直線電機(jī)地鐵車輛的車輪磨耗特性及動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

劉偉，張雄飛，張冬梅，關(guān)慶華，溫澤峰

直線電機(jī)地鐵車輛的車輪磨耗特性及動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

劉偉1，張雄飛1，張冬梅1，關(guān)慶華*,2，溫澤峰2

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

對(duì)國(guó)內(nèi)某直線電機(jī)地鐵線路軸箱內(nèi)外置列車的車輪磨耗規(guī)律和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、特征對(duì)比以及形成機(jī)理的理論研究。通過兩種車型不同鏇后運(yùn)行里程的車輪磨耗測(cè)試，分析了兩種軸箱布置方式車輛的車輪磨耗形式、分布區(qū)域及磨耗速率的演變規(guī)律。通過正線運(yùn)行動(dòng)力學(xué)測(cè)試，對(duì)兩種車型鏇輪前后的運(yùn)行平穩(wěn)性和穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比研究。研究結(jié)果表明，鏇后6萬公里前，軸箱內(nèi)置車輛的車輪踏面磨耗小于軸箱外置車輛，鏇后里程達(dá)到10萬公里以上時(shí)，兩種車型的磨耗量相當(dāng)。軸箱外置車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性和穩(wěn)定性優(yōu)于軸箱內(nèi)置車輛，同時(shí)對(duì)輪軌狀態(tài)的適應(yīng)性更好?；趦煞N車型的車輛結(jié)構(gòu)特征及其與動(dòng)力學(xué)性能的相關(guān)分析，揭示了兩種車型車輪磨耗和動(dòng)力學(xué)性能差異的內(nèi)在機(jī)理，明確了兩種車型的動(dòng)力學(xué)特性，并提出了兩種車型的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。

直線電機(jī)地鐵；車輪磨耗；平穩(wěn)性；穩(wěn)定性；軸箱布置

直線電機(jī)地鐵誕生于20世紀(jì)80年代的加拿大，之后在日本、中國(guó)、馬來西亞及韓國(guó)等國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。直線電機(jī)地鐵通過布置于車輛上的定子和軌道上的感應(yīng)板之間的電磁相互作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)力，由于其采用非黏著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)地鐵，可以適應(yīng)更小半徑曲線和更大坡度的線路運(yùn)行條件[1]，合理采用直線電機(jī)地鐵運(yùn)營(yíng)模式可以大幅降低地鐵的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本。

目前，國(guó)外直線電機(jī)地鐵技術(shù)主要以加拿大龐巴迪公司的先進(jìn)快速交通和日本的直線電機(jī)技術(shù)體系為主[2-5]，日本的直線電機(jī)技術(shù)是從加拿大引進(jìn)并根據(jù)日本的實(shí)際情況進(jìn)行不斷改進(jìn)后形成的[4]。從車輛結(jié)構(gòu)上而言，前者以軸箱內(nèi)置構(gòu)架和電機(jī)軸懸為代表，后者逐漸形成以軸箱外置和電機(jī)架懸為代表的直線電機(jī)車輛技術(shù)。我國(guó)在20世紀(jì)80年代開始研究直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的運(yùn)載系統(tǒng)，2005年在廣州開通了國(guó)內(nèi)首條直線電機(jī)地鐵線路，之后首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)線以及廣州5號(hào)線和6號(hào)線也相繼開通[6]，至今我國(guó)直線電機(jī)線路里程約占世界總里程的38%，線路里程和日均運(yùn)量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界其他國(guó)家。我國(guó)在引進(jìn)國(guó)外直線電機(jī)車輛的同時(shí)，也開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直線電機(jī)車輛轉(zhuǎn)向架[7]。

