不同車輪踏面對(duì)高速輪軌關(guān)系的影響研究

周新建，王 琦，2，王成國(guó) ，張 海，

（1.華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330013；2.武漢鐵路局，湖北武漢430071；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081）

由于歷史和技術(shù)等原因，各國(guó)高速鐵路采用了不同形狀的鋼軌、車輪和輪對(duì)內(nèi)側(cè)距。高速鐵路的理論研究和實(shí)際運(yùn)行情況表明，車輪踏面形狀、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距以及與不同鋼軌匹配情況直接改變輪軌接觸幾何關(guān)系，對(duì)輪軌關(guān)系影響非常大，其受到學(xué)者們的高度重視[1-8]。對(duì)于高速車輛來(lái)說(shuō)，輪軌匹配主要考慮的是車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性、輪軌的動(dòng)力學(xué)作用以及高速輪對(duì)壽命（鏇修周期）。

1 不同車輪踏面接觸幾何關(guān)系分析

輪軌接觸幾何關(guān)系對(duì)輪軌關(guān)系影響非常大，現(xiàn)選用S1002G，LMa，以及JP-ARC踏面研究與中國(guó)高速鐵路鋼軌CHN60的匹配情況，輪軌接觸主要參數(shù)見(jiàn)圖1。圖1中：

a－軌底坡；

h－軌距；

l－輪對(duì)內(nèi)側(cè)距，左右輪緣內(nèi)側(cè)之間距離；

L－輪距，左右名義滾動(dòng)圓之間的距離。

圖2是3種典型車輪踏面（S1002G，LMa、JP-ARC）輪廓對(duì)比，圖中，整個(gè)車輪踏面分成踏面、輪緣及輪角3部分。在輪軌接觸過(guò)程中，比較大的踏面錐度具有比較好曲線通過(guò)性能，即使車輛在小半徑曲線上通過(guò)時(shí)也不會(huì)發(fā)生輪緣接觸。但是臨界速度與等效錐度有密切聯(lián)系，等效錐度越高，臨界速度越低。因此車輪踏面的等效錐度需要權(quán)衡直線上臨界速度以及曲線通過(guò)來(lái)綜合設(shè)計(jì)。

良好的輪軌接觸幾何關(guān)系是接觸點(diǎn)應(yīng)該盡可能在車輪踏面上均勻分布，這樣車輪的磨耗分布就均勻，有利于車輪的型面的穩(wěn)定。同時(shí)接觸點(diǎn)又不能分布太大，如果分布的太開(kāi)，影響車輛的蛇行穩(wěn)定性。所以良好的輪軌接觸幾何關(guān)系需要同時(shí)考慮車輪型面的保持和車輛的蛇行穩(wěn)定性問(wèn)題。圖3是3種車輪踏面與CHN60軌的輪軌接觸點(diǎn)情況。從圖3（a）可以看出S1002G踏面與CHN60鋼軌的輪軌接觸點(diǎn)分布隨著輪對(duì)橫移的變化情況，接觸點(diǎn)分布不太均勻，輪對(duì)橫移的時(shí)候，接觸點(diǎn)位置在車輪踏面和鋼軌頂面發(fā)生橫向跳移。這樣對(duì)車輛磨耗情況是不利的。從圖3（b）LMa踏面與CHN60鋼軌的輪軌接觸點(diǎn)分布情況可以看出，輪軌接觸點(diǎn)在LMa踏面上分布比較均勻，沒(méi)有跳移的現(xiàn)象，有利于車輪型面的保持。從圖3（c）JP-ARC踏面與CHN60鋼軌的輪軌接觸點(diǎn)分布情況可以看出，輪軌接觸點(diǎn)在JP-ARC踏面上分布過(guò)于集中，而且有很明顯跳移現(xiàn)象，這樣不利于車輪型面保持。

輪軌匹配直接影響輪軌關(guān)系，從而影響車輛運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)性能，其中等效錐度是輪軌幾何匹配的最重要參數(shù)之一，下面采用Adams/Rail中的RSGEO輪軌接觸匹配計(jì)算方法對(duì)上述3種踏面與CHN60鋼軌的匹配狀況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4。

