彈性旁承對(duì)鐵道貨車車輛車輪磨耗的影響

李子嘉，張浩，戴煥云

彈性旁承對(duì)鐵道貨車車輛車輪磨耗的影響

李子嘉，張浩，戴煥云

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

通過對(duì)裝配有轉(zhuǎn)K2型轉(zhuǎn)向架的C64K敞車進(jìn)行多剛體動(dòng)力學(xué)建模，運(yùn)用磨耗系數(shù)模型，研究彈性旁承對(duì)曲線通過時(shí)的車輪踏面和輪緣處的磨耗產(chǎn)生的影響。彈性旁承主要是承載車體重量以及為車輛通過曲線時(shí)提供回轉(zhuǎn)阻力矩，會(huì)對(duì)車輛的整體動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生影響。在車輛通過曲線時(shí)，彈性旁承為車輛提供回轉(zhuǎn)力矩用以抑制車體的搖頭以及側(cè)滾姿態(tài)，使得車輛可以順利通過曲線，在此過程中，輪對(duì)橫移量會(huì)受到影響，進(jìn)而改變踏面及輪緣處的磨耗狀態(tài)。通過改變彈性旁承的回轉(zhuǎn)阻力矩大小以及車輛載重，計(jì)算車輛在通過不同半徑曲線時(shí)的磨耗情況，由此揭示彈性旁承對(duì)車輛磨耗的影響。

彈性旁承；車輪；磨耗；動(dòng)力學(xué)

隨著我國重載貨運(yùn)鐵路的飛速發(fā)展，重載列車發(fā)車頻率以及貨運(yùn)量逐年攀升。為保證列車良好的動(dòng)力學(xué)性能，工程人員在原有旁承基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種新型彈性旁承，這種新裝置有助于提升列車運(yùn)行穩(wěn)定性、減少磨耗，得到國內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注。呂鵬飛[1]分析了旁承故障發(fā)生原因及危害，根據(jù)原因提出一系列針對(duì)性措施。鮑旭原[2]介紹了一種常接觸彈性旁承的基本結(jié)構(gòu)形式以及作用，通過動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，描述了該型彈性旁承的一些參數(shù)對(duì)臨界速度的影響。孫保衛(wèi)等[3]研究了彈性旁承在小變形和大變形時(shí)垂向剛度的一種計(jì)算方法。姚廣等[4]對(duì)低溫條件下的一款JC型彈性旁承的性能進(jìn)行了研究。黃志松等[5]介紹了一種軌道工程車輛旁承間隙值理論算法的推導(dǎo)過程，基于該理論提出了這類車輛旁承間隙的調(diào)整方法。李起恩[6]研究了我國鐵路貨車部分旁承支重摩擦力矩選取方法，并據(jù)此計(jì)算了彈性橡膠塊的最大容許變形量和應(yīng)力。劉波等[7]在既有旁承的基礎(chǔ)上提出了一種能很好地滿足鐵路重載貨車所需彈性旁承的剛度、高低溫性能和疲勞特性要求的新型彈性旁承。張養(yǎng)亮[8]從車輛動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)已有幾款旁承提出改進(jìn)意見。學(xué)術(shù)界對(duì)磨耗的研究比較透徹，已經(jīng)形成理論體系對(duì)輪軌磨耗進(jìn)行詳盡分析。Gongquan Tao等[9]建立了一種考慮輪軌系統(tǒng)固有振動(dòng)特性對(duì)車輪磨損影響的機(jī)車車輪磨損仿真模型。PengBo等[10]對(duì)車輪多邊形磨耗演化的一般條件進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，提出了一種鐵路車輪多邊形化預(yù)測(cè)的通用工作流程，包括假設(shè)、仿真方案和磨損模型。Ye Yunguang等[11]提出一種考慮輪對(duì)點(diǎn)頭的非赫茲方法計(jì)算車輪磨損模型。Jie Kou等[12]考慮了我國城際列車的磨耗型線和曲線軌道的磨耗型線，根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)模型、輪軌三維穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)接觸模型和Archard磨損模型，提出一種快速計(jì)算車輪磨耗的新方法。杜偉[13]研究了鐵路貨車制動(dòng)梁對(duì)車輪磨耗的影響。

