城市軌道交通大環線車輪磨耗特征研究

崔愛萍 李偉

（成都地鐵運營有限公司，四川 成都 610000）

引言

成都地鐵7 號線呈地下環形線路走向，將成都站、成都東站、成都南站三個重要的鐵路交通樞紐串聯起來，并與多條城市軌道交通線路形成射線形換乘關系。始于成都市北部的成都站，沿順時針方向回到成都站，其走向大致是圍繞成都2.5 環繞行一圈，線路全長38.61 千米。由于環形線路小半徑曲線眾多，且車輛呈環線運行，導致地列車車輪普遍存在輪緣以及鋼軌側向磨耗非常嚴重，降低行車安全性與乘客乘車的舒適度[1]。

國內外學者已對車輪磨耗進行大量的探究。KALKER[2]開發 FASTSIM 算法所計算的車輪磨耗結果與實測吻合度較高，ENDEL[3]結合現場實驗結果發現采用 Archard 磨耗模型應用于車輪踏面磨耗預測是可行的。金學松[4]采用改進的三維非 Hertz 滾動接觸算法與車輪磨耗計算結合的方法預測車輪磨耗。徐凱[5]編制輪軌磨耗仿真程序，結合 SIMPACK多體動力學仿真軟件，分析車輪磨耗特性以及對車輛動力學性能的影響。目前對車輪磨耗以及磨耗對車輛軌道振動影響已有較多研究，但是針對環形軌道對地鐵車輛的影響尚未進行研究。但是在目前地鐵軌道的設計中O 形、C 形、U 形軌道比較普遍。有必要研究地鐵環形線路對車輪磨耗的影響。

一、車輪磨耗預測模型

（一）車輪磨耗模型

Archard 磨耗預測模型為：

其中，Vwear 為磨損的體積;S 為單元上的滑動量;K 為磨耗系數，其值由單元上的滑動量和正壓力決定;N 為輪軌法向力;H 為摩擦體的材料硬度。

（二）車輛動力學模型

依據車輛-軌道耦合動力學，建立地鐵A 型車輛-軌道耦合動力學仿真模型，通過Hertz 接觸算法求解法向接觸應力，利用 FASTSIM 數值方法求解切向接觸應力;最后，基于Archard 材料磨耗模型計算車輪磨耗量。設定車輪磨耗量達到0.1 mm 后更新車輪踏面并進入下一次迭代。本節利用多體動力學軟件建立地鐵7 號線車輛軌道空間耦合動力學模型。

車輛為地鐵典型二系懸掛四軸電客車，車輛系統包括：車體、轉向架、輪對。每節列車有兩個轉向架，每個轉向架有兩個輪對，即7 個剛體。一系鋼彈簧、二系彈簧采用線性彈性力元模擬，采用點力元模擬轉臂節點。

（三）線路模擬

利用統計分析的方法，計算環形線路不同半徑曲線的概率，構造典型曲線路段進而模擬地鐵大環線。

表1 曲線半徑所占百分比

二、計算結果

本文利用仿真軟件建立車輪踏面磨耗預測模型，當地鐵車輛在大環線軌道上運行時，隨著運行里程的增加，車輪踏面磨耗也越來越嚴重，由于環線的原因導致車輪左右軌的磨耗量與磨耗位置將出現較大差異。圖2、圖3 分別為車輛運行5、10、15、20 萬公里的1 位輪對左右側車輪的踏面磨耗狀態，圖中橫坐標為車輪橫向位置，縱坐標為踏面磨耗深度。

由圖2、3發現，輪對曲線外側車輪的主要磨耗區為滾動圓半徑右側到輪緣的區域，其車輪緣磨耗比較非常嚴重，而內側車輪主要磨耗區域在遠離輪緣的方向且磨耗量較小，并且其余車輪出現同樣的問題，這與實測結果車輪磨耗規律一致，說明該仿真模型的可靠性。

圖4、5 為隨著列車行駛里程的增加，1 位輪對踏面的磨耗深度的分布情況，由圖可知，車輪踏面磨耗量隨里程數的增加而增大明顯，輪對曲線外側車輪輪緣偏磨量嚴重說明環形線路對外側車輪輪緣偏磨不利，輪緣磨薄、導致輪軌間游離距離變大、車體晃動加劇，進而行車安全受到威脅。隨著里程數的增加，輪對曲線外側車輪的磨耗區域由在車輪名義滾動圓內由-18～40 的范圍變為-30～41mm，，且磨耗最大值出現的位置在名義滾動圓內側40mm 處，磨耗較大且出現時磨耗范圍明顯增大，磨耗范圍內，磨耗形狀也基本相似。

三、結論

本文基于車輛軌道耦合動力學以及Archard 磨耗預測模型研究了大環線下地鐵車輪踏面的磨耗特點，研究結果表明，曲線外側車輪輪緣磨耗嚴重，且磨耗區域主要集中在輪緣根部，與內側車輪差異明顯。其磨耗深度與磨耗范圍雖運營里程的增加而明顯增加，當運營里程大于15 萬km 時，磨耗速率有所下降，并且外側車輪磨耗量為內側車輪的兩倍。