基于SIMPACK 探究車輪型面演化對(duì)列車曲線通過(guò)性能的影響

王子

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

前言

當(dāng)列車通過(guò)曲線線路時(shí)，輪軌間的作用力比通過(guò)直線時(shí)要更加的復(fù)雜，會(huì)使車輪和鋼軌間的磨耗加重。列車通過(guò)曲線時(shí)，輪軌間的相互作用力越小、越平穩(wěn)，曲線通過(guò)性能越好，反之則曲線通過(guò)性能就越差。本文主要仿真分析輪軌橫向力、脫軌系數(shù)兩個(gè)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。

一、模型建立與工況設(shè)置

跟蹤選擇測(cè)試某型運(yùn)行速度為200 km/h 動(dòng)車組。在完整的車輪鏇修周期內(nèi)，共進(jìn)行了10 次車輪型面測(cè)試。根據(jù)運(yùn)行里程選取1 號(hào)車其中6 次車輪型面測(cè)量數(shù)據(jù)并編號(hào)。如表1 所示。

表1 車輪不同演化階段編號(hào)

本章設(shè)置工況：直線300 m，入緩和曲線800 m，圓曲線800 m（半徑5500 m），出緩和曲線800 m，直線300 m。列車運(yùn)行速度為180 km/h，外軌超高設(shè)置為30 mm，該工況屬于欠超高工況。

以上工況均考慮無(wú)激勵(lì)的情況和有激勵(lì)的情況，計(jì)算采樣頻率為200 Hz。

動(dòng)車車輛系統(tǒng)包括車體和轉(zhuǎn)向架兩個(gè)重要組成部分，它們之間通過(guò)彈性懸掛裝置進(jìn)行連接。具有彈簧懸掛系統(tǒng)的動(dòng)車車輛是一個(gè)具有多種自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，車輛會(huì)隨著運(yùn)行的過(guò)程中產(chǎn)生紛繁復(fù)雜的振動(dòng)現(xiàn)象。

本文利用SIMPACK 軟件對(duì)國(guó)內(nèi)某型號(hào)高速動(dòng)車組進(jìn)行車輛動(dòng)力學(xué)建模，并對(duì)其進(jìn)行多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析，得出動(dòng)車車輪踏面在不同演化階段對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的影響，如車輛的平穩(wěn)性、穩(wěn)定性、曲線通過(guò)性能等等。

在建立車輛模型的時(shí)候，對(duì)其影響較大的各種因素盡可能的按照實(shí)際情況進(jìn)行模擬處理。而對(duì)于影響較小的因素可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行簡(jiǎn)化處理。車輛模型系統(tǒng)中除一系、二系彈簧懸掛裝置外，各個(gè)部件如車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車輪輪對(duì)等都視為剛體，把軸箱、彈性懸掛、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等系列裝置的質(zhì)量合并到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，輪對(duì)、構(gòu)架和車體的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通過(guò)Body 來(lái)定義，把一系、二系彈簧懸掛裝置簡(jiǎn)化成彈簧和阻尼器的布置方式，各個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)均按照實(shí)際的參數(shù)數(shù)據(jù)編入，模型中彈簧減振器采用力元（Force Elements）的形式定義，一系彈簧懸掛裝置和空氣彈簧均采用05 號(hào)力元（Spring-Damper Parallel Cmp），抗蛇行減振器、垂向減振器和橫向減振器均采用06 號(hào)力元（Spring-Damper Serial PtP），軸箱定位采用43 號(hào)力元（Bushing Cmp），抗蛇行減振器、垂向減振器、橫向減振器阻尼的非線性特征通過(guò)定義函數(shù)來(lái)表示，為了在調(diào)用子結(jié)構(gòu)時(shí)方便車體與轉(zhuǎn)向架的連接，轉(zhuǎn)向架上設(shè)置了一個(gè)虛體搖枕，使其與車體零自由度固接，在車輛模型中共有34 個(gè)自由度：即車體和每個(gè)構(gòu)架分別有個(gè)6 自由度，每個(gè)輪對(duì)有4 個(gè)自由度，所有部件的連接方式采用鉸接Joint 形式連接。

二、輪軌橫向力

隨著車輪磨耗的增加各個(gè)車輪在通過(guò)圓曲線階段的輪軌橫向力均有了不同程度的增加，且前轉(zhuǎn)向架的各個(gè)車輪的輪軌橫向力要大于后轉(zhuǎn)向架各個(gè)車輪的輪軌橫向力。以1W1 型面為例，其中1 位輪對(duì)的橫移量最大，達(dá)到了11.4 mm，在通過(guò)曲線時(shí)發(fā)生了車輪輪緣與鋼軌接觸，這是因?yàn)榍稗D(zhuǎn)向架的前導(dǎo)輪對(duì)在車輛通過(guò)曲線時(shí)起著導(dǎo)向的作用，其所受到的輪軌橫向力最大，而3 位和4 位輪對(duì)的輪對(duì)橫移量較小，所以車輪所受到的輪軌橫向力較小。

