米軌線路參數(shù)對(duì)機(jī)車(chē)動(dòng)力學(xué)性能和輪軌磨耗的影響

周黃標(biāo),丁軍君,王軍平,李 芾,胡靜濤

(1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031；2.中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司,北京 100036)

輪軌磨耗是影響列車(chē)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素。輪軌磨耗變形不僅會(huì)使車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性變差,而且也會(huì)導(dǎo)致臨界速度下降[1]。造成輪軌嚴(yán)重磨耗的因素很多,線路參數(shù)設(shè)置不當(dāng)是主要原因之一。在曲線區(qū)段通常設(shè)置超高,當(dāng)曲線半徑小于一定值時(shí)還需要對(duì)軌距進(jìn)行加寬,其目的在于提高車(chē)輛曲線通過(guò)性能,減小輪軌磨耗和保持線路穩(wěn)定。但是軌距加寬也會(huì)導(dǎo)致輪軌游間過(guò)大,對(duì)行車(chē)的平穩(wěn)性和輪軌磨耗不利。針對(duì)上述問(wèn)題已有大量專(zhuān)家學(xué)者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軌距線路進(jìn)行過(guò)研究[2-9],但尚未有米軌線路方面的研究。米軌線路具有曲線半徑小和曲線多的特點(diǎn)[10],目前中國(guó)企業(yè)在海外大量修建米軌鐵路并出口米軌機(jī)車(chē)車(chē)輛。本文以米軌鐵路為研究對(duì)象,對(duì)米軌鐵路超高和軌距變化對(duì)C0-C0機(jī)車(chē)輪軌磨耗的影響進(jìn)行研究。

1 動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算模型

采用SIMPACK軟件,以我國(guó)某企業(yè)出口泰國(guó)米軌機(jī)車(chē)為例建立機(jī)車(chē)多剛體動(dòng)力學(xué)模型。該機(jī)車(chē)采用C0-C0軸式,軸重為16 t,最高運(yùn)行速度為120 km/h,動(dòng)力學(xué)模型由1個(gè)車(chē)體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架、2個(gè)牽引銷(xiāo)、6個(gè)輪對(duì)、6個(gè)電機(jī)和12個(gè)軸箱共29個(gè)剛體組成。機(jī)車(chē)模型自由度見(jiàn)表1。各個(gè)剛體之間通過(guò)力元或鉸聯(lián)接,車(chē)輪和鋼軌型面分別采用S1002和UIC54。車(chē)軸命名及輪軌接觸關(guān)系如圖1所示。圖中L代表機(jī)車(chē)運(yùn)行方向的左側(cè)(曲線外側(cè)),R代表右側(cè)(曲線內(nèi)側(cè)),WSi代表i(i=1～6)號(hào)輪對(duì)。

表1 機(jī)車(chē)模型自由度

圖1 車(chē)軸命名及輪軌接觸關(guān)系

2 仿真分析和評(píng)價(jià)指標(biāo)

仿真分析中設(shè)置2種線路半徑,分別為200,400 m,線路實(shí)設(shè)超高均為50 mm,依據(jù)文獻(xiàn)[11]可算出機(jī)車(chē)對(duì)應(yīng)的平衡速度分別為34.6,49.0 km/h。超高率為計(jì)算超高與實(shí)設(shè)超高之差占實(shí)設(shè)超高的百分比,其變化范圍為-20%～20%(其中負(fù)值為欠超高,正值為過(guò)超高)。

評(píng)價(jià)機(jī)車(chē)車(chē)輛通過(guò)曲線時(shí)輪軌磨耗程度的指標(biāo)很多,其中使用較多的有如下幾種[12]：①磨耗因數(shù)。其定義為輪緣橫向力與沖角的乘積,表征輪緣與鋼軌側(cè)面的能量損耗；②踏面磨耗指標(biāo)。其定義為輪重與合成蠕滑率的乘積；③輪軌接觸斑處所消耗的功。其定義為蠕滑力與蠕滑率的數(shù)量積,表征沿軌道運(yùn)行每單位長(zhǎng)度所消耗的摩擦功；④輪軌接觸斑處所消耗的功率(以下簡(jiǎn)稱磨耗功率)。其定義為輪軌接觸斑處所消耗功與車(chē)輛運(yùn)行速度的乘積,表征沿軌道運(yùn)行每單位時(shí)間所消耗的摩擦功。

