新型扇形輪軌接觸損傷模擬試驗(yàn)臺(tái)研究

翟字波 堯輝明 董慶侖

摘? 要：針對(duì)輪軌接觸損傷模擬裝置進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一種接近于實(shí)際工況的新型輪軌接觸損傷模擬試驗(yàn)臺(tái)，通過輪對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與中央驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)雙驅(qū)動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)控制模擬縱向蠕滑率與運(yùn)行工況，通過相似定理計(jì)算了小比例試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)與蠕滑力相似關(guān)系，理論計(jì)算了最小曲線通過半徑為0.679m，最大脫軌系數(shù)為0.67，蠕滑力相似性誤差低于10%。驗(yàn)證了新型試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)用性與安全運(yùn)行要求。

關(guān)鍵詞：輪軌接觸;蠕滑率;模擬試驗(yàn);相似原理

中圖分類號(hào)：U270.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： A new type of wheel rail contact high-frequency vibration test-bed is designed based on the research of wheel rail contact damage simulation device， which is close to the actual working condition. The longitudinal creep rate and operating condition are controlled and simulated through the dual driving form of wheelset driving system and central driving system. The similarity relationship between the structural parameters and creep force of the small scale test-bed is calculated through the similarity theorem， and the minimum creep force is calculated theoretically. The radius of the curve is 0.679m， the maximum derailment coefficient is 0.67， and the similarity error of creep force is less than 10%. The practicability and safe operation requirements of the new test-bed are verified.

Key words： wheel rail contact; creep rate; simulation test; similarity principle

軌道交通憑借可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)在社會(huì)的重要交通工具。輪軌接觸損傷問題也日益嚴(yán)重，為此國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理與預(yù)防措施做了大量研究。輪軌磨損研究分為理論仿真研究、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)驗(yàn)裝置研究，理論仿真研究相較于實(shí)驗(yàn)研究存在誤差，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究又具有難度，因此國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證方法對(duì)輪軌關(guān)系開展了研究[1-7]，其中大多采用輪輪接觸模擬的方式，這種方式雖能較好的模擬輪軌接觸試驗(yàn)，但在接觸關(guān)系、接觸斑特性上相較于輪軌接觸存在差距[8]。目前針對(duì)輪軌接觸模擬試驗(yàn)研究較少，若在室內(nèi)搭建輪軌接觸模擬試驗(yàn)臺(tái)，可較為真實(shí)還原列車運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能，也可基于輪軌損傷的原因有針對(duì)性地展開各參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)。基于此，本文設(shè)計(jì)了一款小比例扇形輪軌接觸損傷模擬試驗(yàn)臺(tái)。

1? 輪軌接觸損傷影響因素分析

車輪在軌道上運(yùn)行時(shí)，輪軌接觸參數(shù)是處于不斷變化的過程，其中輪軌表面接觸狀態(tài)、蠕滑率、鋼軌材料、接觸位置等參數(shù)都是預(yù)防損傷產(chǎn)生的各種因素。例如輪軌接觸狀態(tài)為兩點(diǎn)接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生輪緣和鋼軌側(cè)面擦傷[9]。屈服強(qiáng)度較低的鋼軌在不平順激振源中更易產(chǎn)生波浪形磨耗[10]。鋼軌材料文獻(xiàn)研究表明，列車在運(yùn)行時(shí)輪軌間的高頻振動(dòng)與輪軌接觸間的蠕滑有關(guān)系，當(dāng)蠕滑力飽和時(shí)，輪軌間更容易發(fā)生摩擦自激振動(dòng)現(xiàn)象，在重載條件下輪軌接觸力克服鋼軌屈服強(qiáng)度形成波磨[11]。為更好的研究真實(shí)列車在各種工況下產(chǎn)生的損傷，因此對(duì)模擬試驗(yàn)機(jī)構(gòu)有著較高的要求。