彈性旁承分為常接觸型以及雙作用常接觸型。其基本結(jié)構(gòu)包括錐套形橡膠層、旁承磨耗板、調(diào)整墊板、縱向鎖緊斜鐵等。在車體和轉(zhuǎn)向架之間加裝彈性旁承不僅起到承載車體載荷的作用，而且可以有效抑制轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)動(dòng)，抑制車輛通過曲線時(shí)的車體側(cè)滾、搖頭運(yùn)動(dòng)，提高車輛運(yùn)行穩(wěn)定性。作為鐵路貨車的重要部件，旁承對(duì)輪對(duì)磨耗也產(chǎn)生了重要影響，其通過影響車輛的曲線通過性能，間接改變輪軌接觸關(guān)系。現(xiàn)有貨運(yùn)專線，小曲線較多，現(xiàn)有非徑向轉(zhuǎn)向架在通過時(shí)產(chǎn)生輪緣貼靠磨耗較大，本文利用SIMPACK模型仿真，得出在給定工況下，彈性旁承對(duì)輪對(duì)磨耗程度以及區(qū)域范圍的影響，為后續(xù)新車設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 研究對(duì)象及方法

1.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型建立

本文主要是對(duì)采用轉(zhuǎn)K2型轉(zhuǎn)向架配裝C64K型敞車進(jìn)行研究。在車輛－軌道耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，通過SIMPACK軟件建立該型貨車的多剛體動(dòng)力學(xué)仿真模型。模型包括1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架、共90個(gè)自由度。其中軸箱上8個(gè)承載鞍各有1個(gè)垂向自由度，四條輪除有6個(gè)方向的剛體自由度以外還有1個(gè)彎曲自由度及1個(gè)扭轉(zhuǎn)彈性自由度，摩擦減震器處8個(gè)斜鍥各1個(gè)垂向自由度，除此之外的體均包含6個(gè)自由度（3平動(dòng)＋3轉(zhuǎn)動(dòng)）。所建多體動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。通過軟件對(duì)該模型施加大秦譜以貼近列車實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，減小誤差。運(yùn)行速度以及通過曲線情況在后續(xù)有詳細(xì)說明。求解器采用業(yè)界常用的SODASRT2變步長(zhǎng)算法，限制步長(zhǎng)范圍0.1，以保證運(yùn)算精度。該模型可以從多剛體動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)車輛相應(yīng)的輪軌接觸參數(shù)進(jìn)行仿真，并用于后續(xù)的計(jì)算處理。

圖1 車輛動(dòng)力學(xué)模型

1.2 輪軌滾動(dòng)接觸模型

工程實(shí)際中，多數(shù)研究對(duì)象為彈性體，并不滿足傳統(tǒng)理論中Hertz接觸的情況，這會(huì)使仿真過程中產(chǎn)生較大誤差。就機(jī)車車輛輪軌接觸來說，Hertz理論僅適用于部分情況，比如新輪上線時(shí)的接觸狀態(tài)可以近似看作單點(diǎn)接觸，此時(shí)可視為Hertz接觸。但當(dāng)車輪運(yùn)行久了后，輪軌之間的關(guān)系演變?yōu)榱斯残谓佑|，此時(shí)Hertz理論便會(huì)產(chǎn)生較大誤差，故本文在這塊計(jì)算中采用業(yè)界較為常用的一種非Hertz接觸理論。

