车轮磨耗和镟修对高速动车组动力学性能的影响

阮保荣，王 琦

（1.北京京北职业技术学院 机电工程系，北京 101400；2.武汉铁路局 武汉动车基地，湖北 武汉430000）

随着强，列导车致运轮行轨速磨度耗的加提剧高。，轮轮轨轨磨间耗相对互轮作对用产加生的最直接影响是造成车轮不圆、轮径产生偏差和车轮型面发生改变。其中，车轮型面改变必将伴随名义滚动圆半径和等效锥度的变化，这些变化都将直接反映到轮轨接触几何关系中，从而影响到车辆的动力学性能。有关专家学者们十分重视这方面的研究，包括非线性轮轨接触模型对铁道车辆动力学性能影响[1]；利用仿真计算磨耗对车轮型面的影响[2]；针对不同轮轨的几何匹配、轮轨结构参数，对动力学性能的影响进行比较[3-5]；着重于轮轨型面的设计与动态接触问题研究[6-7]；车轮踏面的轮径差对车辆动力学性能的影响[8]。因此，车轮的磨耗和镟修对高速动车组的动力学性能影响尤为突出。

1 建立仿真模型

在仿真计算中采用 ERRI 标准考题的车辆模型作为研究对象，使用动力学仿真软件 admas/rail 建立高速车辆动力学模型。模型由1个车体、2 个构架、8 个轴箱和4个轮对构成，如图1所示。轨道不平顺采用武广高速铁路实测的数据资料。

构架与车体之间通过悬挂单元和阻尼器连接。悬挂单元定义了二系纵向、二系垂向和二系横向连接刚度；构架与车体之间的阻尼器包括垂向、横向和纵向阻尼器，分别定义二系垂向减振器、二系横向减振器和抗蛇行减振器的阻尼特性。考虑到构架与车体之间的横向相对位移增大到一定值时，会产生很大的力，模型中采用止挡单元 (Bumpstop) 来模拟这种现象。

2 车轮磨耗和镟修后的轮轨接触状态分析

研究轮轨接触选用 S1002G 新轮、磨耗后旧轮和镟修后车轮踏面与 CHN60 钢轨的轮轨匹配情况，其中磨耗后旧轮走行了 26万 km，其计算结果如图2—图4所示。

良好的轮轨接触几何关系是接触点应尽可能在车轮踏面上均匀分布开来，这样车轮的磨耗分布开来，有利于车轮型面的稳定。同时接触点又不能分布太大，如果分布的太开，影响车辆的蛇行稳定性。所以良好的轮轨接触几何关系需要同时考虑车轮型面的保持和车辆的蛇行稳定性问题。由图2 和图4的不同车轮接触点分布可知，镟修后的车轮踏面与 CHN60 钢轨接触时的接触点分布基本与S1002G 新轮踏面的接触点分布一致，接触点分布较宽且比较均匀。由图3可以看出磨耗后的车轮踏面与 CHN60 钢轨的轮轨接触点分布情况，踏面上轮轨接触点分布过于集中，而且有很明显跳移现象，这不利于车轮型面保持。

当名义滚动圆间距为 1.5 m 时，3 组 S1002G 车轮踏面与 CHN60 钢轨匹配的等效锥度比较如图5所示，磨耗后旧轮踏面的等效锥度最大，这样高的等效锥度将严重影响车辆的临界速度，从而影响行车安全。当横移量大于 2 mm 时，镟修后车轮踏面与S1002G 新轮踏面的等效锥度曲线接近；当横移量小于 2 mm 时，镟修后车轮踏面比 S1002G 新轮踏面的等效锥度稍大一点。由此也可看出，镟修后车轮的等效锥度明显降低，改善了磨耗后车轮型面不好的轮轨匹配情况。

图5 CHN60 与 3 种车轮踏面匹配时的等效锥度比较

3 车轮磨耗和镟修对车辆稳定性的影响

临界速度是高速车辆稳定性的一个最主要参数，以车辆临界速度为参考研究车轮磨耗和镟修对车辆稳定性的影响。

铁道车辆系统的临界速度分为线性临界速度和非线性临界速度，线性临界速度是使用 adams/rail仿真软件通过求解线性化系统的特征值得到的，非线性临界速度是实际系统的临界速度，其值往往小于线性临界速度。在钢轨选用 CHN60 的情况下，不同车轮踏面对车辆临界速度的影响如表1所示。

表1 不同车轮踏面对车辆临界速度的影响

从表1可以看出，车轮的磨耗对车辆临界速度影响比较大，明显降低了车辆临界速度。车轮镟修可以重新提高车辆临界速度，因此对于高速铁路需要重点监控车轮磨耗情况，制定一个合理的车轮镟修制度，以保障高速铁路列车运行安全。

4 车轮磨耗和镟修对车辆平稳性的影响

将建立的高速车辆模型分别在 250 km/h、280 km/h、300 km/h、330 km/h、350 km/h、380 km/h这6个不同速度等级下进行仿真计算，轨道不平顺使用武广高速铁路实测的数据资料，使用 Sperling平稳性计算方法，分别计算3种车轮踏面情况下的车辆横向平稳性和垂向平稳性，计算结果如图6、图7所示。

图6 3 种车轮踏面在不同速度等级下的横向平稳性比较

图7 3 种车轮踏面在不同速度等级下的垂向平稳性比较

从图6、图7可以看出，车轮磨耗时的车辆平稳性指标明显升高，平稳性显著下降，其中横向平稳性下降最多，说明车轮磨耗对车辆的横向平稳性影响最大。车轮镟修后的车辆平稳性指标迅速下降，平稳性提高，和新轮相比有小幅升高，但差别不大，平稳性依然属于优。说明车轮镟修后可以显著改善车轮磨耗后的车辆平稳性，改善轮轨匹配状态，提高车辆平稳性。

5 结论

（1）车轮磨耗后的轮轨接触情况不理想，有明显的跳移现象，车轮的等效锥度明显增大，车轮镟修后的轮轨匹配情况明显得到改善，在横移量大于2 mm 后，其等效锥度曲线与新轮几乎一致。

（2）车轮磨耗后的车辆稳定性 (临界速度) 远低于新轮和镟修后车轮，新轮和镟修后车轮在临界速度方面差别不大。临界速度关系到车辆运行安全，因此需要加强监控车轮的磨耗情况，保障车辆的运行安全。

（3）在平稳性方面，车轮磨耗后车辆平稳性远低于新轮和镟修后车轮。其中，车轮磨耗对车辆的横向平稳性影响最大。车轮镟修后车辆平稳性与新轮差别不大。因此，镟修车轮可以明显改善车轮磨耗对车辆平稳性的影响，有效改善轮轨匹配状态。

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