根據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC519規(guī)定，當(dāng)輪對(duì)蛇行幅值為3 mm時(shí)，其等效錐度定義為名義等效錐度。表1為上述3種踏面的名義等效錐度。

S1002G是在S1002踏面基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的踏面，S1002G的輪緣厚度增大（輪背與名義滾動(dòng)圓的距離73.5 mm），LMa為70 mm，JP-ARC為65 mm。

表1 3種踏面的名義等效錐度Tab.1 Three kinds of tread of nominal equivalent conic

2 仿真模型建立

本文仿真計(jì)算中采用了ERRI標(biāo)準(zhǔn)考題的車輛模型作為研究對(duì)象，如圖5所示，模型由1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、8個(gè)軸箱和4個(gè)輪對(duì)構(gòu)成。

構(gòu)架與車體之間通過(guò)懸掛單元和阻尼器連接。懸掛單元定義了二系縱向、垂向和橫向連接剛度；構(gòu)架與車體之間的阻尼器包括垂向、橫向和縱向阻尼器，分別定義二系垂向減振器、二系橫向減振器和抗蛇行減振器的阻尼特性?？紤]到構(gòu)架與車體之間的橫向相對(duì)位移增大到一定值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的力，模型中采用止擋單元（Bumpstop）來(lái)模擬這種現(xiàn)象。

3 不同踏面對(duì)車輛平穩(wěn)性能影響比較

為考察不同踏面與中國(guó)高速鐵路適應(yīng)情況，使用上節(jié)建立高速車輛動(dòng)力學(xué)模型，踏面選用S1002G，LMa，以及JP-ARC。軌道的不平順使用武廣高速鐵路的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，輪對(duì)內(nèi)側(cè)距選用1 353，曲線半徑8 000 m，仿真計(jì)算速度分別為300 km/h，330 km/h，350 km/h，380 km/h，400 km/h。

3種踏面在不同速度下的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)如圖6所示，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)如圖7所示。由圖6可以看出，隨著速度的增加，3種踏面的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)都有所上升，平穩(wěn)性都有所下降。平穩(wěn)性指標(biāo)在330～400 km/h速度段內(nèi)隨速度的變化比較明顯，其中LMa踏面的橫向的加速度相對(duì)最大，S1002G最小，并且隨著隨度增加，S1002G的平穩(wěn)性指標(biāo)也是均勻增加。JP-ARC的平穩(wěn)性比LMa的平穩(wěn)性要好一點(diǎn)，差別不大，但都明顯比S1002G差。由圖7可以看出，3種踏面的垂向平穩(wěn)性也是隨著速度增加都有所下降。3種踏面的垂向平穩(wěn)性方面還是S1002G最好，其次是LMa，最后是JP-ARC。這說(shuō)明S1002G踏面在平穩(wěn)性方面優(yōu)于LMa和JP-ARC踏面。

4 不同踏面的磨耗情況比較

車輪在鋼軌上高速運(yùn)行將產(chǎn)生的車輪踏面、輪緣和鋼軌的磨耗是評(píng)價(jià)車輛動(dòng)力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文將分直線和曲線來(lái)分析3種踏面的磨耗情況，曲線半徑為R=8 000 m。另外為了對(duì)3種踏面的磨耗特性進(jìn)行比較，取第1軸2個(gè)輪對(duì)磨耗指數(shù)均方根RSM的平均值。

3種不同踏面在直線上不同速度下的磨耗情況如圖8所示，曲線上的磨耗情況如圖9所示。由圖8可以看出，3種踏面的磨耗指數(shù)隨著速度的增加磨耗指數(shù)均增加，其中S1002G踏面的磨耗最大，這可能與輪軌的接觸點(diǎn)分布不太均勻，輪對(duì)橫移時(shí)候，接觸點(diǎn)位置在車輪踏面和鋼軌頂面發(fā)生橫向跳移，如圖3（a）所示，造成了磨耗高。JP-ARC踏面的磨耗小于LMa踏面的磨耗，但這兩個(gè)踏面的磨耗情況差別不大。總的來(lái)說(shuō)JP-ARC踏面和LMa踏面直線上的磨耗性能好于S1002G。