磨耗功率既包含了蠕滑率及沖角的影響,又包含了運(yùn)行速度,能很好地表達(dá)出輪軌磨耗狀態(tài),故本文中采用磨耗功率的大小來(lái)表征輪軌磨耗的劇烈程度。

曲線通過(guò)時(shí),由于機(jī)車(chē)6個(gè)輪對(duì)中WS1(導(dǎo)向輪對(duì))對(duì)機(jī)車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的影響最大,故在分析輪對(duì)沖角和輪軌橫向力時(shí)選其為分析對(duì)象；輪軸橫向力、踏面磨耗功率和輪緣磨耗功率則選取轉(zhuǎn)向架1上所有輪對(duì)為分析對(duì)象；平均磨耗功率為12個(gè)車(chē)輪磨耗功率的平均值。以下分析中,輪對(duì)沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力取圓曲線部分所得最大值,磨耗功率則取圓曲線部分的平均值。

2.1 曲線超高對(duì)動(dòng)力學(xué)性能和輪軌磨耗的影響

本文以輪對(duì)沖角、輪軌橫向力、輪軸橫向力和磨耗功率為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析曲線超高對(duì)機(jī)車(chē)通過(guò)曲線時(shí)動(dòng)力學(xué)性能和輪軌磨耗的影響。

2.1.1 對(duì)沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響

曲線超高率對(duì)機(jī)車(chē)輪對(duì)沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響如圖2所示?？芍?dāng)超高率由-20%增大到20%時(shí),在半徑200 m和400 m的曲線上,沖角分別增大了0.7%和2.1%，輪軌橫向力分別增大了2.0%和-0.6%。

圖2 超高率對(duì)輪對(duì)沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響

當(dāng)超高率由-20%增大到20%時(shí),在半徑為200 m的曲線上,只有中間輪對(duì)WS2的輪軸橫向力增加了16.1%,其余輪對(duì)均逐漸減??；在半徑為400 m的曲線上,輪軸橫向力較半徑200 m時(shí)小，且數(shù)值變化不大。由此可知,超高變化對(duì)沖角和輪軌橫向力影響很小,對(duì)小半徑曲線上的輪軸橫向力影響較大。

2.1.2 對(duì)磨耗功率的影響

由于在半徑分別為200 m和400 m時(shí),輪軌磨耗功率變化趨勢(shì)基本相同,因此只列出半徑為200 m時(shí)的磨耗功率,見(jiàn)圖3,其中超高率由-20%增加到20%。

圖3 超高率對(duì)磨耗功率的影響

由圖3(a)可知,WS1和WS2的外側(cè)車(chē)輪踏面磨耗功率均逐漸減小,內(nèi)側(cè)逐漸增大；WS3則與之相反,但WS3的踏面磨耗功率最小。

由圖3(b)可知,曲線內(nèi)側(cè)所有車(chē)輪踏面磨耗功率之和(以下簡(jiǎn)稱曲線內(nèi)側(cè)之和)逐漸增大,外側(cè)與之相反,但總和幾乎不變。

由圖3(c)可知,車(chē)輪輪緣磨耗功率之和略有增加。在仿真計(jì)算過(guò)程中,只有曲線外側(cè)車(chē)輪發(fā)生輪緣接觸。輪緣磨耗功率之和的增加是由導(dǎo)向輪對(duì)輪軌橫向力隨著超高率的增加而增大所導(dǎo)致的。由圖3(c)還可知，平均磨耗功率增幅為2.1%。由前面分析可知,增加的主要是輪緣磨耗功率,這不僅會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪提前磨耗到限,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的鋼軌側(cè)磨,故應(yīng)適當(dāng)減小實(shí)設(shè)超高,使列車(chē)通過(guò)時(shí)處于適當(dāng)?shù)那烦郀顟B(tài),這與文獻(xiàn)[13]中的分析結(jié)果相同。

2.2 軌距變化對(duì)動(dòng)力學(xué)性能和輪軌磨耗的影響

采用與2.1節(jié)相同的評(píng)價(jià)指標(biāo),分析軌距變化對(duì)機(jī)車(chē)通過(guò)曲線時(shí)動(dòng)力學(xué)性能和輪軌磨耗的影響規(guī)律。在本次仿真分析中,軌距的變化范圍為-5～15 mm。超高根據(jù)2.1節(jié)的分析結(jié)果,設(shè)置為40 mm,即欠超高狀態(tài),其余線路條件不變。

2.2.1 對(duì)沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響

機(jī)車(chē)輪對(duì)沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力隨軌距加寬的變化規(guī)律如圖4所示,其中軌距加寬量由-5 mm 增大到15 mm。

