車輪狀態(tài)變化對重載貨車輪軌作用力影響

楊亮亮，羅世輝，傅茂海，黃曉翠

（1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實驗室，成都 610031；

2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031）

車輪狀態(tài)變化對重載貨車輪軌作用力影響

楊亮亮1，羅世輝1，傅茂海2，黃曉翠2

（1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實驗室，成都 610031；

2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031）

重載貨車在實際的生產(chǎn)及服役條件下，輪軌之間的相互作用不僅受各種軌道不平順激勵的影響，也會受到車輪狀態(tài)變化的激勵作用。從車輪運(yùn)行狀態(tài)的角度研究重載貨車輪軌間相互作用，分別以車輪磨耗前后踏面形狀、車輪多邊形化、車輪質(zhì)量偏心和輪對結(jié)構(gòu)變形四種車輪運(yùn)行狀態(tài)來模擬分析車輪各狀態(tài)參數(shù)與輪軌垂向作用力的關(guān)系，并總結(jié)其影響規(guī)律。研究表明：車輪踏面形狀主要影響輪軌接觸斑面積以及接觸應(yīng)力分布，磨耗后車輪比新輪的接觸應(yīng)力分布范圍更廣泛；在不同速度下，車輪多邊形化的波深、相位差及諧波階數(shù)對輪軌垂向力產(chǎn)生不同程度的影響；車輪質(zhì)量偏心對輪軌產(chǎn)生周期性垂向沖擊，但振動幅度并不大；輪對撓度的動態(tài)變化對輪軌動態(tài)接觸載荷影響比較顯著，尤其是輪對結(jié)構(gòu)彎曲振動加劇了輪軌垂向動作用力。

重載貨車；輪軌作用力；踏面形狀；車輪多邊形化；車輪偏心；彈性輪對

1 仿真模型

1.1 車輛－軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型

以大秦線上裝用轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的C80重載貨車為研究對象，其中轉(zhuǎn)向架為25 t軸重交叉支撐轉(zhuǎn)向架，具有雙作用式的常接觸彈性旁承、兩級剛度的搖枕螺旋彈簧、彈性橡膠墊式的輪對定位、輪徑為840 mm的整體輾鋼車輪等特點(diǎn)；車體為80 t載重的專用運(yùn)煤敞車，由底架、側(cè)墻、端墻和撐桿等部分組成。

根據(jù)車輛－軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)理論［6］建立該重載貨車仿真模型。在該模型中車輛由1個車體、2個搖枕、4個側(cè)架、8個承載鞍和4個輪對組成，其中采用了LM型車輪踏面和75 kg／m級重型鋼軌型面匹配的輪軌接觸幾何關(guān)系、并考慮了非線性的輪軌蠕滑力及各懸掛力。離散軌道僅考慮鋼軌和軌枕的結(jié)構(gòu)而忽略道床的振動，即僅具有橫向、垂向與側(cè)滾的3個自由度。整個車輛－軌道耦合模型共包含46個剛體自由度，見表1。

1.2 輪軌接觸理論

考慮車輪和鋼軌未變形表面來計算輪軌之間的接觸區(qū)域和位置，且假設(shè)始終處于一點(diǎn)接觸狀態(tài)。綜合考慮輪軌接觸計算的速度和精度因素［7］，采用基于Kalker簡化理論［8］和FASTSIM算法對輪軌滾動接觸進(jìn)行分析。在該理論中，假設(shè)接觸區(qū)中任一點(diǎn)存在某種線性的彈簧特性，通過對接觸斑單元格內(nèi)面力的累加計算，運(yùn)用Hertz接觸理論和庫倫摩擦理論得出輪軌接觸力。