由圖9可以看出，3種踏面在曲線磨耗指數(shù)隨著速度的增加磨耗指數(shù)都增加，其中JP-ARC踏面的磨耗情況最為嚴(yán)重，其次是S1002G踏面，最好的是LMa踏面。S1002G踏面在曲線上的磨耗情況有所改善的原因可能與此踏面的等效錐度比較高有關(guān)，等效錐度高，有利于通過(guò)曲線?？偟膩?lái)說(shuō)LMa踏面在曲線通過(guò)性能優(yōu)于S1002G和JP-ARC踏面。

脫軌系數(shù)作為車輛運(yùn)行安全的重要指標(biāo)，下面比較3種踏面在曲線上的脫軌系數(shù).為了對(duì)不同踏面的安全性進(jìn)行比較，取第一軸總脫軌系數(shù)的均方根的平均值進(jìn)行比較。

脫軌系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖10所示，由圖10可以看出，隨著速度的增加，3種不同踏面的脫軌系數(shù)均增加，其中JP-ARC最大，S1002G最小。JP-ARC在350-380 km/h的速度范圍的脫軌系數(shù)增加的速率降低，在380 km/h的時(shí)候和LMa踏面幾乎一樣，但隨著速度的增加，又上升速率又加快?？偟膩?lái)說(shuō)，在曲線通過(guò)的安全性上S1002G踏面優(yōu)于JP-ARC和LMa踏面。

5 總結(jié)

1）輪軌接觸幾何對(duì)輪軌關(guān)系影響非常大，不同踏面形成不同輪軌接觸幾何關(guān)系。S1002G與CHN60的輪軌接觸點(diǎn)分布不太均勻，LMa與CHN60的輪軌接觸點(diǎn)分布比較均勻，有利于車輪型面保持。JP-ARC與CHN60的輪軌接觸點(diǎn)分布過(guò)于集中，有很明顯跳移現(xiàn)象，不利于車輪型面保持；

2）隨著車輛運(yùn)行速度增加，3種踏面的平穩(wěn)性下降，其中S1002G在平穩(wěn)性方面最優(yōu)，其次是LMa，最差的是JP-ARC。S1002G踏面在平穩(wěn)性方面優(yōu)于LMa和JP-ARC踏面；

3）車輪磨耗情況方面，在直線上S1002G的磨耗值最大，LMa和JP-ARC磨耗值差別不大。在曲線上JP-ARC的磨耗值最大，其次是S1002G，磨耗最小的是LMa。LMa踏面在車輪磨耗方面優(yōu)于S1002G和JP-ARC；

4）安全性方面，JP-ARC的脫軌系數(shù)最大，其次是LMa，脫軌系數(shù)值最小的是S1002G。S1002G踏面在安全性方面優(yōu)于LMa和JP-ARC。

[1]王成國(guó)，王永菲.高速輪軌接觸幾何關(guān)系的比較分析[J].鐵道機(jī)車車輛，2006，26（4）：1-5.

[2]孫善超，王成國(guó)，李海濤，等.輪/軌接觸幾何參數(shù)對(duì)高速客車動(dòng)力學(xué)性能的影響[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2006，27（5）：93-98.

[3]沈鋼，顧江.低地板車輛的踏面外形設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)仿真[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，31（10）：1206-1211.

[4]KALKER J J.Simulation of the development of a railway wheel profile throngh wear[J].Wear，1991，150（1）：355-365.

[5]FUJIMOTO H.Influence of arc and conic profile on vehicle dynamics[J].Proceedings of Japanese Society of Mechanical Engineers：Part C，1998，64（621）：1520-1527.

[6]樸明偉，樊令舉，梁樹(shù)林，等.基于輪軌匹配的車輛橫向穩(wěn)定性分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（3）:22-28.

[7]張劍，孫麗萍.車輪型面動(dòng)態(tài)高速曲線通過(guò)性比較[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2007，7（6）：6-11.

[8]陳澤深，王成國(guó).鐵道車輛動(dòng)力學(xué)與控制[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2004.