本文將采用CONTACT輪軌非Hertz接觸模型[14-15]對(duì)所得到的接觸斑的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理。首先計(jì)算出接觸斑的外形，包括長(zhǎng)軸和短軸長(zhǎng)度，然后將接觸斑所在區(qū)域劃分成一定數(shù)量的子單元，具體數(shù)量是權(quán)衡計(jì)算精度與計(jì)算效率給出，之后在每一個(gè)單元上的輪軌接觸都可視為Hertz接觸，接著分別對(duì)每個(gè)單元上的法向力、蠕滑力、蠕滑率、接觸角和接觸點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，最后將以上計(jì)算結(jié)果代入踏面磨耗模型，根據(jù)已有車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)以及動(dòng)態(tài)參數(shù)得到接觸斑內(nèi)的磨耗系數(shù)。

1.3 磨耗預(yù)測(cè)模型

車輪磨耗與車輛動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)，其改變輪軌接觸關(guān)系，對(duì)車輛系統(tǒng)造成影響，反過來進(jìn)一步改變磨耗的演變過程。輪軌之間的關(guān)系好比一對(duì)摩擦副，當(dāng)車輛開始運(yùn)行時(shí)，這對(duì)摩擦副便開始做功放出熱量，付出的代價(jià)就是輪軌磨耗，即踏面甚至輪緣處的材料發(fā)生塑性變形或者剝離。

輪軌磨耗最終的體現(xiàn)是車輪以及與之匹配鋼軌廓形的變化。在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，由于輪軌磨耗量的計(jì)算方法還不成熟，且計(jì)算效率過于低下，不可能都去分析計(jì)算輪軌磨耗量，所以需要指定一種指標(biāo)來對(duì)輪軌磨耗程度進(jìn)行定性分析。綜合評(píng)價(jià)車輪磨耗的指標(biāo)有多種，包括輪軌摩擦系數(shù)、輪軌力、蠕滑率以及沖角等。較磨耗深度而言，赫曼磨耗指數(shù)[16]在計(jì)算過程中考慮了通過曲線對(duì)輪軌磨耗的影響，對(duì)鐵路貨車經(jīng)常通過小曲線這種情況較為適用。

通過曲線時(shí)，由于離心力的影響，外側(cè)輪橫移量增大，磨耗增大，甚至出現(xiàn)輪緣貼靠現(xiàn)象，導(dǎo)致輪軌兩點(diǎn)接觸這種情況出現(xiàn)，這就使得輪緣處產(chǎn)生磨耗，輪軌橫向力加大，噪聲加大。具體計(jì)算如式（1）和式（2）所示。

當(dāng)踏面接觸時(shí)：

當(dāng)輪緣接觸時(shí)：

2 仿真結(jié)果及分析

當(dāng)車體落車到轉(zhuǎn)向架之后，給予常接觸式旁承額定的壓縮量，在上下旁承之間產(chǎn)生一定的預(yù)壓力；當(dāng)轉(zhuǎn)向架和車體有相對(duì)回轉(zhuǎn)或有相對(duì)回轉(zhuǎn)的趨勢(shì)時(shí)，在上下旁承的接觸面間產(chǎn)生摩擦阻力，因在同一搖枕上左右旁承的摩擦阻力相反，于是形成了適當(dāng)?shù)幕剞D(zhuǎn)力矩，該力矩可在一定程度上抑制車體的搖頭以及側(cè)滾運(yùn)動(dòng)。此處計(jì)算將考慮彈性旁承所產(chǎn)生回轉(zhuǎn)阻力矩大小不同對(duì)踏面以及輪緣磨耗程度的影響。

當(dāng)車輛通過曲線時(shí)，會(huì)受到離心力的作用，為了降低輪軸橫向力（輪軸橫向力是評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行安全性的指標(biāo)之一）、減小旅客承受的橫向加速度，可以將外側(cè)鋼軌抬高，使得車體處于傾斜位置，這樣，鋼軌給車的反力以及車體所受的重力之合力充當(dāng)向心力，使得車輛通過曲線時(shí)較為平穩(wěn)。根據(jù)方程可以計(jì)算出列車通過曲線時(shí)的平衡速度，低于此速度通過稱為過超高，高于此速度通過稱為欠超高。

