地鐵車輪不對稱磨耗對車輛動力學(xué)性能的影響解析

韓守超 史可凡

摘 要：本文主要分析了地鐵車輪不對稱磨耗對車輛動力學(xué)性能的影響。然后闡述了地鐵車輪不對稱磨耗與地鐵車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型，最后對車輪不對稱磨耗、對輪軌橫向力的影響、對輪軌垂向力的影響等進行總結(jié)，主要目的是能夠在最大程度上減少不對稱磨耗情況出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：地鐵;車輪;不對稱;磨耗;車輛;動力學(xué)性能

1、地鐵車輪不對稱磨耗分析

在如今社會快速發(fā)展背景下，城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展，為人們出行、城市進步提供更多便利。地鐵車輛如今已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂兄械闹匾M成部分，具有間距短特點、制動頻繁特點等，因此，車輪也不可避免會出現(xiàn)磨損情況，這一問題的出現(xiàn)，會在不同程度上對車動力學(xué)性能產(chǎn)生直接影響。在二十世紀(jì)八十年代，人們開始對車輪型面磨耗、車輪不圓等方面研究車輪在出現(xiàn)損傷情況下，對地鐵車輛動力學(xué)性能的影響。國外學(xué)者在車輪磨損分析中，主要是對機車曲線通過能力的影響研究，結(jié)果顯示車輛磨損問題的出現(xiàn)，會影響車輛通過曲線時的安全性能，與此同時，車輪蛇形運動會更加明顯[1]。通過創(chuàng)建鋼軌仿真模型等不同方式分析可以了解到，不同車輪型面磨損程度，會對地鐵車輛動力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響。在不同里程背景下，車輛踏面磨耗相對均勻，在外形方面沒有太大差異，但輪緣磨損相對明顯。

2、地鐵車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型

本文主要結(jié)合某地鐵車輛主要運行參數(shù)情況進行建模與仿真計算，在這一過程中，要對列車正常運行狀態(tài)進行充分考慮與分析，選用地鐵車輛正常承載時的車體質(zhì)量，具體模型的創(chuàng)建如圖一所示。根據(jù)圖一具體參數(shù)情況，工作人員可以使用軟件，創(chuàng)建地鐵單車拖車動力學(xué)模型，可以對拖車進行簡化，簡化成為一個車體、兩個構(gòu)架、四個輪對以及八個軸箱。除了軸箱以外，其他剛體會沿著三個坐標(biāo)軸，產(chǎn)生伸縮振動、橫移振動以及浮沉振動等。與此同時，根據(jù)三個坐標(biāo)軸，還能夠形成側(cè)滾振動、搖頭振動等。不同剛體包括六個自由度，軸箱能夠簡化成為垂向振動，這屬于一個自由度，共包括五十個自由度。可以將兩個一系彈簧，安裝在轉(zhuǎn)向架與軸箱之間，同時在轉(zhuǎn)向架與車體之間，還要設(shè)置垂向非線性彈力元。根據(jù)相應(yīng)地鐵設(shè)計規(guī)范，對運行路線進行合理設(shè)置，比如，設(shè)置總長度為1200m的s型路線，同時根據(jù)兩個曲線段，進行長度與超高值的設(shè)置。

3、車輪不對稱磨耗分析

在具體地鐵車輛運行中，每一位輪對左右側(cè)車輪磨耗會在不同程度上出現(xiàn)差異，特別是在線路設(shè)置不均勻情況下，因為輪對自身會存在輪徑差問題，相同轉(zhuǎn)向架的四個車輪磨耗會存在差異。此類車輪不對稱磨耗問題的出現(xiàn)，會導(dǎo)致車輪不對稱接觸問題逐漸嚴重，從而造成車輪損傷，影響動力學(xué)性能。車輪不對稱磨耗具體分析如下：

