轮对磨耗对高速列车服役性能影响探究

张冰玉

(天津铁道职业技术学院， 天津 300240)

轮对磨耗对高速列车服役性能影响探究

张冰玉

(天津铁道职业技术学院， 天津 300240)

受高速列车服役条件的影响，高速轮对随列车服役周期会产生较大状态变化，同时影响高速列车动力学性能。文章对高速列车结构进行分析，考虑对车辆系统动力学影响较大的因素，分析各结构间铰接关系和力的传递方式及作用位置，基于多体动力学理论建立高速列车模型，分别探究高速轮对服役中产生的磨耗及轮径差两个因素对高速列车振动性能的影响。通过分别对比磨耗型面与原始型面及磨耗型面在有、无轮径差时的轮轨接触力和车辆各关键部件的横、垂向加速度，得出如下结论：(1)轮对磨耗对车辆横向振动影响较大，使轮轨横向力及各关键部件横向加速度明显增大，而车辆垂向振动性能对轮对磨耗不敏感；(2)当左右侧实际轮径差较小时，轮径差的存在对振动性能的影响比磨耗的影响小，以磨耗对车辆振动的影响为主。

高速列车； 多体动力学； 磨耗； 轮径差

高速列车在服役过程中会受到运行线路、制动、车轮镟修以及轮轨参数等各种因素的影响，轮对作为车辆系统与线路直接作用的部件，其型面及轮径差会随列车服役周期产生较大变化，而作为轮轨接触的核心，高速列车动力学性能受轮对影响很大。刘林芽等人通过建立轮轨系统高频振动模型，分析轮轨相互作用关系，给出了车轮及钢轨的高频振动功率谱计算式[1]。李艳等人针对动车组的1节车辆，利用WP-D车轮外形测量仪定期实测每个车轮的外形与轮径，得到5组车轮型面磨耗工况，并结合所选车辆的结构参数和运行线路特点，利用多体动力学软件进行了车辆动力学仿真，分析了车辆在不同磨耗工况下的动力学特性[2-3]。此外，国内外其他学者对轮对磨耗的研究也取得了较大成果[4-10]。本文通过对高速列车机械结构及多体动力学理论的描述，建立高速列车系统动力学模型，分别研究列车服役过程中产生的轮对磨耗及轮径差对高速列车动力学的影响，分别探究磨耗及轮径差对列车服役性能的影响。

1 高速列车动力学建模

在动车组转向架机械结构基础上，考虑影响高速列车服役动力学的各关键零部件及相互间作用关系，在多体动力学软件SIMPACK中以CRH2型车为基础，建立高速列车模型对其服役动力学性能指标进行评价。在SIMPACK中按照动车组单节车自轨道向上建立模型，体对象依次为轮对、轴箱、转向架构架和车体。轮对为车辆系统与轨道直接接触的部件，通过轮轨间的接触最终产生牵引力和制动力，实现车辆在钢轨上的平移，轮轨关系是轨道交通工具区别于其他机械产品的根本，也是车辆系统动力学的根源。轴箱作为轮对与转向架构架之间的连接装置和活动关节，能够实现将车轮的滚动转化为车体的平动，其悬挂参数以及定位方式将直接影响车辆曲线通过性能与行车稳定性，不同的车型又具有不同的轴箱定位方式。构架为整个转向架的“骨架”，为各部件提供安装基础，同时还是主要承力部件，车辆各个方向的力都离不开构架的传递作用，故在高速运行下对其强度和刚度有较高的要求。车体是最终承载旅客的空间，主要包括底架、端墙、侧墙及车顶等部位，由于车体是旅客的乘坐空间，直接影响到乘客乘坐体验，因此动力学中各项平稳性指标和蛇行运动评判都需要从车体入手。

建模过程中考虑影响动车组服役的主要机械结构，忽略牵引电动机和制动系统等对正常服役状态动力学性能影响较小的结构。根据结构体之间的铰接关系建立个体之间联系，并根据力的传递方式和减振器的减振方式，按照软件中自带的力源属性建立对应的铰接关系。模型中参数参照某动车组设置，如表1所示。