圖1 車輪踏面形狀Fig.1Wheel tread shape

表1 剛體廣義坐標(biāo)Tab.1 Generalized coordinates of rigid body

1.3 車輪狀態(tài)變化因素

車輪狀態(tài)的變化包括車輪型面幾何改變、車輪質(zhì)量不均勻和輪對自身的結(jié)構(gòu)變形等。其中車輪型面幾何主要是指車輪踏面的剖面形狀和車輪圓周方向的輪廓形狀。車輪質(zhì)量不均勻主要是指車輪偏心，即輪對在制造或維修過程中由于工藝或機(jī)床設(shè)備等原因，車軸中心和車輪中心存在偏差或者車輪質(zhì)心與其幾何中心不一致。輪對動態(tài)變形是指在車輛運(yùn)行過程中考慮輪對自身彎曲、扭轉(zhuǎn)等振動變形情況，并將其變形疊加到剛體輪對運(yùn)動中。

2 輪軌作用力計算

2.1 車輪踏面外形

車輪踏面外形決定著輪軌接觸幾何關(guān)系，其變化必然導(dǎo)致車輪踏面等效錐度、滾動圓半徑差、接觸角差和接觸點(diǎn)分布的改變，進(jìn)而影響輪軌間相互作用力。

在重載貨車實際運(yùn)行過程中，正常狀態(tài)下輪軌接觸部位主要分布在踏面中部及輪緣根部。為了研究不同輪軌接觸幾何對輪軌力的影響，以LM磨耗型踏面外形為基礎(chǔ)，通過改變車輪踏面接觸頻繁區(qū)域圓弧半徑得到兩種新的踏面外形LM1和LM2，見圖1。

仿真計算中的典型路況主要參考大秦重載專用線［9］的實際情況，線路等級選取與大秦線比較接近的美國5級不平順譜線路。重載貨車車輪分別以LM、LM1和LM2三種踏面型面與75 kg／m級重型鋼軌型面進(jìn)行匹配，得到各新、舊車輪與鋼軌之間的垂向作用力指標(biāo)及位置分布，見表2和圖2。其中，磨耗輪型面是基于FASTSIM算法、Archard磨耗模型［10－11］以及定量更新踏面技術(shù)［12］等在一定假設(shè)情況下計算得出。

表2 直線工況下輪軌垂向力指標(biāo)比較Tab.2 Comparison ofwheel／rail vertical force index under condition of straight line

圖2 輪軌接觸應(yīng)力隨著車輪踏面位置的分布圖Fig.2 Distribution of wheel／rail contact stress under different position of wheel tread

由以上圖表可知，車輪踏面形狀的改變不產(chǎn)生輪軌垂向振動，主要影響輪軌接觸斑面積以及接觸應(yīng)力分布。增大車輪踏面局部圓弧半徑可以增大輪軌接觸斑面積，從而有效降低輪軌接觸應(yīng)力峰值；磨耗后車輪比磨耗前車輪的輪軌接觸應(yīng)力分布范圍更廣泛，逐漸趨于均勻磨耗；然而，比較圖2中的（b）、（d）、（f）可以看出，LM1型和LM2型踏面車輪在運(yùn)用一定里程后，出現(xiàn)了踏面局部輪軌接觸應(yīng)力增大的現(xiàn)象，這說明增大踏面名義滾動圓附近處的圓弧半徑可以減低輪軌接觸應(yīng)力，但隨著磨耗后車輪型面的改變也可能會惡化其他局部區(qū)域的接觸應(yīng)力。因此，車輪踏面形狀的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)結(jié)合新輪和磨耗輪在各中的使用實踐綜合考慮。