（1）在對地鐵車輛磨損情況進行測量時，可以對Calipri非接觸式輪軌外型測量儀進行合理利用，通過對這一設(shè)備的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對輪緣寬度參數(shù)、輪緣高度參數(shù)情況的有效檢測，整個系統(tǒng)精確度較高，通常是≤±15μm，可重復(fù)精度≤15μm。在具體測量工作落實中，要對列車四十八個車輪，在運行0km、30000km時的車輪型面情況，每個車輪至少測量五次，并計算平均值。圖二是某節(jié)拖車1#車輪分別在0km、30000km時，監(jiān)測的車輪型面圖。通過監(jiān)測工作的落實，以及數(shù)據(jù)信息分析可以了解，車輪磨損往往集中在輪緣上，輪緣磨損較為嚴重，踏面磨損并不明顯，可以忽略不計。造成這一問題的主要原因是，可能受到線路曲線比例大影響、運行里程短影響等。在實際分析中還可以了解到，前轉(zhuǎn)向架左側(cè)車輪輪緣處磨損情況，往往會超過右側(cè)車輪磨損情況，而后轉(zhuǎn)向架右側(cè)位置車輪輪緣處磨損情況相較于左側(cè)車輪輪緣處磨損更加嚴重，這就屬于不對稱磨損。除此之外，在前轉(zhuǎn)向架與后轉(zhuǎn)向架之間會出現(xiàn)反相不對稱磨損情況。

（2）車輪不對稱磨耗工況設(shè)置分析。結(jié)合上述不同的不對稱磨耗情況，工作人員在具體工作開展中，可以設(shè)置不同工況，對車輛動力學(xué)性能影響進行分析與了解[2]。比如，工況1屬于初始型面，同時將工況1作為車輛系統(tǒng)模型準(zhǔn)確性、合理性檢驗的標(biāo)準(zhǔn)工況，如果在這一工況中計算的不同動力學(xué)參數(shù)，都能夠在有效范圍內(nèi)，那么可以開展不同工況下的對比分析工作。工況2屬于同相不對稱磨耗、工況3為反相不對稱磨耗、工況4為前后不對稱磨耗。

4、地鐵車輪不對稱磨耗對車輛動力學(xué)性能的影響分析

4.1對輪軌橫向力的影響

在五百米到七百米的右轉(zhuǎn)曲線段中，后三種工況的左側(cè)車輪，通常會將其用作爬軌側(cè)車輪，會受到較大輪軌橫向力影響，但在大小上沒有太大差別。而在八百米到一千米的右轉(zhuǎn)曲線段，右側(cè)車輪將其作為爬柜側(cè)車輪，需要承受較大橫向力。在這一過程中，工況4左右側(cè)橫承受的橫向力要小于其他三種工況，在非爬軌側(cè)，工況2左側(cè)車輪橫向力要超過其他三種工況。

4.2對輪軌垂向力的影響

通過相關(guān)對比分析可以了解到，四種工況輪軌垂向力并沒有很大差異，在右轉(zhuǎn)曲線的緩和線段當(dāng)中，左側(cè)車輪輪軌垂向力具有先增大后減小特點，而右側(cè)車輪輪軌垂向力屬于先減小后增大。左轉(zhuǎn)曲線段有側(cè)車輪輪軌垂向力逐漸增加，而左側(cè)車輪輪軌垂向力逐漸減小。

4.3對脫軌系數(shù)的影響

在非曲線段中，因為會受到輪軌橫向力的影響，工況3的脫軌系數(shù)相較于其他三種工況更高，但數(shù)值并不大。在右轉(zhuǎn)曲線段中，不同工況的脫軌系數(shù)之間并沒有存在較大差異，都能夠在安全限制內(nèi)。在左轉(zhuǎn)曲線段中，如果將右側(cè)車輪作為爬軌，那么工況2與工況3的脫軌系數(shù)要高于工況4的脫軌系數(shù)，工況2的脫軌系數(shù)更大。

結(jié)束語：

綜上所述，地鐵車輪不對稱磨耗問題的出現(xiàn)，會在不同程度上對車輛動力學(xué)性能產(chǎn)生影響，因此，針對不對稱磨耗情況需要相關(guān)工作人員能夠給予更多重視與關(guān)注。結(jié)合實際情況，給出有效措施，盡量減少不對稱磨耗情況出現(xiàn)。

參考文獻：

[1]陳佳明，趙鑫，蔡宇天，劉永鋒，陶功權(quán)，溫澤峰.地鐵車輪輪緣根部滾動接觸疲勞機理研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2020，17（09）：2372-2380.

[2]于春廣，陶功權(quán).地鐵車輪磨耗測試及數(shù)值仿真[J].工程力學(xué)，2016，33 （01）：201-208+245.