各個(gè)車輪在進(jìn)入緩和曲線時(shí)其輪軌橫向力呈先增大后減小的趨勢(shì)，出緩和曲線時(shí)其輪軌橫向力呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的趨勢(shì)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于各輪對(duì)的搖頭角在通過(guò)曲線時(shí)發(fā)生了變化。仍以1W1 型面為例，各個(gè)輪對(duì)在通過(guò)緩和曲線時(shí)輪對(duì)搖頭角呈先增大后減小，在通過(guò)圓曲線時(shí)保持不變，出緩和曲線時(shí)呈先減小后增大再減小的趨勢(shì)。

在工況條件下，可以得出前轉(zhuǎn)向架各個(gè)車輪的最大輪軌橫向力隨著車輪踏面磨耗的增大而增大，2 號(hào)車輪和4 號(hào)車輪的最大輪軌橫向力大于其同軸的1 號(hào)車輪和3 號(hào)車輪，這是因?yàn)楣r屬于欠超高工況，需要2 號(hào)車輪輪緣與鋼軌發(fā)生接觸來(lái)提供未平衡的離心力，又因?yàn)? 號(hào)車輪起著導(dǎo)向作用，所以在前導(dǎo)轉(zhuǎn)向架四個(gè)車輪中，2 號(hào)車輪的輪軌橫向力最大。在線路上施加激勵(lì)后，各個(gè)車輪的輪軌橫向力都有了顯著地提升，但都小于額定的最大輪軌橫向力，如圖1、圖2 所示。

圖1 通過(guò)圓曲線最大輪軌橫向力（無(wú)激勵(lì)）

圖2 通過(guò)圓曲線最大輪軌橫向力（有激勵(lì)）

三、脫軌系數(shù)

隨著車輪磨耗的增加各個(gè)車輪在通過(guò)圓曲線階段的脫軌系數(shù)也隨之增大如表2 所示。

表2 不同演化階段脫軌系數(shù)

對(duì)軌道施加激勵(lì)后，各個(gè)車輪通過(guò)曲線時(shí)的脫軌系數(shù)都有了不同程度的增加，但都小于0.8。通過(guò)1 號(hào)車在不同演化階段通過(guò)圓曲線時(shí)前導(dǎo)轉(zhuǎn)向架的各個(gè)車輪脫軌系數(shù)可以得出，前導(dǎo)轉(zhuǎn)向架的前導(dǎo)輪對(duì)的脫軌系數(shù)要大于其它輪對(duì)，這是因?yàn)榍皩?dǎo)輪對(duì)在通過(guò)曲線時(shí)起著導(dǎo)向的作用，工況相較于其它輪對(duì)惡劣，輪軌橫向作用力較大，所以其脫軌系數(shù)高。

四、結(jié)束語(yǔ)

本章主要模擬分析了車輛在車輪不同演化階段的曲線通過(guò)性能：輪軌橫向力、脫軌系數(shù)。曲線通過(guò)速度為180 km/h，曲線半徑為5500 m，設(shè)置欠超高工況。以上工況均考慮無(wú)激勵(lì)的情況和有激勵(lì)的情況。并得出以下結(jié)論：

（一）兩種工況中，輪對(duì)橫移量、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)均隨著車輪磨耗演化的增加而增大，其中在磨耗后期增幅最大。1 位輪對(duì)作為前導(dǎo)輪對(duì)所受到的輪軌橫向力和脫軌系數(shù)最大。

（二）不同的超高工況對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能有直接的影響。在欠超高工況下，需要外側(cè)車輪來(lái)平衡離心力，所以同軸外側(cè)車輪的輪軌橫向力要大一些。有激勵(lì)曲線與無(wú)激勵(lì)曲線各指標(biāo)變化規(guī)律相似，各指標(biāo)均在安全限度內(nèi)。

隨著我國(guó)成功開(kāi)展“動(dòng)車組技術(shù)引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新”，我國(guó)進(jìn)入全新的高速鐵路階段，對(duì)于車輪踏面演變的研究，以及踏面鏇修策略的研究對(duì)為分析動(dòng)車組運(yùn)動(dòng)學(xué)的變化，減輕輪軌損傷，改善車輛動(dòng)力學(xué)性能，提高鐵路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有重要意義[1]。