2? 扇形輪軌接觸高頻振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

為模擬研究軌道車輛在運(yùn)行時(shí)輪軌接觸損傷問題，關(guān)鍵是模擬結(jié)果更貼近于真實(shí)工況，傳統(tǒng)的磨損理論與數(shù)值仿真方法和實(shí)際結(jié)果中的磨損具有一定的誤差，為獲得更加具有真實(shí)性的模擬試驗(yàn)效果，設(shè)計(jì)了扇形輪軌接觸試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該試驗(yàn)臺(tái)的主要研究方面是：飽和蠕滑率對(duì)輪軌接觸高頻振動(dòng)的影響;車速、車輛載荷量、車鉤參數(shù)對(duì)鋼軌波浪形磨耗形成機(jī)理的影響;開展輪軌關(guān)系試驗(yàn)研究;受電弓與車輛耦合振動(dòng)。圖1中：（1）軌道道床板;（2）軌道;（3）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);（4）齒輪盤;（5）轉(zhuǎn)臂;（6）車鉤;（7）轉(zhuǎn)向架;（8）受電弓;（9）轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī);（10）車體;（11）輪對(duì);（12）液壓制動(dòng)器;（13）電纜網(wǎng);（14）電纜支架;（15）彈性扣件。

2.1? 扇形軌道設(shè)計(jì)

輪軌接觸試驗(yàn)臺(tái)目的是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還原列車運(yùn)營，繼而開展針對(duì)性試驗(yàn)，車輪與鋼軌接觸運(yùn)行是真實(shí)性的。由于實(shí)驗(yàn)室場地限制與考慮到彎曲線路的存在，將軌道布置成扇形形狀，車輛輪對(duì)在扇形軌道的切線位置時(shí)，滿足直線狀態(tài)下的輪軌損傷試驗(yàn);在其他位置時(shí)，又可以滿足測試曲線段輪軌損傷模擬。在扇形軌道上往復(fù)運(yùn)行還可模擬列車制動(dòng)性能與制動(dòng)過程中對(duì)損傷的影響關(guān)系。

2.2? 試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行工作原理

試驗(yàn)臺(tái)由試驗(yàn)車輛、軌道、傳動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)組成。傳動(dòng)系統(tǒng)是試驗(yàn)臺(tái)模擬蠕滑率、加速、制動(dòng)等工況的關(guān)鍵。小比例試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)又分為中央驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和輪對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力輸出示意圖如圖2所示。輪對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與中央驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均可驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。中央驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由中央驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)變速機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳輸至中央驅(qū)動(dòng)盤，再經(jīng)過傳動(dòng)臂帶動(dòng)與構(gòu)架相連接的車鉤，繼而可以拖動(dòng)試驗(yàn)車輛，以及控制試驗(yàn)車輛的運(yùn)行速度。輪對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是通過輪對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過軸箱將動(dòng)力傳遞至車軸，達(dá)到驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)車輛的目的。

v=; T=fv? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：v為車輪縱向?qū)嶋H前進(jìn)速度，v為純滾動(dòng)時(shí)車輪縱向的前進(jìn)速度，T為蠕滑率，f為蠕滑系數(shù)。

兩套動(dòng)力系統(tǒng)之間的配合可以在車輪與鋼軌間產(chǎn)生蠕滑現(xiàn)象。由蠕滑率的定義如式（1），在該試驗(yàn)臺(tái)中v可以理解為車輛的縱向速度，v可以被理解為車輪實(shí)際轉(zhuǎn)速換算后的速度。兩套動(dòng)力傳輸系統(tǒng)可以被理解為中央驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)控制著車輛縱向速度，輪對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制著車輪純滾動(dòng)時(shí)縱向前進(jìn)速度。兩者相互配合可達(dá)到控制輪軌接觸蠕滑率的目的。從而人為地制造出粘滑振動(dòng)或高頻振動(dòng)探究蠕滑率對(duì)損傷的影響。

2.3? 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)車體在扇形軌道上模擬過程中會(huì)發(fā)生垂向跳動(dòng)、橫向位移、縱向輪軌間發(fā)生蠕滑現(xiàn)象，受電弓在運(yùn)行期間也會(huì)一直發(fā)生垂向的振動(dòng)，對(duì)輪軌接觸產(chǎn)生耦合作用。輪軌間接觸力學(xué)和高頻振動(dòng)等現(xiàn)象都需要傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳感器布置圖如圖3所示。小比例試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)框架如圖4所示。

該檢測系統(tǒng)的具體測試方式如下：霍爾轉(zhuǎn)速傳感器安裝在試驗(yàn)列車的輪對(duì)軸上即可測量換算出車輪的線速度;同理即可測試出轉(zhuǎn)動(dòng)臂與車輛的前進(jìn)速度。通過動(dòng)態(tài)扭矩傳感器測得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)換算后得出車輪蠕滑力與轉(zhuǎn)動(dòng)臂拉/壓力。將加速度傳感器分別安裝在輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車體、受電弓上，通過滑環(huán)將各點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。列車運(yùn)行時(shí)中央轉(zhuǎn)動(dòng)盤也在做轉(zhuǎn)動(dòng)，二者幾乎是保持相對(duì)靜止，為此將線式位移傳感器與拉力傳感器固定在轉(zhuǎn)動(dòng)盤上，便可精準(zhǔn)得出橫向位移與橫向力。