表1 车体动力学模型部分参数

模型中一系悬挂为一系弹簧和垂向减震器，采用转臂式轴箱定位。二系悬挂包括空气弹簧、抗蛇行减振器和横向减振器。模型中考虑垂向减震器和抗蛇行减震器的非线性因素。

将车辆视为多刚体系统，并考虑多刚体之间的铰接关系及力元相互作用关系，通过各刚体间的拓扑关系建立车辆系统动力学方程，其统一形式可以表示为：

式中：M、C、K、P——车辆系统的质量、阻尼、刚度矩阵、外部激扰矩阵。

2 型面磨耗对高速列车振动性能的影响

车辆在服役过程中变化最大的状态量即为轮对的磨耗，尤其对高速列车而言，列车服役中减速、制动及曲线通过均会对高速轮对产生磨耗磨损。而高速列车系统对车轮的型面敏感度较高，即轮对型面的改变会引起车辆动力学性能较大程度的改变。不同型面与线路轨道的匹配性能差异很大，而轮轨接触关系是连接车辆单元与轨道的纽带，车轮产生磨耗后，会直接影响轮轨接触几何关系的改变，进而通过轮轨接触力的变化引起车辆系统动力学响应的变化。因此，本文通过计算轮轨接触力的变化，进而考虑车辆轮对、构架及车体横、纵向加速度在原始型面和磨耗型面之间的动力学响应差异，研究高速轮对磨耗对车辆服役性能的影响。

在本文的计算中，对某高速线路服役的动车组进行型面检测，在动车组入库时测量其型面及轮径，并使用记录的型面值计算其振动性能。给定相同线路激扰，分别使用磨耗型面及车辆原始型面计算轮轨接触力，所得横向和竖向轮对作用力对比结果，如图1、图2所示。从两图中可以发现，磨耗型面与原始型面的轮轨横向力差异明显，原始型面计算所得的轮轨横向力幅值在2 kN附近，而磨耗型面计算所得轮轨横向力幅值大幅增大，在10 kN左右；磨耗型面的轮轨垂向力与原始型面相比略微有所增大，但差异较小。由此可以判定，车辆磨耗对车辆横向运动会产生较大影响。

由前述高速列车机构可知，轮轨接触作用力在传递到车体时，首先经由轴箱中一系弹簧的减振作用，再经过构架与车体之间二系空簧的减振作用，最终传递到车体。高速列车在保证安全服役的前提下，另一重要指标应为乘客的乘坐舒适度，而乘客所感知的部位最终反应到高速列车车体上。本文按照轮轨力的传递路径，依次分析轮对、构架及车体上的横、垂向加速度，分析磨耗对高速列车振动性能的影响。

以磨耗型面及车辆原始型面计算所得的轮轨力传递过程中各关键部位(包括轮对，构架，车体)的横、垂向加速度，如图3、图4所示。

图1 磨耗型面与原始型面的横向轮轨作用力对比

图2 磨耗型面与原始型面的垂向轮轨作用力对比

图3 磨耗型面与原始型面关键部位的横向加速度响应对比

图4 磨耗型面与原始型面关键部位的垂向加速度响应对比

当车辆轮对发生磨耗后，轮对横向加速度振动幅值从±2 m/s2增加到±10 m/s2，由于轮轨横向力直接作用于高速轮对，因此轮对横向加速度的变化幅度与横向力相似。构架横向加速度振动幅值从±1 m/s2增加到±5 m/s2，即经过一系弹簧的减振作用，构架加速度幅值出现下降，但当型面产生磨耗后，横向加速度增大幅值仍较大。车体横向加速度振动幅值从±0.2 m/s2增大到±0.5 m/s2，虽仍出现增大，但幅值变化的比例较之轮对和构架减小。从各部位垂向加速度振动幅值对比可以看出，型面出现磨耗后，垂向加速度变化幅值不大，轮对垂向加速度振动幅值为±10 m/s2，构架垂向加速度振动幅度约为±2 m/s2，车体垂向振动加速度振动幅值约为±0.1 m/s2，一、二系减振机构对垂向加速度传递的减振作用大致以10 m/s2为数量级在减小。

通过对磨耗型面及原始型面的车辆轮轨力及车辆关键部件横、垂向加速度进行对比分析可以看出，轮对磨耗对车辆横向振动影响较大，轮对产生磨耗后，轮轨横向力及各关键部件横向加速度增大幅值明显，而车辆垂向振动性能对轮对磨耗不敏感。

