不同磨耗階段貨車車輪動(dòng)力學(xué)分析

劉陽

摘 要：根據(jù)某站場(chǎng)實(shí)測(cè)的C70貨車車輪型面，應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件UM仿真分析了不同車輪磨耗時(shí)期下，貨車動(dòng)力學(xué)性能的變化情況。結(jié)果表明：隨著磨耗量的增加，貨車的臨界速度和平穩(wěn)性有所降低，但都處于合格等級(jí)下。標(biāo)準(zhǔn)LM型面車輪踏面與60 kg/m匹配狀態(tài)最佳。磨耗初期，貨車車輛的曲線通過性能略差，但都滿足曲線通過性能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，到了磨耗后期，曲線通過性能反而最佳。

關(guān)鍵詞：磨耗車輪;型面;貨車;動(dòng)力學(xué)

中圖分類號(hào)：U270.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著鐵路貨車軸重的提高，車輛與線路動(dòng)態(tài)耦合作用明顯增加，車輪與鋼軌磨耗加劇，從而減低了車輛運(yùn)行的安全性并增加了運(yùn)營(yíng)成本[1]。車輛運(yùn)行時(shí)，車輪和鋼軌型面的完美匹配既可以有效降低輪軌間的動(dòng)力作用，又可以改善車輛曲線通過性能，提高車輛失穩(wěn)的臨界速度。

選擇適當(dāng)?shù)能囕喰兔妫粌H能降低輪軌間磨耗，還能減少維修成本，延長(zhǎng)車輪使用壽命和旋修周期[2]。C70型貨車是鐵路貨運(yùn)通用車輛，國(guó)鐵貨車中載重70 t的通用貨車已超過30萬輛。C70型貨車車輪主要故障有車輪踏面擦傷，踏面剝離，踏面圓周磨耗等。踏面圓周磨耗，輪緣垂直磨耗，踏面擦傷及局部凹陷，踏面剝離，車輪裂紋等直接威脅行車安全[3-4]。

本文以C70型貨車為基礎(chǔ)，從輪軌關(guān)系角度出發(fā)，基于不同磨耗階段的貨車車輪型面，應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件UM進(jìn)行仿真計(jì)算分析，比較不同磨耗時(shí)期車輪型面對(duì)貨車車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，分析直線運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性以及曲線通過性能，為貨車車輪型面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

1 C70貨車動(dòng)力學(xué)建模和輪軌接觸計(jì)算

1.1 C70貨車動(dòng)力學(xué)模型

應(yīng)用輪軌型面測(cè)量?jī)x對(duì)成都北車輛段內(nèi)30節(jié)C70貨車車輪的外形進(jìn)行了測(cè)量分析，這些車輪型面數(shù)據(jù)包含了從標(biāo)準(zhǔn)型面至磨耗到限的各個(gè)階段型面，如圖1所示。在這些型面中選取6個(gè)典型車輪型面，如圖2所示。從圖中可以看出，貨車車輪主要是車輪踏面和輪緣根部磨耗較為明顯。

以C70貨車為研究對(duì)象，該貨車采用轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架，該轉(zhuǎn)向架主要由1個(gè)搖枕、2個(gè)側(cè)架、4個(gè)承載鞍、2根車軸、4個(gè)斜楔、1組交叉拉桿等構(gòu)成。利用UM軟件建立該貨車的動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示。將測(cè)得的車輪型面數(shù)據(jù)導(dǎo)入到UM中，鋼軌型面選用60 kg/m進(jìn)行計(jì)算分析。

1.2 輪軌接觸計(jì)算分析

計(jì)算不同磨耗時(shí)期車輪型面與60 kg/m鋼軌型面的靜態(tài)接觸點(diǎn)位置，如圖4所示。隨車輪踏面的磨耗，輪軌接觸點(diǎn)的位置從鋼軌頂面移向鋼軌軌距角，車輪上的接觸點(diǎn)從踏面中心移向輪緣根部。LM型踏面與60 kg/m鋼軌匹配最好，接觸點(diǎn)較均勻分布，其他型磨耗后的車輪與60 kg/m接觸性能較差，出現(xiàn)了接觸點(diǎn)跳躍較大情況。