3? 小比例試驗(yàn)臺(tái)相似性分析

小比例試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)本質(zhì)上是一種相似性研究試驗(yàn)，通過縮尺試驗(yàn)臺(tái)上的定性/定量試驗(yàn)研究映射到實(shí)際工況，達(dá)到解釋實(shí)際工況下列車輪軌接觸損傷原因。該試驗(yàn)臺(tái)車輛的幾何尺寸經(jīng)實(shí)際車輛尺寸線性縮小，不可避免的影響系統(tǒng)中其他結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過相似理論求解出合適的相似策略，繼而推導(dǎo)出適用于表征實(shí)際系統(tǒng)的縮尺試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)[12]。

3.1? 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

以實(shí)際機(jī)車實(shí)際尺寸縮小5倍為參照對(duì)象，把長度L、時(shí)間T、質(zhì)量M作為基本物理量，將利用相似定理量綱分析法可求解出試驗(yàn)臺(tái)各類參數(shù)的相似縮放倍數(shù)。如表1所示為試驗(yàn)臺(tái)各類參數(shù)的縮比倍數(shù)。

3.2? 蠕滑力相似關(guān)系分析

在相似定理中的方程分析法適用于求解已知物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程的相似關(guān)系。方程分析法的主要是運(yùn)用相似第一定律中的相似指標(biāo)R=1。在小比例模型中，由于物理尺寸的變小會(huì)導(dǎo)致蠕滑力發(fā)生變化，依據(jù)輪對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)方程如（式2）：

y=φ-y-y+T+Tφ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：I為輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;T為縱向蠕滑力;T為橫向蠕滑力;Γ=δ/l-Rδ;δ為輪軌接觸角;l為半軸距;R為滾動(dòng)圓半徑;b=2Γ+ΓR+R;R為軌頭接觸半徑;y為輪軌橫向位移;φ輪對(duì)搖頭角;χ=Γl/δ。

將式（2）中的參數(shù)乘以對(duì)應(yīng)相似比，整理后得：

y=φ-y-y+T+Tφ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：λ為相似比，且λ=5。

為使小比例模型與實(shí)際模型的蠕滑力性能一致，相似指標(biāo)是1原則。那么變化后的系數(shù)應(yīng)一致，即得出蠕滑力、約束力（正壓力）、質(zhì)量的相似關(guān)系：

λ=λ=λ=λλ=125? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

3.3? 扇形軌道最小曲線通過半徑相似關(guān)系分析

該試驗(yàn)臺(tái)扇形軌道上往復(fù)運(yùn)行試驗(yàn)車輛為單轉(zhuǎn)向架列車，扇形本質(zhì)上也是圓弧狀曲線，最小扇形曲率半徑的理論計(jì)算本質(zhì)上是轉(zhuǎn)向架的最小曲線通過半徑。如式（5）為轉(zhuǎn)向架最小曲線通過半徑計(jì)算公式，式中：H輪軌接觸點(diǎn)處輪緣長度、B轉(zhuǎn)向架前后軸距、S輪軌間隙最小值。小比例試驗(yàn)車B為500mm，S為3.6mm，H為89mm，代入式（5）經(jīng)計(jì)算得到小比例試驗(yàn)車輛最小曲線半徑為0.679m。

小比例試驗(yàn)車輛最小曲線通過半徑R：

R=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

4? 小比例試驗(yàn)臺(tái)仿真分析

小比例試驗(yàn)臺(tái)在環(huán)形軌道運(yùn)行的前提是安全與相似。基于多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK并依據(jù)GB50090-2006《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》與上文中的縮放比確定好的車輛參數(shù)，搭建了環(huán)形軌道—車輛動(dòng)力學(xué)模型。并將最小曲線通過半徑理論計(jì)算結(jié)果輸入到該模型中。其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5中的仿真結(jié)果的數(shù)值是根據(jù)等時(shí)間間隔選取，圖5（a）為模擬速度40km/h是工況下平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)左前輪蠕滑力結(jié)果，可以看出蠕滑力的數(shù)值與變化趨勢相接近，表明了蠕滑力性能具有相似性，1：5模型曲線段蠕滑力均值為T=133.5N、1：1模型曲線段蠕滑力均值為T=15 200N，相似性誤差為9.7%。圖5（b）中的結(jié)果為小比例試驗(yàn)臺(tái)曲線半徑為0.679m時(shí)，模擬速度為80km/h工況下的脫軌系數(shù)，可知四個(gè)車輪中最大脫軌系數(shù)為0.67，未超過國家安全限定值0.8。因此結(jié)果表明理論計(jì)算出的最小曲線半徑符合在扇形軌道上安全運(yùn)行要求。