近十五年間，隨著直線電機(jī)地鐵在我國(guó)的應(yīng)用和推廣，國(guó)內(nèi)關(guān)于直線電機(jī)車輛和軌道結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)性能的研究不斷涌現(xiàn)，周建樂等[6-7]對(duì)國(guó)內(nèi)外直線電機(jī)車輛的總體技術(shù)進(jìn)行了歸納總結(jié)，分析了直線電機(jī)地鐵的發(fā)展前景；馮雅薇、魏慶超等[8]研究了直線電機(jī)地鐵車輛和軌道的動(dòng)力相互作用，考慮了軌道結(jié)構(gòu)的彈性變形。在我國(guó)直線電機(jī)線路中，存在軸箱內(nèi)置和軸箱外置兩種類型車輛同時(shí)運(yùn)行的情況，車輛在運(yùn)營(yíng)過程產(chǎn)生了不同的動(dòng)力學(xué)行為和運(yùn)營(yíng)問題。文獻(xiàn)[9-10]針對(duì)直線電機(jī)軸箱布置方式對(duì)直線電機(jī)地鐵車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了仿真分析。直線電機(jī)轉(zhuǎn)子和感應(yīng)板之間的間隙對(duì)直線電機(jī)的牽引和制動(dòng)效率有重要影響，啟動(dòng)過程中的顫振還會(huì)引起車輛部件的故障[11]。黃立和曾京等[12]對(duì)高速動(dòng)車組晃車現(xiàn)象的研究表明，由于輪軌型面磨耗導(dǎo)致的等效錐度變化，引起轉(zhuǎn)向架蛇行與車輛模態(tài)耦合是晃車的產(chǎn)生機(jī)理。直線電機(jī)地鐵在運(yùn)營(yíng)過程中同樣存在輪軌異常磨損以及導(dǎo)致的車輛軌道部件破壞、高速晃車、運(yùn)行品質(zhì)下降以及振動(dòng)噪聲突出等問題，不少運(yùn)營(yíng)單位對(duì)采用直線電機(jī)地鐵模式仍存疑惑，能否成功解決這些問題將事關(guān)我國(guó)直線電機(jī)地鐵的未來發(fā)展。

本文基于兩種類型直線電機(jī)地鐵車輛的輪軌磨耗狀態(tài)和車輛動(dòng)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，分析了兩種車型的輪軌磨耗規(guī)律、動(dòng)力學(xué)演變規(guī)律及其產(chǎn)生的原因，為直線電機(jī)車輛的改進(jìn)設(shè)計(jì)以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供參考。

1 線路及車輛情況

線路正線曲線長(zhǎng)度占比達(dá)67.03%，其中，半徑在300 m以內(nèi)曲線17條，占線路總長(zhǎng)11.06%。正線最小曲線半徑為200 m，車場(chǎng)線最小曲線半徑為65 m。正線最大坡度為55‰，出入線段最大坡度為58‰。

車輛采用6輛編組大運(yùn)量直線電機(jī)地鐵列車，部分列車采用軸箱內(nèi)置型式，設(shè)置有抗側(cè)滾扭桿和搖枕結(jié)構(gòu)。另一部分列車采用軸箱外置式結(jié)構(gòu)，取消了搖枕和抗側(cè)滾扭桿。兩種車型均采用軸懸式電機(jī)，吊掛于固定于輪軸的懸掛梁。

列車最高運(yùn)行速度為90 km/h，線路平均速度為35.6 km/h，2015年度線路日均客流量達(dá)98.55萬人次，超高了東京地鐵12號(hào)線8輛直線電機(jī)編組列車的日均運(yùn)量87.896萬人次，運(yùn)量居世界直線電機(jī)列車之最。

2 車輪磨耗規(guī)律

兩種車型車輪均采用LM型踏面，新輪狀態(tài)輪徑為730 mm，磨耗到限輪徑為650 mm，輪對(duì)內(nèi)側(cè)距為1353 mm。圖1所示為兩種車型車輪鏇后里程分別為4.0萬公里和10～12萬公里時(shí)的實(shí)測(cè)廓形和磨耗量統(tǒng)計(jì)曲線。由圖可知，兩種車型車輪的磨耗區(qū)域和磨耗量分布曲線基本類似，車輪磨耗主要以踏面磨耗為主，幾乎無輪緣磨耗，踏面磨耗區(qū)域分布在－30～＋35 mm范圍內(nèi)。隨著鏇后運(yùn)行里程的增加，踏面上逐漸形成以－15 mm和＋10 mm為中心的兩個(gè)磨耗峰值。

