初始輪徑差對(duì)高速列車動(dòng)力學(xué)性能的影響研究*

李潤(rùn)華，宋永增，徐海濱

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044)

初始輪徑差對(duì)高速列車動(dòng)力學(xué)性能的影響研究*

李潤(rùn)華，宋永增，徐海濱

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044)

利用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK，針對(duì)某高速列車轉(zhuǎn)向架中存在的初始輪徑差進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，并依據(jù)其仿真結(jié)果研究初始輪徑差的限度制定標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明:初始輪徑差在－0.5～+0.5 mm的范圍內(nèi)，對(duì)列車運(yùn)行穩(wěn)定性與輪軌磨耗影響較大，對(duì)曲線通過(guò)安全性影響較小，對(duì)列車運(yùn)行平穩(wěn)性幾乎沒有影響。仿真結(jié)果對(duì)動(dòng)車組目前規(guī)定的初始輪徑差限度的進(jìn)一步完善具有指導(dǎo)意義。

高速列車;初始輪徑差;限度;動(dòng)力學(xué)性能

理想狀態(tài)下車輛的各輪對(duì)左右車輪具有相同的直徑，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于受到生產(chǎn)工藝和機(jī)械加工精度的影響，導(dǎo)致輪對(duì)左右車輪直徑不一致而產(chǎn)生初始輪徑差(Rolling Radius Difference，簡(jiǎn)稱RRD)。如果輪對(duì)存在初始輪徑差，那么輪對(duì)在滾動(dòng)過(guò)程中就會(huì)偏離軌道中心線，不但容易出現(xiàn)輪對(duì)偏磨，導(dǎo)致輪軌磨耗加劇，而且使輪軌接觸幾何關(guān)系發(fā)生改變，對(duì)車輛系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，必須嚴(yán)格控制初始輪徑差容許限度。

目前，國(guó)內(nèi)雖有眾多學(xué)者在輪徑差對(duì)車輛運(yùn)行性能的影響方面進(jìn)行過(guò)研究［1-10］，但對(duì)輪徑差容許限度問(wèn)題的研究卻很少。本文將著重分析車輛轉(zhuǎn)向架初始輪徑差對(duì)列車運(yùn)行動(dòng)力學(xué)性能的影響，根據(jù)主要評(píng)定指標(biāo)的變化幅度與范圍，探討輪對(duì)初始輪徑差合理的匹配關(guān)系及所研究范圍內(nèi)的安全裕度，為輪對(duì)組裝和檢修限度的制訂提供理論參考。

1 輪徑差的限度標(biāo)準(zhǔn)

按照我國(guó)目前的檢修規(guī)章要求，輪徑差限度可以分為兩類，一類是在運(yùn)用過(guò)程中，車輪由于擦傷或磨耗而導(dǎo)致同一轉(zhuǎn)向架中輪徑不一致的輪徑差限度。如果同軸輪徑差≥0.5～1 mm、同轉(zhuǎn)向架輪徑差≥2～4 mm及同一車輛輪徑差≥3～10 mm時(shí)，就需要將未傷損的車輪也進(jìn)行旋修，以達(dá)到檢修規(guī)章要求的輪徑匹配關(guān)系。另一類是在新輪對(duì)組裝過(guò)程中，同一輪對(duì)兩車輪直徑選配時(shí)的容許限度。目前，我國(guó)動(dòng)車組輪對(duì)組裝技術(shù)條件中規(guī)定同軸輪徑差≤0.3 mm。同軸輪徑差規(guī)定的限度越嚴(yán)格，對(duì)提高轉(zhuǎn)向架組裝質(zhì)量越有利，但對(duì)踏面旋修精度的要求也越高，勢(shì)必增加生產(chǎn)成本、降低生產(chǎn)效率。因此，有必要探討更為科學(xué)合理的初始輪徑差限度，在保證輪對(duì)組裝質(zhì)量的前提下，提高輪對(duì)組裝的生產(chǎn)率及車輪的利用率。

2 初始輪徑差對(duì)平衡位置的影響

列車在實(shí)際運(yùn)行中，輪軌間的相互作用使輪對(duì)在鋼軌上滾動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生橫向偏移和輪對(duì)沖角而達(dá)到平衡位置。若由于某種原因?qū)е罗D(zhuǎn)向架輪對(duì)存在輪徑差，那么直徑較大的車輪線速度比直徑較小的車輪線速度大，導(dǎo)致兩個(gè)車輪與鋼軌間分別產(chǎn)生相反的縱向蠕滑力?？v向蠕滑力產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩迫使輪對(duì)產(chǎn)生搖頭運(yùn)動(dòng)，輪對(duì)的搖頭運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)會(huì)通過(guò)一系懸掛系統(tǒng)產(chǎn)生懸掛力。一系懸掛力又將通過(guò)構(gòu)架影響另一輪對(duì)的運(yùn)動(dòng)，而另一輪對(duì)在滾動(dòng)過(guò)程中也伴隨各種力的變化，使輪對(duì)在滾動(dòng)過(guò)程中偏離原有位置而達(dá)到一個(gè)新的平衡位置，如圖1所示。此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)額外的輪對(duì)橫移量和輪對(duì)沖角，輪軌間形成非理想接觸幾何關(guān)系，這將直接影響車輛運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。

