析

在具體地鐵車輛運行中，每一位輪對左右側車輪磨耗會在不同程度上出現差異，特別是在線路設置不均勻情況下，因為輪對自身會存在輪徑差問題，相同轉向架的四個車輪磨耗會存在差異。此類車輪不對稱磨耗問題的出現，會導致車輪不對稱接觸問題逐漸嚴重，從而造成車輪損傷，影響動力學性能。車輪不對稱磨耗具體分析如下：

（1）在對地鐵車輛磨損情況進行測量時，可以對Calipri非接觸式輪軌外型測量儀進行合理利用，通過對這一設備的應用，能夠實現對輪緣寬度參數、輪緣高度參數情況的有效檢測，整個系統精確度較高，通常是≤±15μm，可重復精度≤15μm。在具體測量工作落實中，要對列車四十八個車輪，在運行0km、30000km時的車輪型面情況，每個車輪至少測量五次，并計算平均值。圖二是某節拖車1#車輪分別在0km、30000km時，監測的車輪型面圖。通過監測工作的落實，以及數據信息分析可以了解，車輪磨損往往集中在輪緣上，輪緣磨損較為嚴重，踏面磨損并不明顯，可以忽略不計。造成這一問題的主要原因是，可能受到線路曲線比例大影響、運行里程短影響等。在實際分析中還可以了解到，前轉向架左側車輪輪緣處磨損情況，往往會超過右側車輪磨損情況，而后轉向架右側位置車輪輪緣處磨損情況相較于左側車輪輪緣處磨損更加嚴重，這就屬于不對稱磨損。除此之外，在前轉向架與后轉向架之間會出現反相不對稱磨損情況。

（2）車輪不對稱磨耗工況設置分析。結合上述不同的不對稱磨耗情況，工作人員在具體工作開展中，可以設置不同工況，對車輛動力學性能影響進行分析與了解[2]。比如，工況1屬于初始型面，同時將工況1作為車輛系統模型準確性、合理性檢驗的標準工況，如果在這一工況中計算的不同動力學參數，都能夠在有效范圍內，那么可以開展不同工況下的對比分析工作。工況2屬于同相不對稱磨耗、工況3為反相不對稱磨耗、工況4為前后不對稱磨耗。

4、地鐵車輪不對稱磨耗對車輛動力學性能的影響分析

4.1對輪軌橫向力的影響

在五百米到七百米的右轉曲線段中，后三種工況的左側車輪，通常會將其用作爬軌側車輪，會受到較大輪軌橫向力影響，但在大小上沒有太大差別。而在八百米到一千米的右轉曲線段，右側車輪將其作為爬柜側車輪，需要承受較大橫向力。在這一過程中，工況4左右側橫承受的橫向力要小于其他三種工況，在非爬軌側，工況2左側車輪橫向力要超過其他三種工況。

4.2對輪軌垂向力的影響

通過相關對比分析可以了解到，四種工況輪軌垂向力并沒有很大差異，在右轉曲線的緩和線段當中，左側車輪輪軌垂向力具有先增大后減小特點，而右側車輪輪軌垂向力屬于先減小后增大。左轉曲線段有側車輪輪軌垂向力逐漸增加，而左側車輪輪軌垂向力逐漸減小。

4.3對脫軌系數的影響

在非曲線段中，因為會受到輪軌橫向力的影響，工況3的脫軌系數相較于其他三種工況更高，但數值并不大。在右轉曲線段中，不同工況的脫軌系數之間并沒有存在較大差異，都能夠在安全限制內。在左轉曲線段中，如果將右側車輪作為爬軌，那么工況2與工況3的脫軌系數要高于工況4的脫軌系數，工況2的脫軌系數更大。

結束語：

綜上所述，地鐵車輪不對稱磨耗問題的出現，會在不同程度上對車輛動力學性能產生影響，因此，針對不對稱磨耗情況需要相關工作人員能夠給予更多重視與關注。結合實際情況，給出有效措施，盡量減少不對稱磨耗情況出現。

參考文獻：

[1]陳佳明，趙鑫，蔡宇天，劉永鋒，陶功權，溫澤峰.地鐵車輪輪緣根部滾動接觸疲勞機理研究[J].鐵道科學與工程學報，2020，17（09）：2372-2380.

[2]于春廣，陶功權.地鐵車輪磨耗測試及數值仿真[J].工程力學，2016，33 （01）：201-208+245.