圖2所示為兩種車型踏面磨耗量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，隨著鏇后里程的增大，踏面磨耗量也逐漸增大，且隨著鏇后里程的增大，同一列車不同車輪的踏面磨耗量離散性也增大，表明車輪磨耗與車輪在列車中的位置也有關(guān)系。

從圖3中兩種車型車輪踏面平均磨耗量隨鏇后里程的變化曲線可知：1～4萬公里范圍內(nèi)兩種車型的磨耗速率最大；超過4萬公里時(shí)，軸箱外置車輛的車輪磨耗速率顯著下降并趨于穩(wěn)定值，而軸箱內(nèi)置車輛的車輪磨耗速率略高于軸箱外置車輛。整體而言，鏇輪后前6萬公里內(nèi)，軸箱內(nèi)置車輛的車輪磨耗量小于軸箱外置車輛。從磨耗量和磨耗速率的發(fā)展趨勢(shì)上看，超過10萬公里運(yùn)行時(shí)，軸箱外置車輪的磨耗量將與軸箱內(nèi)置車輪相當(dāng)，甚至有可能低于軸箱內(nèi)置車輪。

圖1 兩種車型的車輪典型磨耗特征

圖2 兩種車型不同鏇后里程下的車輪踏面磨耗量統(tǒng)計(jì)值分布

圖3 兩種車型車輪踏面平均磨耗量隨鏇后里程的變化曲線

3 車輛運(yùn)行動(dòng)力學(xué)性能

運(yùn)行平穩(wěn)性是評(píng)價(jià)旅客乘坐舒適度的重要指標(biāo)。按照GB5599-85標(biāo)準(zhǔn)要求，在如圖4所示轉(zhuǎn)向架中心上方橫向距離為1 m處布置垂向和橫向振動(dòng)傳感器，對(duì)測(cè)試得到橫向和垂向振動(dòng)加速度進(jìn)行加權(quán)計(jì)算后得到的Sperling指標(biāo)來評(píng)價(jià)運(yùn)行平穩(wěn)性。其中，2.75～3.0為合格范圍，2.5～2.75為良好，2.5以內(nèi)為優(yōu)秀。

圖4 車輛平穩(wěn)性測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)兩種車型列車鏇輪前后的正線運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行了測(cè)試，圖5為各工況下全線上下行所有區(qū)間的平穩(wěn)性指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)圖。圖中數(shù)據(jù)表明：

（1）兩種車型鏇輪前后的垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)區(qū)間統(tǒng)計(jì)均值均在優(yōu)秀范圍；軸箱外置車輛鏇輪前后的垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值均為優(yōu)秀，軸箱內(nèi)置車輛鏇輪前后的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值為優(yōu)秀，但橫向平穩(wěn)性指標(biāo)各區(qū)間統(tǒng)計(jì)最大值位于良好和合格范圍。相對(duì)而言，兩種車型的橫向平穩(wěn)性要差于垂向，軸箱外置車輛的垂向和橫向運(yùn)行平穩(wěn)性要優(yōu)于軸箱內(nèi)置車輛。

（2）鏇輪前后軸箱外置車輛的垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均值和最大值變化均很小，而軸箱內(nèi)置車輛鏇輪后車輛的橫向和垂向平穩(wěn)性均值和最大值均明顯增大，因此，軸箱外置車輛的平穩(wěn)性受車輪狀態(tài)影響不大，對(duì)輪軌匹配的適應(yīng)性更強(qiáng)。

圖5 兩種車型鏇輪前后的平穩(wěn)性指標(biāo)