2.2 車輪多邊形化

Johansson［13］對瑞典鐵路車輪進(jìn)行大量測量和研究，發(fā)現(xiàn)鐵路貨車車輪、機(jī)車驅(qū)動車輪和地鐵車輪都會出現(xiàn)車輪多邊形磨耗現(xiàn)象。車輪多邊形化產(chǎn)生的原因有很多［14～16］，其中車輪與鋼軌的非正常滾動磨耗，車輪與制動閘瓦產(chǎn)生的擦傷，車輪與鋼軌在垂向或切向引起的規(guī)律性滾動振動是目前比較認(rèn)可的解釋。車輪多邊形化是指車輪在圓周方向表現(xiàn)出一種周期性趨勢的不圓順行為，一般以某一階或幾階諧波振動占據(jù)主導(dǎo)來描述其不圓順的分布情況。由于車輪多邊形化是在一定的隨機(jī)激擾下長期累積產(chǎn)生的具有一定趨勢的車輪缺陷狀態(tài)，因此，這種缺陷的幾何形狀特征可以考慮成由多種諧波振動在車輪圓周方向上的疊加分布，即：

式中：R0為車輪名義滾動圓半徑；n為諧波階數(shù)，即多邊形形成的邊數(shù)；λi為對應(yīng)于i階諧波的波長；θ為諧波初始相位角，即車輪初始接觸半徑的滾動角，則左、右車輪初始滾動角的相位差可表示為Δθ＝θright－θleft；Ai為對應(yīng)于i階諧波的幅值，即波深；φi為隨機(jī)相位角，取決于各階諧波的分布狀態(tài)；Δr為車輪實際滾動圓半徑R與車輪名義滾動圓半徑R0之差，即不圓度。

為了簡化分析，文中僅研究某一階多邊形諧波占據(jù)主導(dǎo)時的圓周不圓順情況，即只考慮某一階諧波振動在車輪圓周方向上的分布。在無軌道激擾條件下，對一位輪對車輪施加9階多邊形激勵得到輪軌垂向力隨不同波深和運(yùn)行速度的的變化規(guī)律，并分析了當(dāng)波深為0.1mm時，左、右車輪相位差和占主導(dǎo)的諧波階數(shù)與輪軌垂向動作用力的關(guān)系，如圖3所示。此外，圖4、5中還比較了100 km／h運(yùn)行速度時美國5級不平順線路激擾和車輪多邊形諧波激擾下的輪軌垂向力以及頻譜。

圖3 車輪多邊形化狀態(tài)下的輪軌垂向動作用力Fig.3 Change of wheel／rail vertical dynam ic load atWheel polygonization condition

圖4 輪軌垂向力時間歷程比較Fig.4 Comparison of wheel／rail vertical force in time history

由圖3可知，輪軌垂向動作用力隨著車輪多邊形波深的增加而增大，且在運(yùn)行速度較高時其增大的趨勢更顯著。輪軌垂向動作用力隨著左、右車輪多邊形相位差的變化較小，從0～90°變化時略有增加，這是因為相位差引起了左、右車輪接觸輪徑差，進(jìn)而加劇了輪對的側(cè)滾運(yùn)動。隨著車輪多邊形諧波階數(shù)的增加，輪軌垂向動作用力呈現(xiàn)依次增大的趨勢。

由圖4、5可知，輪軌垂向力變化幅值是軌道不平順激擾和車輪不圓順激擾的共同作用下疊加產(chǎn)生的，其中軌道不平順對輪軌垂向力的影響主要集中在20Hz以內(nèi)，而車輪不圓順對輪軌垂向力的貢獻(xiàn)主要在諧波各主、次頻率中高頻部分。因此，在研究車輪多邊形化對輪軌作用力的影響時，除了諧波參數(shù)、懸掛參數(shù)和運(yùn)行速度等因素，可能還應(yīng)該考慮到簧下結(jié)構(gòu)振動的影響。

