初始轮径差对高速列车动力学性能的影响研究*

李润华，宋永增，徐海滨

(北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京100044)

初始轮径差对高速列车动力学性能的影响研究*

李润华，宋永增，徐海滨

(北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京100044)

利用多体动力学软件SIMPACK，针对某高速列车转向架中存在的初始轮径差进行动力学仿真，并依据其仿真结果研究初始轮径差的限度制定标准。结果表明:初始轮径差在－0.5～+0.5 mm的范围内，对列车运行稳定性与轮轨磨耗影响较大，对曲线通过安全性影响较小，对列车运行平稳性几乎没有影响。仿真结果对动车组目前规定的初始轮径差限度的进一步完善具有指导意义。

高速列车;初始轮径差;限度;动力学性能

理想状态下车辆的各轮对左右车轮具有相同的直径，但在实际生产过程中，由于受到生产工艺和机械加工精度的影响，导致轮对左右车轮直径不一致而产生初始轮径差(Rolling Radius Difference，简称RRD)。如果轮对存在初始轮径差，那么轮对在滚动过程中就会偏离轨道中心线，不但容易出现轮对偏磨，导致轮轨磨耗加剧，而且使轮轨接触几何关系发生改变，对车辆系统运行的稳定性也会产生影响。因此，必须严格控制初始轮径差容许限度。

目前，国内虽有众多学者在轮径差对车辆运行性能的影响方面进行过研究［1-10］，但对轮径差容许限度问题的研究却很少。本文将着重分析车辆转向架初始轮径差对列车运行动力学性能的影响，根据主要评定指标的变化幅度与范围，探讨轮对初始轮径差合理的匹配关系及所研究范围内的安全裕度，为轮对组装和检修限度的制订提供理论参考。

1 轮径差的限度标准

按照我国目前的检修规章要求，轮径差限度可以分为两类，一类是在运用过程中，车轮由于擦伤或磨耗而导致同一转向架中轮径不一致的轮径差限度。如果同轴轮径差≥0.5～1 mm、同转向架轮径差≥2～4 mm及同一车辆轮径差≥3～10 mm时，就需要将未伤损的车轮也进行旋修，以达到检修规章要求的轮径匹配关系。另一类是在新轮对组装过程中，同一轮对两车轮直径选配时的容许限度。目前，我国动车组轮对组装技术条件中规定同轴轮径差≤0.3 mm。同轴轮径差规定的限度越严格，对提高转向架组装质量越有利，但对踏面旋修精度的要求也越高，势必增加生产成本、降低生产效率。因此，有必要探讨更为科学合理的初始轮径差限度，在保证轮对组装质量的前提下，提高轮对组装的生产率及车轮的利用率。

2 初始轮径差对平衡位置的影响

列车在实际运行中，轮轨间的相互作用使轮对在钢轨上滚动过程中产生横向偏移和轮对冲角而达到平衡位置。若由于某种原因导致转向架轮对存在轮径差，那么直径较大的车轮线速度比直径较小的车轮线速度大，导致两个车轮与钢轨间分别产生相反的纵向蠕滑力。纵向蠕滑力产生的偏转力矩迫使轮对产生摇头运动，轮对的摇头运动和横向运动会通过一系悬挂系统产生悬挂力。一系悬挂力又将通过构架影响另一轮对的运动，而另一轮对在滚动过程中也伴随各种力的变化，使轮对在滚动过程中偏离原有位置而达到一个新的平衡位置，如图1所示。此时产生一个额外的轮对横移量和轮对冲角，轮轨间形成非理想接触几何关系，这将直接影响车辆运行的安全性与稳定性。

图1 轮对平衡后的位置

3 初始轮径差对车辆动力学性能的影响

3.1 车辆动力学仿真模型的建立

以某种型号的动车组拖车为例，忽略各部件本身的弹性变形，将拖车作为离散的多刚体、多自由度系统，建立车体—构架—轴箱—轮对组合的动力学计算模型，如图2所示。整车共有42个运动自由度，轨道加载京津实测轨道谱。

初始轮径差对高速列车动力学性能的影响参数和指标包括非线性临界速度、平稳性、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率、磨耗功率等。

3.2 初始轮径差的存在形式及变化范围

转向架轮径差的存在形式是多种多样的。为了方便研究，通常将其分为等值同相轮径差、等值反向轮径差、前轮对轮径差和后轮对轮径差4种，如图3所示。一般来说，前轮对轮径差与后轮对轮径差的仿真结果介于等值同相与等值反相轮径差之间，因此，对等值同相和等值反相两种轮径差形式进行重点分析研究。为了研究不同初始轮径差对列车运行性能的影响规律，以同轴左边车轮为基准，其直径为860 mm，LMA型磨耗型踏面，右边车轮直径变化范围为－0.5～+0.5 mm，车轮踏面均为旋修踏面。

图3 转向架轮径差类型

3.3 初始轮径差对蛇行稳定性的影响

蛇行运动稳定性是车辆系统本身的固有属性，列车在某一速度下运行稳定与否的评判依据是蛇行运动稳定性临界速度，简称临界速度。若列车实际运行速度接近临界速度，就可能出现蛇行运动失稳，这是绝对不允许的。给车辆的1位轮对一个初始扰动，使其在直线轨道上运行，同时不断变换速度，通过观察轮对横向振动收敛与发散的情况，判断车辆是否出现蛇行运动失稳。

图4 不同轮径差下的临界速度

如图4所示，当轮径差为0时，临界速度为550 km/h，随着轮径差正向增大到0.5 mm，同相和反向时的临界速度分别下降到446km/h和489km/h，下降幅度分别为18.9%和11.1%。轮径差反向增大与正向增大得到的规律与数值均相似。很明显，轮径差的变化对临界速度的影响较大，且同相分布时更为显著。但对速度300 km/h的高速列车而言，仍具有较大安全裕量。