構(gòu)架的橫向振動(dòng)加速度可以反映車輛運(yùn)行穩(wěn)定性，TSI-L84及T3188－2007標(biāo)準(zhǔn)中即以經(jīng)低通濾波后的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度的幅值來評(píng)判車輛運(yùn)行穩(wěn)定性。圖6所示為兩種車型鏇輪前后經(jīng)低頻0.5～10 Hz濾波后的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度在各區(qū)間的統(tǒng)計(jì)最大值，橫坐標(biāo)為區(qū)間。圖中數(shù)據(jù)表明，軸箱內(nèi)置車輛鏇輪前后正線運(yùn)行過程中均有區(qū)間的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度的最大值超過8 m/s2，而且鏇后出現(xiàn)的區(qū)間更多，而軸箱外置車輛鏇輪前后正線運(yùn)行所有區(qū)間的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度最大值均未超過8 m/s2。對(duì)軸箱內(nèi)置車輛構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度超過8 m/s2的時(shí)間里程數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一分析表明，超過8 m/s2的情況均為構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度瞬時(shí)增大，并未出現(xiàn)連續(xù)波動(dòng)的失穩(wěn)狀態(tài)，如圖7所示。相對(duì)而言，軸箱內(nèi)置車輛的橫向運(yùn)動(dòng)受線路狀態(tài)及運(yùn)行狀態(tài)的影響要顯著于軸箱外置車輛，軸箱外置式車輛運(yùn)行穩(wěn)定性更不易受輪軌狀態(tài)及運(yùn)行環(huán)境影響。

4 兩種車型動(dòng)力學(xué)性能差異原因分析

前述測(cè)試分析表明，兩種車型車輪磨耗主要以踏面磨耗為主，磨耗分布范圍基本一致。鏇后6萬公里前，軸箱內(nèi)置車輛的車輪磨耗量小于軸箱外置車輛；鏇后里程超過10萬公里時(shí)，軸箱外置車輛的車輪磨耗量與軸箱內(nèi)置車輛相當(dāng)，磨耗速率低于軸箱內(nèi)置車輛。

圖6 兩種車型鏇輪前后構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度（經(jīng)0.5～10 Hz濾波）

動(dòng)力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，軸箱外置車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性和穩(wěn)定性要優(yōu)于軸箱內(nèi)置車輛，且對(duì)輪軌表面狀態(tài)具有更大的適應(yīng)性。為揭示兩種車型在車輪磨耗特性以及動(dòng)力學(xué)性能上差異，對(duì)兩種車型車輛結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行分析，圖8所示為兩種車型的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)圖，軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架采用了搖枕結(jié)構(gòu)和抗側(cè)滾扭桿，二系空氣彈簧連接于搖枕和構(gòu)架，搖枕和車體之間具有類似旁承的間隙結(jié)構(gòu)。軸箱外置式轉(zhuǎn)向架取消了搖枕和抗側(cè)滾扭桿，同時(shí)通過軸箱外置實(shí)現(xiàn)了輪盤制動(dòng)，平衡了電機(jī)吊掛和軸箱載荷對(duì)輪對(duì)彎曲效應(yīng)。

圖9所示為兩種車型的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，軸箱內(nèi)置車輛由于其一系懸掛（包括垂向和縱向）的橫向跨距相比于軸箱外置車輛要小40%以上[13]，因此，在同樣的一系垂向和縱向剛度下，軸箱內(nèi)置車輛的輪對(duì)搖頭剛度和簧上質(zhì)量的側(cè)滾角剛度相對(duì)于軸箱外置車輛要小64%以上。由于相對(duì)較小的搖頭剛度，軸箱內(nèi)置車輛通過曲線時(shí)輪軌力得以下降，具有更好的曲線通過性能，鏇輪后初期運(yùn)行的輪軌磨耗量小。

圖7 軸箱內(nèi)置車輛構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度（經(jīng)0.5～10 Hz濾波）