圖5 輪軌垂向力頻譜比較Fig.5 Comparison ofwheel／rail vertical force in frequency spectrum

2.3 車輪質(zhì)量偏心

TB／T1490－2004《鐵道客車客車轉(zhuǎn)向架通用技術(shù)條件》中規(guī)定客車車輪、輪對機(jī)械加工或組裝后應(yīng)逐個進(jìn)行靜、動平衡測試，車輪踏面滾動圓圓度及其軸線對車軸軸線的同心度要求當(dāng)V≤120 km／h時不大于1mm，具體試驗方法依照TB／T2562－1995《鐵道客車用車輪靜平衡輪對動平衡試驗方法》進(jìn)行。而貨車車輪目前還沒有進(jìn)行相關(guān)平衡試驗的詳細(xì)技術(shù)要求，但是重載貨車在服役期間車輪產(chǎn)生更嚴(yán)重的滾動磨耗及擦傷，而不均勻的磨耗或擦傷也會導(dǎo)致車輪產(chǎn)生偏心狀態(tài)。

由于車輪質(zhì)心與其幾何中心不重合，使得車輪存在微小的偏心距r0，從而形成一種典型的諧波型激擾。在車輛運(yùn)行過程中由偏心輪所產(chǎn)生的周期性激擾力為：

式中：Mw為車輪質(zhì)量；ww為車輪滾動角速度；r0為偏心距。車輪偏心時，它將以車輪離心激振力引起輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生周期性強(qiáng)迫振動。圖6為車輪偏心距1.5 mm，車速為60 km／h、80 km／h和100 km時的輪軌垂向力歷程；圖7為車速為80 km／h，偏心距為0.5 mm、1.0 mm、1.5mm和2.0mm時的輪軌垂向動作用力與車速關(guān)系。此外，還比較了一位車輪在無質(zhì)量偏心和偏心距為1.0mm兩種情況下的輪軌垂向力頻譜，其中車輛運(yùn)行速度為100 km／h，線路為美國5級不平順線路，如圖8所示。

圖6 不同車輛運(yùn)行速度下的輪軌垂向力Fig.6W／R vertical force with different speed

圖7 不同偏心距下的輪軌垂向動作用力Fig.7W／R vertical dynamic load with different eccentricities

圖8 輪軌垂向力頻譜圖Fig.8 Frequency spectrum diagram ofwheel／rail vertical force

由以上可知，輪軌垂向力在車輪純滾動域內(nèi)呈現(xiàn)平緩的時間周期性變化；隨著車輛運(yùn)行速度的增加，輪軌垂向力變化的幅值和頻率均逐漸增大；輪軌垂向動作用力隨著車輪偏心距的增加而增大，且其增大幅度隨著運(yùn)行速度提高表現(xiàn)更加顯著。由車輪質(zhì)量偏心下的輪軌垂向力頻譜圖可以看出，在頻率10.531 9 Hz下輪軌垂向力出現(xiàn)了一個峰值，該值剛好等于車輪在100 km／h運(yùn)行速度下的圓周轉(zhuǎn)動頻率值。因此，該速度下車輪質(zhì)量偏心的影響在輪軌振動特性中得到了一定體現(xiàn)，雖然對振動幅值的貢獻(xiàn)并不大，但是車輪偏心狀態(tài)往往與不均勻磨耗或擦傷同時存在，而且隨著磨耗的加深，車輪偏心程度會加劇。所以，重載貨車車輪在生產(chǎn)和鏇修中也建議進(jìn)行必要的平衡試驗。

2.4 輪對彎曲剛度

隨著貨車軸重的不斷提高，輪對自身的結(jié)構(gòu)振動不可忽視［17］，車輛運(yùn)行過程中輪對撓度的動態(tài)變化將對輪軌動態(tài)接觸載荷產(chǎn)生影響，尤其是圖9所示的輪對彎曲振動常常與振動系統(tǒng)在垂向形成共振行為［18］，在輪軌間產(chǎn)生持續(xù)變化的動態(tài)附加垂向力。

重車下的重載貨車車輛以80 km／h速度在美國5級譜的直線上運(yùn)行，考察指標(biāo)為輪軌垂向力以及頻譜，見圖10。

從圖可以看出，采用彈性輪對加大了輪軌垂向力變化幅值，彈性輪對下的輪軌垂向力在40 Hz以上均大于剛性輪對情況，該頻率段中側(cè)架點(diǎn)頭、軌道浮沉以及輪對彎曲振動等發(fā)生了多種組合的耦合振動。