2.1 計(jì)算方案與工況

工況：有交叉桿方案下，有/無彈性旁承、彈性旁承回轉(zhuǎn)阻力矩正常、彈性旁承回轉(zhuǎn)阻力矩增大一倍（彈性旁承壓縮量為14 mm，剛度為3.1 kN/mm）。

計(jì)算線路：分別以過超高、平衡和欠超高速度通過350 m、500 m、600 m、800 m半徑曲線。

具體仿真線路條件如表1所示。

表1 仿真線路條件

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.2.1 不同工況下沖角計(jì)算結(jié)果

輪軌沖角指的是列車通過曲線時(shí)輪對(duì)軸線與軌道曲線徑向方向的夾角，是衡量鐵道車輛曲線通過狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。較小的輪軌沖角更有利于列車通過曲線，減小輪軌作用力、磨耗以及噪聲的產(chǎn)生。有無旁承以及回轉(zhuǎn)阻力矩是否大一倍情況下沖角的差值如表2所示。

由表2可知，車輛通過曲線時(shí)的沖角變化規(guī)律與曲線半徑以及超高情況密切相關(guān)。在工況1中，通過小半徑情況下，隨著速度的提高，有彈性旁承與無彈性旁承的沖角差值越來越小，在70 km/h時(shí)甚至變?yōu)樨?fù)值，可見此種情況下彈性旁承對(duì)減小曲線沖角是有幫助的。工況2有著類似規(guī)律，只不過在低速時(shí)有彈性旁承時(shí)的沖角值已小于無彈性旁承的情況。再看彈性旁承回轉(zhuǎn)阻力矩的變化即工況3和工況4就頗為復(fù)雜，沖角差值先變大后變小。

車輛通過大半徑曲線時(shí)的情況與之前有所不同。此時(shí)彈性旁承使得重車在高速運(yùn)行時(shí)的沖角增大，通過曲線變得較為困難。彈性旁承回轉(zhuǎn)力矩的影響也有不同，重車旁承正常與回轉(zhuǎn)力矩增大一倍的差值隨著速度的提升而提升，可見在此種情況下，全速度區(qū)段內(nèi)，彈性旁承的回轉(zhuǎn)阻力矩越大，沖角越小，曲線通過性能越好。

表2 車輛通過曲線時(shí)的沖角數(shù)據(jù)

注：工況1為空車有彈性旁承對(duì)無彈性旁承；工況2為重車有彈性旁承對(duì)無彈性旁承；工況3為空車彈性旁承正常對(duì)彈性旁承增大一倍；工況4為重車彈性旁承正常對(duì)彈性旁承增大一倍。

2.2.2 不同工況下踏面和輪緣磨耗系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由圖2～5可知，在車輛分別以平衡速度、欠超高速度、過超高速度通過曲線時(shí)，磨耗主要集中在踏面區(qū)域。重車由于輪軌動(dòng)作用力加劇，踏面的磨耗程度也在變大，但是輪緣區(qū)磨耗較小。部分情況下會(huì)出現(xiàn)輪緣貼靠導(dǎo)致的輪緣磨耗。輪緣區(qū)磨耗越劇烈，表明列車在通過曲線時(shí)的橫移量越大，曲線通過能力越低。在過超高以及平衡速度等低速區(qū)時(shí)，除空車有彈性旁承、回轉(zhuǎn)阻力矩增大一倍工況外，其他時(shí)候車輪輪緣處基本無磨耗。對(duì)比空車有彈性旁承、回轉(zhuǎn)阻力矩正常工況，增大回轉(zhuǎn)阻力矩會(huì)導(dǎo)致其在全速度區(qū)段內(nèi)磨耗程度較大，不適宜列車通過曲線。故車輛在設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)減小回轉(zhuǎn)阻力矩，增強(qiáng)車輛曲線通過性能。從圖也可看出，彈性旁承會(huì)加劇空車磨耗。