5? 結(jié)束語

本文針對(duì)輪軌接觸提出了一種新型扇形輪軌接觸損傷模擬試驗(yàn)臺(tái)，取代了傳統(tǒng)輪輪接觸試驗(yàn)臺(tái)，創(chuàng)新性的提出了輪對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和中央驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)雙驅(qū)動(dòng)方式模擬輪軌間蠕滑。較為真實(shí)的在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還原了真實(shí)狀況。通過理論計(jì)算了最小曲線通過半徑與相似定理分析了試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)的縮放比，仿真結(jié)果表明該試驗(yàn)臺(tái)具有一定相似性與安全運(yùn)行要求，為接下來建立試驗(yàn)臺(tái)提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]? Naeimi M， Li Z， Petrov R H， et al. Development of a New Downscale Setup for Wheel-Rail Contact Experiments under Impact Loading Conditions[J]. Experimental Techniques， 2018，42（1）：1-17.

[2]? Bruni S， Cheli F， Resta F. A model of an actively controlled roller rig for tests on full-size railway wheesets[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F Journal of Rail & Rapid Transit， 2001，215（4）：277-288.

[3]? Matsumoto A， Sato Y， Ono H， et al. Creep force characteristics between rail and wheel on scaled model[J]. Wear， 2002，253（1-2）：199-203.

[4]? Monk-Steel A D， Thompson D J， Beer F G D， et al. An investigation into the influence of longitudinal creepage on railway squeal noise due to lateral creepage[J]. Journal of Sound & Vibration， 2006，293（3-5）：766-776.

[5]? Beer F G D， Janssens M H A， Kooijman P P. Squeal noise of rail-bound vehicles influenced by lateral contact position[J]. Journal of Sound & Vibration， 2003，267（3）：497-507.

[6] 劉啟躍，張波，周仲榮，等. 滾動(dòng)輪波形磨損實(shí)驗(yàn)研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2003（2）：132-135.

[7] 張波，劉啟躍. 鋼軌波磨的試驗(yàn)研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2003（1）：105-109.

[8] 汪登榮，倪文波，王雪梅，等. 新型輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)研究[J]. 鐵道機(jī)車車輛，2012，32（2）：53-57.

[9] 金學(xué)松. 輪軌摩擦學(xué)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2004.

[10] 劉啟躍，王夏秋，周仲榮. 鋼軌表面波浪形磨損研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，1998（4）：3-5.

[11] 陳曉麗，陳光雄. 地鐵軌道曲線半徑與鋼軌波磨的相關(guān)性研究[J]. 潤滑與密封，2021，46（1）：124-129.

[12] 談慶明. 相似性分析[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2019.

[13]? Matsumoto A， Sato Y， Tanimoto M， et al. Study on the formation mechanism of rail corrugation on the curved track[J]. Vehicle System Dynamics， 1996，25（S1）：450.

[14]? Ilias H. The influence of railpad stiffness on the wheelset/track interaction and corrugation growth[J]. Journal of Sound and Vibration， 1999，227（5）：935.

[15]? Lewis R， Olofsson U. Wheel-rail interface handbook[M]. Amsterdam： Elsevier， 2009.

[16] 胡雅婷，張淑華，堯輝明. 基于橫向蠕滑特性的輪軌黏著試驗(yàn)研究[J]. 潤滑與密封，2020，45（9）：78-82，112.

[17]? Suda Yoshihiro. Effects of vibration system and rolling conditions on the development of corrugations[J]. Wear， 1991，144（1

-2）：227-242.

[18] 陳光雄，錢韋吉，莫繼良，等. 輪軌摩擦自激振動(dòng)引起小半徑曲線鋼軌波磨的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（9）：71

-76.

[19] Feller H G， Walf K. Surface analysis of corrugated rail treads[J]. Wear， 1991，144（1-2）：153-161.

[20] 堯輝明，許牧天，翟字波，等. 一種模擬輪軌接觸關(guān)系的仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)[P]. CN211044614U， 2020-07-17.