此外，重載貨車空、重車下輪對軸頸處承受的載荷相差很大，因此輪對動態(tài)撓度的幅值也不同。由圖11可知，重車下彈性動態(tài)撓度對輪軌垂向力的影響比空車情況大；此外隨著車輛運(yùn)行速度的提高，采用彈性輪對時的輪軌垂向力變化幅值比剛性輪對時更顯著。

圖9 輪對的彎曲振動Fig.9 Flexural vibration of wheelset

圖10 輪軌垂向力及其頻譜圖Fig.10Wheel／rail vertical force and frequency spectrum diagram

圖11 輪對變形對輪軌垂向力影響Fig.11 Influence of wheel／rail vertical force with wheelset deformation

3 結(jié) 論

本文從輪對狀態(tài)改變的角度來研究重載貨車輪軌作用力，結(jié)果表明：

（1）車輪踏面形狀的改變主要影響輪軌接觸斑面積以及接觸應(yīng)力分布，增大輪軌接觸部位的車輪踏面局部圓弧半徑能有效降低輪軌局部接觸應(yīng)力峰值，磨耗后車輪比磨耗前車輪的接觸應(yīng)力分布范圍更廣泛。因此，設(shè)計與鋼軌匹配性能更好的車輪踏面形狀是減小輪軌接觸應(yīng)力、降低磨耗的有效措施之一。

（2）車輪圓周多邊形化對輪軌垂向動作用力的影響比較顯著，其中波深和諧波階數(shù)影響較大，相位差影響較小。因此，有必要深入研究車輪多邊形產(chǎn)生機(jī)理并找到其形成周期規(guī)律，以便在掌握更合適、經(jīng)濟(jì)的車輪鏇修時段。

（3）車輪質(zhì)量偏心對輪軌產(chǎn)生周期性垂向沖擊，由于在我國鐵路車輪鏇修標(biāo)準(zhǔn)以偏心距2mm為限，在此范圍內(nèi)的車輪質(zhì)量偏心對輪軌垂向沖擊振動比較小。然而，車輪型面幾何狀態(tài)變化往往與車輪質(zhì)量不均勻狀態(tài)同時存在［18］，因此在生產(chǎn)和鏇修時建議進(jìn)行必要的車輪或輪對靜、動平衡試驗。

（4）輪對撓度的動態(tài)變化對輪軌動態(tài)接觸載荷影響很顯著，輪對自身彎曲振動加劇了輪軌垂向動作用力，尤其在重車情況下表現(xiàn)的更加突出。因此，從減少輪軌力的角度而言，以減小簧下質(zhì)量而犧牲輪對剛度的做法并不可取。

（5）由于缺少大秦線路靜態(tài)軌道不平順詳細(xì)數(shù)據(jù)，因此在文中統(tǒng)一采用了與大秦線譜比較接近的動態(tài)軌道不平順譜進(jìn)行計算，忽略了重復(fù)計及荷載引起的鋼軌和軌下基礎(chǔ)變形的影響，從而使仿真結(jié)果具有一定的誤差。然而，目前對線路動態(tài)和靜態(tài)軌道不平順之間的修正缺乏有說服力的依據(jù)，因此希望相關(guān)研究機(jī)構(gòu)通過大量試驗不斷進(jìn)行完善。

［1］劉宏友.國外重載貨車轉(zhuǎn)向架的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展我國鐵路重載貨車轉(zhuǎn)向架的若干思考［J］.國外鐵道車輛，2012，49（1）：1－10.

LIU Hong-you.The present technical development of heavy haul freight car boiges abroad and deliberation for development of heavy haul freight car boiges in our country［J］.Foreign Rolling Stock，2012，49（1）：1－10.

