LMA和LM型踏面对机车脱轨性能分析

毕贞法， 陈 萍

（上海应用技术学院轨道交通学院，上海 201418）

LMA和LM型踏面对机车脱轨性能分析

毕贞法， 陈 萍

（上海应用技术学院轨道交通学院，上海 201418）

不同的轮对踏面与钢轨的配合对机车的脱轨性能影响很大.应用SIMPACK软件分别建立了LMA和LM型踏面的机车模型及钢轨模型，通过不同速度下小半径曲线上的仿真，分析了2种踏面对机车脱轨性能的影响，结果表明：合理的踏面轮对与钢轨的配合可以提高机车的脱轨性能，LMA型踏面的脱轨性能优于LM型踏面.

机车；踏面；钢轨；脱轨性能

近年来高速列车发展迅速，线路条件得到了很好的改善，列车的运行安全一直是研究的重点.脱轨性能作为高速列车曲线通过性的重要指标，是列车运行安全的最直接体现.由于高速列车轮对踏面和钢轨的形状及运行速度的不同，导致轮轨几何接触之间的不同，会引起轮轨接触状态的差异，从而导致轮对踏面和轨道间存在情况各异的磨耗问题，尤其当列车的行驶速度越来越高时，轮对和轨道之间的磨耗问题也会愈演愈烈.合理选择车轮踏面，对于减少轮轨磨耗，提高列车运行安全意义重大［1-7］.

本文应用SIMPACK软件分别建立了LMA和LM型踏面的转向架模型及钢轨模型，通过不同轮对踏面在同一转向架钢轨不同速度下的对比研究，分析踏面形状对脱轨性能的影响.

1 脱轨性能概念

脱轨系数是评价车轮脱轨稳定性的指标，是在同一时间，水平力和垂直力的比值.国际铁路联盟UIC将脱轨系数安全值限定为

式中：Q为轮缘上的横向作用力；P为车轮上的垂向作用力，且脱轨系数越大越容易脱轨.

2 模型的建立

SIMPACK软件是德国INTEC Gmbh公司针对机电、机械系统运动学、动力学仿真分析而开发的多体动力学分析软件包.SIMPACK轮轨模块是SIMPACK软件中的一个专业模块，囊括了铁路行业全部相关的动力学分析.

2.1 轮对踏面模型

（1）LM型踏面是我国自行研制和使用的一种车轮磨耗型踏面，其具体尺寸以及外形见图1.

图1 LM踏面外形（mm）Fig.1 The outline of tread of LM（mm）

（2）LMA型踏面为我国研究设计的一种新型踏面，其尺寸参数以及外形如图2所示.该型踏面在国内随着高速列车设计和制造的发展，在2l世纪初期得到大力发展和应用.LMA型踏面目前已经成功应用于CRH1、CRH2和CRH3高速动车组上.

图2 LMA踏面外形（mm）Fig.2 The outline of tread of LMA（mm）

（3）2种踏面参数比较，如表1所示.

（4）应用AutoCAD软件实现LM和LMA型踏面的数值离散，并把结果保存为.XLS格式的文件；编写SIMPACK识别的.dat文件进行轮轨外形拟合.

表1 LM和LMA踏面参数比较Tab.1 The comparison between parameters of LM and LMA

2.2 钢轨模型的建立

钢轨的横断面为工字形，由轨头、轨腰和轨底组成.钢轨头部形状由几个圆弧的半径组成，轨头和轨底有足够的面积和高度，钢轨表面光滑，侧面的半径较小.它是按照磨耗型原则设计，钢轨外形及几何参数如图3所示.

图3 钢轨外形图（mm）Fig.3 The outline of steel rail（mm）

轨道不平顺是引起振动和轮轨动力学的主要原因，描述了随机振动其统计特征与规律，很难用确定函数进行描述，一般采用功率谱密度进行描述，美国和德国在轨道谱的研究比较成熟，仿真中选用了德国低干扰谱作为轨道谱模型.

线路几何模型：本文采用半径为800 m的曲线，其中150 m直线线路，100 m缓和曲线线路，200 m圆曲线线路，70 mm外轨超高.

2.3 机车模型的建立

设置机车模型的质量和转动惯量、悬挂系统参数以及结构尺寸，通过SIMPACK软件创建的机车模型如图4所示.通过体、函数、力元、铰接和约束等方式定义了弹簧、横向止挡、减震器以及车体的位置和运动等.