圖1 輪對(duì)平衡后的位置

3 初始輪徑差對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

3.1 車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立

以某種型號(hào)的動(dòng)車組拖車為例，忽略各部件本身的彈性變形，將拖車作為離散的多剛體、多自由度系統(tǒng)，建立車體—構(gòu)架—軸箱—輪對(duì)組合的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，如圖2所示。整車共有42個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，軌道加載京津?qū)崪y(cè)軌道譜。

初始輪徑差對(duì)高速列車動(dòng)力學(xué)性能的影響參數(shù)和指標(biāo)包括非線性臨界速度、平穩(wěn)性、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率、磨耗功率等。

3.2 初始輪徑差的存在形式及變化范圍

轉(zhuǎn)向架輪徑差的存在形式是多種多樣的。為了方便研究，通常將其分為等值同相輪徑差、等值反向輪徑差、前輪對(duì)輪徑差和后輪對(duì)輪徑差4種，如圖3所示。一般來(lái)說(shuō)，前輪對(duì)輪徑差與后輪對(duì)輪徑差的仿真結(jié)果介于等值同相與等值反相輪徑差之間，因此，對(duì)等值同相和等值反相兩種輪徑差形式進(jìn)行重點(diǎn)分析研究。為了研究不同初始輪徑差對(duì)列車運(yùn)行性能的影響規(guī)律，以同軸左邊車輪為基準(zhǔn)，其直徑為860 mm，LMA型磨耗型踏面，右邊車輪直徑變化范圍為－0.5～+0.5 mm，車輪踏面均為旋修踏面。

圖3 轉(zhuǎn)向架輪徑差類型

3.3 初始輪徑差對(duì)蛇行穩(wěn)定性的影響

蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性是車輛系統(tǒng)本身的固有屬性，列車在某一速度下運(yùn)行穩(wěn)定與否的評(píng)判依據(jù)是蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性臨界速度，簡(jiǎn)稱臨界速度。若列車實(shí)際運(yùn)行速度接近臨界速度，就可能出現(xiàn)蛇行運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)，這是絕對(duì)不允許的。給車輛的1位輪對(duì)一個(gè)初始擾動(dòng)，使其在直線軌道上運(yùn)行，同時(shí)不斷變換速度，通過(guò)觀察輪對(duì)橫向振動(dòng)收斂與發(fā)散的情況，判斷車輛是否出現(xiàn)蛇行運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)。

圖4 不同輪徑差下的臨界速度

如圖4所示，當(dāng)輪徑差為0時(shí)，臨界速度為550 km/h，隨著輪徑差正向增大到0.5 mm，同相和反向時(shí)的臨界速度分別下降到446km/h和489km/h，下降幅度分別為18.9%和11.1%。輪徑差反向增大與正向增大得到的規(guī)律與數(shù)值均相似。很明顯，輪徑差的變化對(duì)臨界速度的影響較大，且同相分布時(shí)更為顯著。但對(duì)速度300 km/h的高速列車而言，仍具有較大安全裕量。

3.4 初始輪徑差對(duì)列車平穩(wěn)性的影響

列車平穩(wěn)性反映了旅客的舒適度與所運(yùn)貨物的完整性，是衡量列車運(yùn)行品質(zhì)的重要依據(jù)［11］。本文選用Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，分別取200，240，280 km/h和320 km/h 4個(gè)速度級(jí)對(duì)列車在直線軌道上運(yùn)行進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖5所示。在相同速度下，輪徑差的變化對(duì)車輛橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)影響不大，其變化幅度均小于1.3%。因此，初始輪徑差在0.5 mm內(nèi)對(duì)車輛平穩(wěn)性的影響可以忽略。而速度的變化對(duì)車輛橫向平穩(wěn)性影響較大。

3.5 初始輪徑差對(duì)磨耗功率的影響

輪軌間蠕滑力與蠕滑率的乘積定義為磨耗功，磨耗功越大，輪軌之間的磨耗功率越大，輪軌間的磨損越嚴(yán)重［12］。表1與表2統(tǒng)計(jì)了輪對(duì)存在等值同相與等值反相輪徑差時(shí)左右車輪磨耗功率的平均值?？梢娫谕凰俣认?，以輪徑差為0時(shí)的數(shù)值為基準(zhǔn)，隨著輪徑差的變化，其磨耗功率變動(dòng)幅度最大達(dá)到48.1%。因此，同一車軸上左右輪的磨耗功率均隨著輪徑差的增大而增大，即車輪磨損愈加嚴(yán)重。