［2］翟婉明，孫 翔.低動力作用輪軌系統(tǒng)垂向動力參數(shù)研究與設(shè)計［J］.鐵道學(xué)報，1993，15（3）：2－10.

ZHAIWan-ming，SUN Xiang.Analysis and design of vertical dynamic parameters of wheel／rial system with low dynam ic interactions［J］.Journal of the China Railway Society，1993，15（3）：2－10.

［3］任尊松，翟婉明，王其昌.幾種道岔病害對輪軌相互作用的影響［J］.鐵道工程學(xué)報，2000，68（4）：39－41.

REN Zun-song，ZHAIWan-ming，WANG Qi-chang.Effect of several turnout diseases to wheel／rial interaction［J］.Journal of Railway Engineering Society，2000，68（4）：39－41.

［4］Samuels J，et al.北美鐵路降低輪軌接觸應(yīng)力新進(jìn)展［J］.國外鐵道車輛，2007，44（5）：26－33.

Samuels J，et al.The new progress in reducing the contact stresses at the wheel-rail interface of the north american railroads［J］.Foreign Rolling Stock，2007，44（5）：26－33.

［5］溫澤峰，金學(xué)松，張衛(wèi)華.鋼軌軌縫接觸－沖擊的有限元分析［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，2003，23（3）：241－244.

WEN Ze-feng，JIN Xue-song，ZHANG Wei-hua.Finite element analysis of contact-Impact of wheel／rail at rail gap［J］.Tribology，2003，23（3）：241－244.

［6］翟婉明.車輛－軌道耦合動力學(xué)［M］.第3版.北京：中國鐵道出版社，2007.

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

［8］Kalker J J.A fast algorithm for the simplified theory of rolling contact［J］.Vehicle System Dynamics，1982，11：1－13.

［9］王春山，陳 雷.鐵路重載提速貨車技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2010.

［10］Zobory I.Prediction of wheel／rail profile wear［J］.Vehicle System Dynam ics，1997，28（2）：221－259.

［11］Jendel T.Prediction of wheel profile wear-comparisons with filed measurements［J］.Wear，2002，253（1）：89－99.

［12］Enblom R，Berg M.Impact of non-elliptic contactmodelling in wheel wear simulation［J］.Wear，2008，265：1532－1541.

［13］Johansson A.Out-of-round railway wheels assessment of wheel tread irregularities in train traffic［J］.Journal of Sound and Vibration，2006，293（3－5）：795－806.

［14］Brommundt E.A simp le mechanism for the polygonalization of railway wheels by wear［J］.Mechanics Research Communications，1997，24（4），435－442.

［15］Johansson A，Andersson C.Out-of-round railway wheels a study of wheel polygonalization through simulation of threedimensionalwheel－rail interaction and wear［J］.Vehicle System Dynamics，2005（43）：539－559.

［16］李 霞，溫澤峰，金學(xué)松.地鐵車輪踏面異常磨耗原因分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2010，46（16）：60－66.LIXia，WEN Ze-feng，JIN Xue-song.Analysis of abnormal wear on metro wheel tread［J］.Journal of Mechanical Engineering，2010，46（16）：60－66.

［17］Jurgen A，Ingo K.Simulation of a railway vehicle's running behaviour：How elastic wheelsets influence the simulation results［J］.Vehicle System Dynamic，2004，41：242－251.

［18］馬衛(wèi)華，許自強(qiáng)，羅世輝，等.輪軸彎曲剛度對輪軌垂向動態(tài)載荷影響分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2012，48（6）：97－101.

MAWei-hua，XU Zi-qiang，LUO Shi-hui，et al.Influence of the wheel axle bending stiffness on the wheel／rail vertical dynamical load［J］.Journal of Mechanical Engineering，2012，48（6）：97－101.

［19］許 宏，員 華，王 凌，等.基于高斯過程的地鐵車輛輪對磨耗建模及其鏇修策略優(yōu)化［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2010，46（24）：88－95.