圖8 兩種車型的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)圖

圖9 兩種車型的車輛結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)示意圖

由于軸箱外置車輛具有更大的簧上側(cè)滾角剛度，同時(shí)不存在如軸箱內(nèi)置車輛搖枕旁承與車體間的間隙所導(dǎo)致的摩擦碰撞，因此，軸箱外置車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性和穩(wěn)定性要優(yōu)于軸箱內(nèi)置車輛，且對(duì)輪軌狀態(tài)具有更大的適應(yīng)性。鏇輪后運(yùn)行初期，軸箱內(nèi)置車輛的磨耗性能具有優(yōu)勢(shì)，而軸箱外置車輛由于其運(yùn)行平穩(wěn)性和穩(wěn)定性能優(yōu)越，若能實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)鏇后里程運(yùn)行，其綜合的輪軌磨耗水平與軸箱內(nèi)置車輛相當(dāng)。

5 結(jié)語

對(duì)某直線電機(jī)地鐵軸箱內(nèi)置和軸箱外置兩種車型的車輪磨耗規(guī)律和車輛運(yùn)行動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

車輪磨耗分析結(jié)果表明：兩種車型的車輪均以踏面磨耗為主，輪緣磨耗很?。惶っ婺ズ姆秶饕植加谔っ妫?0 mm～＋35 mm之間，并形成以內(nèi)側(cè)－15 mm和外側(cè)＋10 mm為中心的雙磨耗峰值。兩種車型在車輪鏇后4萬公里前，車輪磨耗速率最大；鏇后6萬公里前，軸箱內(nèi)置車輛的車輪磨耗小于軸箱外置車輛；超過10萬公里時(shí)，軸箱外置車輛的車輪磨耗量與軸箱內(nèi)置車輛相當(dāng)。動(dòng)力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，軸箱外置車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性和穩(wěn)定性優(yōu)于軸箱內(nèi)置車輛，同時(shí)軸箱外置車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性對(duì)輪軌狀態(tài)的適應(yīng)性更好。

對(duì)于軸箱內(nèi)置車輛而言，在保持其優(yōu)良的曲線通過性能的同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)構(gòu)架及以上結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高運(yùn)行平穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。而軸箱外置車輛整體穩(wěn)健的結(jié)構(gòu)以及較大的簧上側(cè)滾角剛度使其具有良好的動(dòng)力學(xué)性能及對(duì)輪軌狀態(tài)的適應(yīng)性，可考慮優(yōu)化其曲線通過能力，進(jìn)一步降低輪軌磨耗，實(shí)現(xiàn)兩種車型的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

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Experimental Investigation of Wear Characteristic and Dynamic Performance of Linear Metro Vehicles

LIU Wei1，ZHANG Xiongfei1，ZHANG Dongmei1，GUAN Qinghua2，WEN Zefeng2

( 1.CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China;2.State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

Field survey and theoretical analysis on the wear characteristic and dynamic performance of linear metro vehicles with inner/outer axle box layouts are carried out respectively. The wear form, wear range and wear rate are compared based on the test results of the worn wheel profiles of two types of vehicles with different axle-box layouts in different mileages. The ride quality and running stability of the two types of vehicles are also analyzed based on the running tests before and after wheel reprofiling. The test results indicate that the vehicle with inner axle-box has lower level of wheel wear when the mileage is less than 60,000 km after wheel reprofiling. The two types of vehicle have similar wheel wear rate when the running mileage after wheel reprofiling is more than 100,000 km. The vehicle with outer axle-box have better ride quality and running stability. The intrinsic mechanisms of the differences in wheel wear and dynamic performance of the vehicles with two types of axle box layouts are discussed on the basis of the analysis of the vehicle structures and their dynamic properties. The suggestions on the optimization of the two types of vehicles are also proposed respectively.

linear metro；wheel wear；ride quality；running stability；axle box layout

U211.5；U260.11+1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.04.008

1006－0316 (2020) 04－0044－07

2019－12－17

牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（2020TPL-T02）；四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2019YFH0053）

劉偉（1987－），山東臨沂人，工程師，主要從事城軌車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)工作；張雄飛（1977－），河北石家莊人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事軌道車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)工作。

關(guān)慶華（1981－），河南澠池人，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檐囕v軌道動(dòng)力學(xué)、輪軌關(guān)系、軌道車輛運(yùn)行安全性研究，guan_qh@163.com。