3.4 初始轮径差对列车平稳性的影响

列车平稳性反映了旅客的舒适度与所运货物的完整性，是衡量列车运行品质的重要依据［11］。本文选用Sperling平稳性指标作为评估标准，分别取200，240，280 km/h和320 km/h 4个速度级对列车在直线轨道上运行进行仿真，其结果如图5所示。在相同速度下，轮径差的变化对车辆横向和垂向平稳性指标影响不大，其变化幅度均小于1.3%。因此，初始轮径差在0.5 mm内对车辆平稳性的影响可以忽略。而速度的变化对车辆横向平稳性影响较大。

3.5 初始轮径差对磨耗功率的影响

轮轨间蠕滑力与蠕滑率的乘积定义为磨耗功，磨耗功越大，轮轨之间的磨耗功率越大，轮轨间的磨损越严重［12］。表1与表2统计了轮对存在等值同相与等值反相轮径差时左右车轮磨耗功率的平均值。可见在同一速度下，以轮径差为0时的数值为基准，随着轮径差的变化，其磨耗功率变动幅度最大达到48.1%。因此，同一车轴上左右轮的磨耗功率均随着轮径差的增大而增大，即车轮磨损愈加严重。

表1 等值同相磨耗功率统计表 W

表2 等值反相磨耗功率统计表 W

左右车轮磨耗功率的差值反映了轮对的偏磨程度，仿真结果如图6所示。同相分布轮径差为0时，左右车轮磨耗功率差值为0.32～0.39 W，即轮对几乎不存在偏磨情况;当轮径差增大到0.5 mm时，左右车轮磨耗功率差值为6.28～29.28 W。反相分布轮径差增大到0.5 mm时，左右车轮磨耗功率差值为29.17～76.64 W。由此可见，初始轮径差增大，轮对偏磨越严重。

图6 不同轮径差下左右车轮磨耗功率差值

3.6 初始轮径差对曲线通过性能的影响

选取轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率为曲线通过性能的主要评定参数。曲线线路参数为:正曲线线路(正曲线的左侧轨为外轨)，半径为5 500 m，直线长100 m，缓和曲线长540 m，圆曲线长240 m。由于列车实际通过曲线的速度不可能完全等于均衡速度，必然出现欠超高或过超高的运行状态。因此，应以均衡速度为基准，并分别取大于和小于均衡速度值进行仿真。采用的曲线外轨超高为150 mm，均衡速度为266 km/h，为避免曲线超高的影响，取240，260，280 km/h和300 km/h 4个速度级进行仿真。

仿真结果如图7所示，以轮径差为0时的数值为基准，轮径差从－0.5 mm增大到+0.5 mm时，轮轨横向力的变动幅度小于14%，脱轨系数的变动幅度小于12%，轮重减载率的变动幅度小于7%，这说明初始轮径差的变化对曲线通过影响较小。

图7 不同轮径差下运行安全性指标

4 分析与讨论

在初始轮径差为－0.5～+0.5 mm的范围内:临界速度降至446 km/h;平稳性指标仍处于良好水平;曲线通过时，轮轨横向力的限度为40 kN，脱轨系数的限度为0.8，轮重减载率的限度为0.6，各指标均未超限且处于较大安全裕度范围内;车轮磨耗程度虽有一定程度的加剧，但偏磨程度仅达到原轮径自身磨耗的20%。因此，对于目前制定的轮对组装轮径差限度0.3 mm而言，安全裕度较大。高速列车初始轮径差对动力学性能的影响见表3。

表3 高速列车初始轮径差对动力学性能的影响

另外，结合我国制定的检修规程而言，列车在投入运用之后，每次运行结束或48 h进行一级修;3万km或30天进行二级修;60万km或一年进行三级修;在一、二、三级修程中均规定了轮径差同一轮对的检修限度。因此，适当增大新车轮轮对组装限度值，列车在运用中仍然能够保证良好的运行状态与技术指标。

5 结论

(1)转向架存在初始轮径差时，将产生额外的轮对横移量和轮对冲角，影响列车的运行性能。初始轮径差增大，轮对偏磨随之增加。

(2)以仿真所得各项指标的变化幅度大小为判断依据，初始轮径差在－0.5～+0.5 mm的范围内，对列车运行稳定性与轮轨磨耗影响较大，在制订轮径差限度时，可作为主要因素加以考虑;由于速度变化也会对列车动力学性能各项指标产生影响，同时应考虑具体车型的运用速度。

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［12］ 严隽耄，付茂海.车辆工程［M］.北京:中国铁道出版社，2007.

Influence of Initial Wheel Radius Difference on the Dynamic Performance of High-speed Train

LI Runhua，SONG Yongzeng，XU Haibin
(School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

By using the multi-body dynamic simulation software SIMPACK，the author simulates the dynamic performance when the initial wheel radius difference exists，and researches the radius difference limit standards based on the results.The results show that when the initial wheel radius difference is in the range of－0.5 mm to+0.5 mm，it has greater impact on nonlinear critical speeds and wheel/rail wear，less impact on the security of curve passing，and almost no impact on stabilities of the train.The above simulation results with guidance for further improvement of the currently prescribed limits to initial wheel radius difference.

high-speed train;initial wheel radius difference;limits;dynamic performance

U270.1+1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.04

1008－7842(2015)02－0014－05

*中国铁路总公司重大项目(2013J005－A)

0—)女，硕士研究生(

2014－10－14)