表1 等值同相磨耗功率統(tǒng)計(jì)表 W

表2 等值反相磨耗功率統(tǒng)計(jì)表 W

左右車輪磨耗功率的差值反映了輪對(duì)的偏磨程度，仿真結(jié)果如圖6所示。同相分布輪徑差為0時(shí)，左右車輪磨耗功率差值為0.32～0.39 W，即輪對(duì)幾乎不存在偏磨情況;當(dāng)輪徑差增大到0.5 mm時(shí)，左右車輪磨耗功率差值為6.28～29.28 W。反相分布輪徑差增大到0.5 mm時(shí)，左右車輪磨耗功率差值為29.17～76.64 W。由此可見，初始輪徑差增大，輪對(duì)偏磨越嚴(yán)重。

圖6 不同輪徑差下左右車輪磨耗功率差值

3.6 初始輪徑差對(duì)曲線通過(guò)性能的影響

選取輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率為曲線通過(guò)性能的主要評(píng)定參數(shù)。曲線線路參數(shù)為:正曲線線路(正曲線的左側(cè)軌為外軌)，半徑為5 500 m，直線長(zhǎng)100 m，緩和曲線長(zhǎng)540 m，圓曲線長(zhǎng)240 m。由于列車實(shí)際通過(guò)曲線的速度不可能完全等于均衡速度，必然出現(xiàn)欠超高或過(guò)超高的運(yùn)行狀態(tài)。因此，應(yīng)以均衡速度為基準(zhǔn)，并分別取大于和小于均衡速度值進(jìn)行仿真。采用的曲線外軌超高為150 mm，均衡速度為266 km/h，為避免曲線超高的影響，取240，260，280 km/h和300 km/h 4個(gè)速度級(jí)進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果如圖7所示，以輪徑差為0時(shí)的數(shù)值為基準(zhǔn)，輪徑差從－0.5 mm增大到+0.5 mm時(shí)，輪軌橫向力的變動(dòng)幅度小于14%，脫軌系數(shù)的變動(dòng)幅度小于12%，輪重減載率的變動(dòng)幅度小于7%，這說(shuō)明初始輪徑差的變化對(duì)曲線通過(guò)影響較小。

圖7 不同輪徑差下運(yùn)行安全性指標(biāo)

4 分析與討論

在初始輪徑差為－0.5～+0.5 mm的范圍內(nèi):臨界速度降至446 km/h;平穩(wěn)性指標(biāo)仍處于良好水平;曲線通過(guò)時(shí)，輪軌橫向力的限度為40 kN，脫軌系數(shù)的限度為0.8，輪重減載率的限度為0.6，各指標(biāo)均未超限且處于較大安全裕度范圍內(nèi);車輪磨耗程度雖有一定程度的加劇，但偏磨程度僅達(dá)到原輪徑自身磨耗的20%。因此，對(duì)于目前制定的輪對(duì)組裝輪徑差限度0.3 mm而言，安全裕度較大。高速列車初始輪徑差對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響見表3。

表3 高速列車初始輪徑差對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響

另外，結(jié)合我國(guó)制定的檢修規(guī)程而言，列車在投入運(yùn)用之后，每次運(yùn)行結(jié)束或48 h進(jìn)行一級(jí)修;3萬(wàn)km或30天進(jìn)行二級(jí)修;60萬(wàn)km或一年進(jìn)行三級(jí)修;在一、二、三級(jí)修程中均規(guī)定了輪徑差同一輪對(duì)的檢修限度。因此，適當(dāng)增大新車輪輪對(duì)組裝限度值，列車在運(yùn)用中仍然能夠保證良好的運(yùn)行狀態(tài)與技術(shù)指標(biāo)。

5 結(jié)論

(1)轉(zhuǎn)向架存在初始輪徑差時(shí)，將產(chǎn)生額外的輪對(duì)橫移量和輪對(duì)沖角，影響列車的運(yùn)行性能。初始輪徑差增大，輪對(duì)偏磨隨之增加。

(2)以仿真所得各項(xiàng)指標(biāo)的變化幅度大小為判斷依據(jù)，初始輪徑差在－0.5～+0.5 mm的范圍內(nèi)，對(duì)列車運(yùn)行穩(wěn)定性與輪軌磨耗影響較大，在制訂輪徑差限度時(shí)，可作為主要因素加以考慮;由于速度變化也會(huì)對(duì)列車動(dòng)力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)產(chǎn)生影響，同時(shí)應(yīng)考慮具體車型的運(yùn)用速度。

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Influence of Initial Wheel Radius Difference on the Dynamic Performance of High-speed Train

LI Runhua，SONG Yongzeng，XU Haibin
(School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

By using the multi-body dynamic simulation software SIMPACK，the author simulates the dynamic performance when the initial wheel radius difference exists，and researches the radius difference limit standards based on the results.The results show that when the initial wheel radius difference is in the range of－0.5 mm to+0.5 mm，it has greater impact on nonlinear critical speeds and wheel/rail wear，less impact on the security of curve passing，and almost no impact on stabilities of the train.The above simulation results with guidance for further improvement of the currently prescribed limits to initial wheel radius difference.

high-speed train;initial wheel radius difference;limits;dynamic performance

U270.1+1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.04

1008－7842(2015)02－0014－05

*中國(guó)鐵路總公司重大項(xiàng)目(2013J005－A)

0—)女，碩士研究生(

2014－10－14)