XU Hong，YUAN Hua，WANG Ling，et al.Modeling of metro wheel wear and optimization of the wheel re-profiling strategy based on Gaussian processes［J］.Journal of Mechanical Engineering，2010，46（24）：88－95.

Effect of wheel state variation on face between wheel and rail of a heavy wagon

YANG Liang-liang1，LUO Shi-hui1，F(xiàn)U Mao-hai2，HUANG Xiao-cui2
（1.Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In actual production and service conditionsof a heavy wagon，the wheel／rail interaction is influenced not only by incentive effects from all kinds of track irregularity，but also by incentive effects from variation of wheel state.Here，from the perspective of wheel running state，change and trend of wheel／rail interaction was studied based on parameters of wheel states including wheel tread shape，wheel polygonization，wheel eccentric mass and wheelset structural deformation.The result indicated thatwheel tread shape affects area of contact spot and distribution of contact stress；under differentspeeds，depth，phase and order ofwheel polygonization have different influences on verticalwheel／rail force；wheel eccentricmass leads to periodic vertical impacts between wheel and rail，but the amplitude of vibration is not large；the effect of dynamic varying of wheelset's deflection on the wheel／rail dynamic contact load is remarkable，especially，structural bending vibration of wheelset intensifies the vertical wheel／rail interaction force.

heavy wagon；wheel／rail force；tread shape；wheel polygonization；eccentric wheel；elastic wheelset

U213.2

A

國家自然科學(xué)基金資助項目（51005190）

2012－12－21 修改稿收到日期：2013－04－08

楊亮亮男，博士生，1986年生條件下，車輪或車軸本身也具有形狀、質(zhì)量以及撓度的變化，也會影響輪軌間相互力的作用。因此，在重載貨車設(shè)計及維修階段，應(yīng)該嚴(yán)格控制車輪的狀態(tài)變化，盡量減少輪軌沖擊振動，保證車輛運(yùn)行安全性。本文研究重載鐵路貨車車輪踏面外形、車輪多邊形化、車輪質(zhì)量偏心和輪對結(jié)構(gòu)變形等車輪激勵因素對輪軌間垂向低作用力的影響。

重載貨車技術(shù)已經(jīng)在很多國家的鐵路運(yùn)輸中得到了廣泛應(yīng)用，并產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益［1］。然而，軸重的增加必然會強(qiáng)化輪軌系統(tǒng)的動態(tài)相互作用，與此同時也會產(chǎn)生許多新的問題。其中車輪與軌道之間的相互破壞作用，尤其是垂向相互作用，對輪軌沖擊振動的加劇極為敏感。

翟婉明等［2］通過車輛－軌道耦合系統(tǒng)模型研究錯牙接頭、焊縫不平、軌頭壓潰、軌面剝落等軌道脈沖型不平順對輪軌垂向力的影響，并得出微小的凹凸不平順也會導(dǎo)致較為劇烈的輪軌沖擊振動。任尊松等［3］利用車輛－道岔系統(tǒng)空間耦合振動模型研究了尖軌與基本軌不密貼、固定式轍叉不同磨耗以及間隔鐵失效等道岔惡劣工況下的輪軌垂向振動特性。Samuels等［4］介紹了北美鐵路在降低輪軌垂向動作用力和輪軌接觸應(yīng)力方面的研究成果，并指出改進(jìn)車輪、鋼軌外形及其維修方法是有效途徑之一。溫澤峰等［5］基于輪軌接觸－沖擊有限元分析模型模擬車輪經(jīng)過軌縫時沖擊鋼軌接頭的過程，并得出沖擊前后輪軌間垂向接觸力隨時間和位置的變化情況。

以上研究都是以軌道不平順作為激勵來分析輪軌間的垂向振動響應(yīng)，然而在實際重載貨車生產(chǎn)及服役