圖4 軌距變化對(duì)沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響

由圖4(a)可知,在半徑分別為200 m和400 m時(shí),沖角增幅分別為36.8%和33.8%。這是由于軌距增大,導(dǎo)致輪軌自由間隙和輪對(duì)橫移量增大,使輪對(duì)搖頭有更大的空間。

由圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)可知,在半徑為200 m 時(shí),輪軌橫向力先緩慢減小后迅速增大,增幅為35.1%,最大輪軸橫向力顯著增大,增幅為98.4%；在半徑為400 m時(shí),輪軌橫向力先有所減小,而后保持不變,輪軸橫向力較穩(wěn)定。

與2.1.1節(jié)的結(jié)論比較可知,相較于超高變化,軌距加寬對(duì)小半徑曲線上的輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響更顯著。由此可見(jiàn),軌距加寬并不能有效降低小半徑曲線通過(guò)時(shí)的輪軌橫向力和輪軸橫向力,這是由于軌距加寬使輪對(duì)沖角增大導(dǎo)致的。

2.2.2 對(duì)磨耗功率的影響

在半徑分別為200 m和400 m時(shí),輪軌磨耗功率隨軌距加寬的變化規(guī)律基本相似,因此只列出半徑為200 m時(shí)的磨耗功率,如圖5所示,其中軌距加寬量由-5 mm增大到15 mm。

圖5 軌距加寬量對(duì)磨耗功率的影響

由圖5(a)可知,WS1踏面磨耗功率先增大后略有減小,且在軌距較小的時(shí)候變化更明顯；WS2變化趨勢(shì)與WS1相同但變化率更大；WS3變化規(guī)律與WS1相反。

由圖5(b)可知,曲線內(nèi)、外側(cè)磨耗功率之和均先增大后減小,軌距加寬-5 mm時(shí),內(nèi)、外側(cè)磨耗功率總和為21.69 kN·m/s,加寬0,5,10,15 mm時(shí)的增幅分別為9.4%,13.8%,18.6%,15.5%。

由圖5(c)可知,輪緣磨耗功率之和先減小后增大,且變化率也逐漸增大。平均磨耗功率先由2.51 kN·m/s 減為2.47 kN·m/s后增為3.09 kN·m/s。這是因?yàn)檐壘嗉訉?5 mm時(shí)輪緣與鋼軌側(cè)面長(zhǎng)時(shí)間接觸,導(dǎo)致輪緣磨耗功率增大;而后隨著軌距繼續(xù)加寬,輪對(duì)沖角和輪軌橫向力增大,也導(dǎo)致輪緣磨耗功率增大。

軌距加寬0和15 mm時(shí),輪緣磨耗功率分別占整車(chē)磨耗功率的20.1%和32.4%,而輪緣磨耗功率主要來(lái)自于WS1外側(cè)車(chē)輪輪緣,這將使WS1迅速磨耗到限。

與2.1.2節(jié)結(jié)論相比較可知,軌距變化對(duì)磨耗功率的影響較超高率更顯著。在曲線區(qū)段,經(jīng)常發(fā)生短期內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重側(cè)磨的情況,這很有可能就是由于軌距在車(chē)輪沖擊作用下發(fā)生了較大變化,使得輪緣(鋼軌側(cè)面)磨耗功率上升導(dǎo)致的。

3 結(jié)論

1)輪對(duì)沖角對(duì)曲線超高率不敏感,而對(duì)軌距變化較敏感。當(dāng)軌距加寬量由-5 mm增為15 mm,沖角在半徑為200 m和400 m時(shí)的增幅分別為36.8%和33.8%。

2)軌距變化對(duì)輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響較超高率明顯,小半徑曲線上的軌距加寬不能有效降低輪軌橫向力和輪軸橫向力。

3)列車(chē)處于適當(dāng)?shù)那烦郀顟B(tài)能減小輪軌磨耗。磨耗功率對(duì)軌距和曲線半徑非常敏感，當(dāng)軌距加寬量由0增為15 mm,在半徑200 m和400 m時(shí)平均磨耗功率分別增加了25.0%和4.1%；

4)車(chē)輪和鋼軌的磨損是相互伴隨的,在曲線線路維護(hù)方面應(yīng)將軌距變化作為重點(diǎn),同時(shí)應(yīng)避免不必要的加寬,防止由于不正常的軌距變化使鋼軌嚴(yán)重磨耗。

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