图4 机车模型Fig.4 The locomotive model

3 计算结果与分析

3.1 LM和LMA型踏面的机车模型以180 km／h通过曲线时的仿真结果

不同踏面的轮对与钢轨接触形成不同的轮轨接触关系，得到不同的脱轨性能.脱轨系数的具体仿真结果如图5和图6所示.图中数字分别代表相应的车轮号.

图5 LM型踏面机车脱轨系数Fig.5 The derailment coefficient of the tread of LM

图6 LMA型踏面机车脱轨系数Fig.6 The derailment coefficient of the tread of LMA

由图可见：

（1）在180 km／h速度下通过曲线时，2种踏面机车的脱轨系数相差不大，最大值都保持在0.12左右；

（2）当轮对进入缓圆点后，LM和LMA型踏面的脱轨系数均达到最大值.

3.2 LM和LMA型踏面的机车模型以不同速度通过曲线时的脱轨系数

2种踏面分别以速度160、170、180、190、200 km／h 5种速度通过半径为800 m的曲线时，仿真计算出的各个指标的最大值如图7所示.

图7 不同速度下的脱轨系数最大值Fig.7 The maximum value of the derailment coefficient under different velocities

由图可见：

（1）动车组运行速度在160～180 km／h，2种踏面的脱轨系数比较接近，并且比较稳定；

（2）动车组运行速度在180～200 km／h，2种踏面的脱轨系数随着速度的增长呈现上升趋势；

（3）动车组运行速度在160～200 km／h，LMA型踏面脱轨系数的最大值比LM型小，LMA型踏面的脱轨性能更好.

4 结 论

通过借助SIMPACK动力学仿真软件对2种踏面的轮轨动力学建模和仿真比较后，得出如下结论：

（1）2种踏面的脱轨系数在轮对进入缓圆点后，都达到最大值.

（2）动车组运行速度在160～180 km／h，2种踏面的脱轨系数最大值变化不大；运行速度在180～200 km／h，随着速度的增加脱轨系数的最大值增大.

（3）动车组运行速度在160～200 km／h的范围内，LMA型踏面的脱轨系数更小，车辆平稳性更好，安全性更高.

［1］ 卜庆萌，姚林泉.轮轨接触几何关系［J］.苏州大学学报，2011，27（3）：79-84.

［2］ 戎保，芮筱亭，王国平，等.多体系统动力学研究进展［J］.振动与冲击，2011，30（7）：178-187.

［3］ 杨朝阳.车轮踏面磨耗及轮径差对高速动车组动力学性能影响研究［D］.北京：北京交通大学，2009.

［4］ 高海俊.基于SIMPACK的轨道车辆动力学性能分析［D］.南京：南京工程学院，2012.

［5］ 谷学思.不同踏面及轮径差对高速动车组曲线通过性能的影响［D］.北京：北京交通大学，2011.

［6］ Liu Yongjun，Liu Xiaofang.Railway wheel profile optimization design based on nurbs curve［C］／／2010 Second International Conference on Computer Modeling and Simulation.The United States：ASME press，2010，439：331-335.

［7］ Chen Shuangxi，Lin Jianhui，Chen Jianzheng.System dynamic analysis for motor car-influence of wheel tread reprofiling［J］.Mechanic Automation and Control Engineering，2011，978：4483-4485.

（编辑 俞红卫）

Analysis of Locomotive Derailment Performance of Treads with LMA and LM

BI Zhenfa， CHEN Ping
（School of Railway Transportation，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Different matches with wheel and rail shapes exert a tremendous influence on the locomotive derailment performance.The locomotive model and steel rail model with LMA tread or LM tread were established respectively by employing SIMPACK software，and the influence of two different treads on locomotive derailment performance was analyzed through the simulation of the small radius curve at different speed.The research results indicated that the reasonable match of wheel and steel rail shapes would improve the locomotive derailment performance and the locomotive derailment performance of the tread of LMA was proved to be superior to that of the tread of LM.

locomotive；tread；steel rail；locomotive derailment performance

U 270.33

A

1671-7333（2015）04-0367-04

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.04.011

2015-03-05

国家自然科学基金资助项目（51405303）；上海市高校青年教师培育基金资助项目（ZZyy15110）；上海应用技术学院引进人才基金资助项目（YJ2014-17）

毕贞法（1979-），男，高级工程师，博士，主要研究方向为高速列车在线检测技术.E-mail：bizhenfa＠sit.edu.cn