2 動(dòng)力學(xué)性能分析

2.1 非線性臨界速度

去掉軌道不平順，讓車輛在較高速度下運(yùn)行一段時(shí)間后，給車輛一加速度，車輛的速度逐漸減小至車輛振動(dòng)收斂，此時(shí)運(yùn)行速度為蛇行臨界速度。計(jì)算不同磨耗階段貨車非線性臨界速度如圖8所示。計(jì)算結(jié)果表明，C70車輛在標(biāo)準(zhǔn)LM型踏面狀態(tài)下的非線性臨界速度最高為176 km/h，隨著磨耗的增加，臨界速度有所減小，說明隨著磨耗的增加，車輛的穩(wěn)定性逐漸變差。但是均大于該貨車最高的運(yùn)行速度120 km/h。

2.2 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性分析

根據(jù)GB5599-85《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》規(guī)定：貨車運(yùn)行的平穩(wěn)性指標(biāo)按以下公式計(jì)算[5]：

式中：W——平穩(wěn)性指標(biāo); A——振動(dòng)加速度，g; f——振動(dòng)頻率，Hz;F（f）——頻率修正系數(shù)。

依據(jù)平穩(wěn)性指標(biāo)W確定貨車運(yùn)行平穩(wěn)性的等級(jí)與表1所示，表中，垂向和橫向平穩(wěn)性采取相同的評(píng)定等級(jí)。

依據(jù)UM動(dòng)力學(xué)軟件，選用美國(guó)五級(jí)譜（ARR5）作為軌道激勵(lì)進(jìn)行仿真，分析6種型面的貨車以120 km/h的速度運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性指標(biāo)如圖9所示。不同時(shí)期磨耗車輪對(duì)車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)基本上沒有太大影響，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均合格。但是，不同時(shí)期磨耗車輪對(duì)車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)影響較大，隨著踏面和輪緣根部磨耗加劇，車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)數(shù)值越來越大，標(biāo)準(zhǔn)LM型車輪踏面的橫向平穩(wěn)性最好，但是所有橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均合格。

2.3 曲線通過性能分析

車輛曲線通過性能主要采用脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)評(píng)定。仿真設(shè)置的曲線線路為：曲線半徑400 m，圓曲線長(zhǎng)度200 m，緩和曲線長(zhǎng)度90 m，貨車運(yùn)行的速度為80 km/h，軌道激勵(lì)選擇美國(guó)五級(jí)譜（ARR5）。根據(jù)TB/T 2360-93中規(guī)定，脫軌系數(shù)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：按優(yōu)、良、合格三個(gè)等級(jí)進(jìn)行劃分，對(duì)應(yīng)的脫軌系數(shù)（Q/P）分別為：0.6、0.8、0.9，仿真計(jì)算脫軌系數(shù)如圖10所示。隨著磨耗量的增加，脫軌系數(shù)并非線性增加，磨耗初期（I型踏面），還未達(dá)到穩(wěn)定期，脫軌系數(shù)達(dá)到了最大為0.431，但也為優(yōu)秀等級(jí)。隨著磨耗增加達(dá)到了與鋼軌匹配的穩(wěn)定時(shí)，磨耗后期的車輪型面脫軌系數(shù)有所減小，安全性相對(duì)較高。根據(jù)GB5599-85中規(guī)定，輪重減載率為0.65為第一限度，0.6為第二限度。按照上述條件，仿真計(jì)算了不同車輪型面與60 kg/m鋼軌匹配時(shí)車輪輪重減載率，如圖11所示。圖中可以看出磨耗后期的輪重減載率小于磨耗初期的輪重減載率，最大輪重減載率發(fā)生在磨耗初期（I型車輪踏面），但是各輪重減載率都處于第二限度內(nèi)。

3 結(jié)論

根據(jù)成都北站實(shí)際測(cè)量的C70貨車車輪型面，應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)UM軟件仿真計(jì)算了不同磨耗時(shí)期車輪的貨車的動(dòng)力學(xué)性能，得到如下結(jié)論：

（1）車輪磨耗主要發(fā)生在車輪踏面和輪緣根部位置，隨著磨耗量增加，輪軌接觸性能變差，輪軌接觸點(diǎn)分布越不均勻，接觸點(diǎn)跳躍較大，車輪上的接觸點(diǎn)位置由踏面中心移向輪緣根部。

（2）隨著磨耗量增加，貨車非線性臨界速度下降，但均大于貨車最高運(yùn)行速度。橫向平穩(wěn)性指標(biāo)有所惡化，但均處于合格等級(jí)內(nèi)。垂向平穩(wěn)性變化不大，新車輪LM型踏面的臨界速度最高，平穩(wěn)性最好。

（3）隨著磨耗量的增加，貨車的曲線通過性能基本不變，但磨耗初期的曲線通過性能最低，磨耗后期脫軌系數(shù)和輪重減載率不斷下降。

參考文獻(xiàn)：

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