由圖5可知，在60 km/h以上的高速區(qū)域欠超高運(yùn)行時(shí)，彈性旁承可以明顯降低空車輪緣處的磨耗程度。對(duì)重車來說，合理范圍內(nèi)，回轉(zhuǎn)阻力越大，高速運(yùn)行時(shí)輪緣以及踏面的磨耗程度都會(huì)不同程度變小。

如圖2～5所示，空車時(shí)彈性旁承提供的回轉(zhuǎn)阻力矩在車體和轉(zhuǎn)向架間的總回轉(zhuǎn)阻力矩所占的比重較大，彈性旁承主要影響空車的曲線通過性能。在350 mm半徑曲線，隨著旁承回轉(zhuǎn)阻力矩從無到有到增大一倍，空重車的車輪磨耗均隨之增大，在500 m以上半徑曲線，空車欠超高速度運(yùn)行時(shí)，無彈性旁承工況因車輛穩(wěn)定性不足晃動(dòng)較大，而其沖角和輪軌力及車輪磨耗均最大。其余工況下，空車的曲線通過性能指標(biāo)基本均隨旁承摩擦力矩的增大而增大；重車因旁承剛度增大，心盤的承載減小，整個(gè)車體和轉(zhuǎn)向架間的回轉(zhuǎn)阻力矩變化影響區(qū)間不敏感，因而重車的影響規(guī)律不顯著。

圖2 R350 m半徑曲線通過性能（有交叉桿工況）

圖3 R500 m半徑曲線通過性能（有交叉桿工況）

圖4 R600 m半徑曲線通過性能（有交叉桿工況）

圖5 R800 m半徑曲線通過性能（有交叉桿工況）

3 結(jié)論

通過研究彈性旁承對(duì)車輛輪對(duì)磨耗程度的影響，得到以下結(jié)論：

（1）車輛在通過小曲線時(shí)，整體磨耗隨著速度的增加而增大，但在踏面區(qū)域，重車的磨耗較空車嚴(yán)重，輪緣區(qū)重車磨耗較小一點(diǎn)，此種情況下，彈性旁承所提供的回轉(zhuǎn)摩擦力矩會(huì)在一定程度上增大輪對(duì)磨耗程度。

（2）空車時(shí)彈性旁承提供的回轉(zhuǎn)阻力矩在車體和轉(zhuǎn)向架間的總回轉(zhuǎn)阻力矩所占的比重較大，對(duì)車輛曲線通過性能影響最深。

（3）車輛在以欠超高速度通過較大曲線時(shí)，較大的回轉(zhuǎn)阻尼會(huì)減小重車的磨耗程度。

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Influence of Elastic Side Bearing on Wheel Wear of Railway Freight Car

LI Zijia，ZHANG Hao，DAI Huanyun

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

In this paper, the multi rigid body dynamic model of C64K gondola car equipped with Zhuan K2 bogie is established, and the wear coefficient model is used to study the influence of elastic side bearing on the wear of wheel tread and rim during curve passing. The elastic side bearing mainly carries the weight of the car body and provides the turning resistance moment for the vehicle when passing through the curve, which will have an impact on the overall dynamic performance of the vehicle. When the vehicle passes the curve, the elastic side bearing provides the turning moment for the vehicle to restrain the shaking head and roll attitude of the vehicle body, so that the vehicle can pass the curve smoothly. In this process, the lateral displacement of the wheelset will be affected, and then the wear state of the tread and the rim will be changed. By changing the turning resistance moment of the elastic side bearing and the load of the vehicle, we calculate the wear of the vehicle when it passes through the curve with different radius to investigate the influence of the elastic side bearing on the wear of the vehicle.

elastic side bearing；wheel；wear；dynamics

U261

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.12.008

1006-0316 (2021) 12-0055-06

2021-04-20

國家自然科學(xué)基金：基于切削原理的高速列車車輪多邊形磨耗機(jī)理的研究（51975485）

李子嘉（1997－），男，山西陽泉人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，E-mail：744403061@qq.com。