3 轮径差对高速列车振动性能的影响

在高速列车入库轮径差检测时，会偶尔发现左右侧轮径差过大的情况，对出现过大轮径差的数值进行记录，并应用该轮径差进行分析计算。高速列车服役过程在引起轮对型面曲线变化的同时，对轮对的另一个附加作用即同时改变了车轮的轮径，左右侧车轮服役状态的差异不仅使轮对型面磨耗不同，还使得左右侧车轮轮径差产生变化。因此，在研究磨耗对高速列车振动性能的影响时，左右侧轮径差的作用不可忽视。本节通过对磨耗型面在无轮径差及轮径差为1 mm时的轮轨接触力及车辆振动性能进行对比，探究轮径差对高速列车振动的影响。

无轮径差和轮径为1 mm时轮轨横向和垂向作用力对比如图5和图6所示，从图中可以看出，当左右轮存在1 mm的轮径差时，车辆两个方向的作用力均出现不同程度的增加，但增加幅度并不显著。图7为有、无轮径差时车辆关键部件(包括轮对，构架，车体)横向加速度的对比，从图中可以看出，轮对横向加速度对轮径差变化较为敏感，但车体横向加速度经过两级减振机构的减振作用，其所受影响较小。图8为有、无轮径差时车辆关键部件(包括轮对，构架，车体)垂向加速度的对比，从图中可以看出，车辆各关键部件的垂向加速度受轮径差影响不大。

图5 有无轮径差时轮轨横向力作用力对比

图6 有无轮径差时轮轨垂向力作用力对比

图7 有无轮径差时关键部位横向加速度响应对比

图8 有无轮径差时关键部位垂向加速度响应对比

因此，当研究高速轮对对车辆振动性能的影响时，若左右侧实际轮径差变化较小，轮径差对振动性能的影响比磨耗的影响小，以磨耗对车辆振动的影响为主。

4 结论

本文对高速列车各关键零部件的作用进行了描述，并通过多体动力学理论建立了高速列车动力学模型，根据高速列车在线路上的实际服役状态进行仿真分析，分别研究轮对磨耗及轮径差的作用对高速列车振动性能的影响，得出主要结论如下：

(1)通过对磨耗型面及原始型面的车辆轮轨力及车辆关键部件横、垂向加速度的对比分析看出，轮对磨耗对车辆横向振动影响较大，轮对产生磨耗后，轮轨横向力及各关键部件横向加速度增大幅值明显，而车辆垂向振动性能对轮对磨耗不敏感。

(2)在研究高速轮对对车辆振动性能的影响时，若左右侧实际轮径差变化较小，轮径差的存在对振动性能的影响比磨耗的影响小，以磨耗对车辆振动的影响为主。

(3)考虑到高速动车组型面磨耗与轮径差对车辆振动特性及动力学特征的影响，应加强在动车入库时对轮对型面的检测，并通过在线振动加速度监测等手段对型面磨耗进行判断。在入库检修时对已产生磨耗或轮径差的型面进行修型，尽量降低其对列车服役特性的影响。

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Study on the Effect on Service Performance of High-speed Trains by Wheel Wear

ZHANG Bingyu

(Tianjin Railway Technical and Vocational College, Tianjin 300240， China)

Affected by the on-service conditions of the high-speed trains, the status of wheelset is changing greatly. At the same time, vehicle system dynamics performances are also influenced. The structure of high-speed train is analyzed in this paper. The articulated relationships and force transfer modes between each key component are analyzed with considerations of the factors which affect the performances of high-speed trains greatly. Vehicle system model is established based on the theory of multi-body dynamics theory. The differences of wheel wear and wheel diameter that changed as service conditions are studied respectively. The wheel/rail contact forces and lateral/vertical accelerations of the key components of the high-speed train are calculated and compared on the conditions of worn profile and normal profile. The conclusions are:1. wheel wear has greater effect on the lateral vibration of the train and the wheel/rail lateral force is increased greatly, while the vertical vibration is not so sensitive. 2. while the wheel diameter difference is small, the influence on vehicle system dynamics performances is mainly caused by wheel wear.

high-speed train; multi-body dynamics; wheel wear; wheel diameter difference

2016-01-11

张冰玉(1989-)，女，助教。

1674—8247(2016)03—0011—05

U270.1+1

A