直线电机地铁车辆异常磨耗分析

摘 要：直线电机地铁车辆相比传统的地铁车辆具有很多优点，但是广州地铁四号、五号线使用直线电机地铁车辆后，车轮踏面出现了异常磨耗。本文把直线电机地铁地铁车辆的轮对考虑成弹性体，建立了完整的地铁车辆的动力学模型。研究发现：弹性体轮对与直线电机的垂向振动加速度明显增加，增加的原因是直线电机与弹性体轮对弯曲频率耦合振动。增加车轴的直径可以使轮对的刚度增加，降低低轮对与直线电机耦合振动的共振频率以及振幅，降低轮轨垂向载荷、轮轨磨耗功率，解决该地铁车辆的轮轨异常磨耗。

关键词：弹性体轮对；直线电机；轮对刚度；垂向加速度；垂向力；磨耗功率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.218

直线电机地铁车辆与传统的地铁车辆相比，具有工程造价低、运营成本低、噪声低、爬坡能力强、曲线通过能力强、维护简单等诸多优势，适合在大坡度、转弯多、城市地质结构复杂的区域内运行，其在城市地铁的运用前景非常广泛[1，2]。广州地铁四号、五号线率先使用直线电机地铁车辆[3]。但是，该直线电机地铁车辆上使用的BM3000转向架轮对，在车辆运行一段时间后，车轮踏面出现了异常磨耗。

1 直线电机地铁车辆模型

根据多体系统动力学原理，建立完整的直线电机地铁车辆的系统动力学模型， 如图1所示。图中黄色的杆件为抗侧滚扭杆。所以，该直线电机地铁车辆的整车模型包括1个车体、2个构架、4个弹性体轮对、8个轴箱、2套抗侧滚扭杆、2个直线电机以、14个直线电机吊杆以及2个摇枕组成，除了轮对考虑成弹性外，其余部件都为刚体。各部件及一系弹簧、二系空气弹簧、减振器均根据实际情况进行建模，其中一系弹簧、二系空气弹簧、减振器的非线性特性以激励的方式输入模型。计算工况为满载工况，轮对的滚动圆半径0.365m，采用LMA踏面与60kg/m钢轨型面的匹配，轨底坡为1：40，轨道谱选用德国高干扰谱。

在轮轨相互接触中，钢轨和车轮在接触部位均发生了弹性变形，但是相对于轮对和钢轨的结构变形，这种接触部位的微量变形是可以忽略的。因此，弹性体轮对的轮轨接触关系只考虑轮对本身的结构弹性变形而不考虑踏面的微小变形，文中的轮轨接触关系为刚性接触。

2 垂向振动加速度分析

图2为运行速度从40km/h至110km/h时刚性轮对、弹性体轮对的垂向振动加速度曲线以及吊挂在刚性轮对转向架和吊挂在弹性体轮对转向架下的直线电机垂向振动加速度曲线。从图中可以发现，弹性体轮对的垂向振动加速度明显大于刚性轮对，弹性体轮对转向架下的直线电机垂向振动加速度也明显大于吊挂在刚性轮对转向架的直线电机，而且随着运行速度的增加，直线电机以及轮对的垂向振动加速度也单调增加。由于振动加速度始终是正负值之间来回交替，振动加速度的增大就意味着振动加速度的动态变化量增大。

3 轮轨垂向力与脱轨系数

图3是轮轨垂向力曲线。从图中可以发现，随着速度的增加，两种轮对的轮轴垂向力值都有明显的增大，但是采用刚性轮对的车辆轮轨垂向力值小于采用弹性体轮对的车辆。图4为刚性轮对、弹性体轮对的轮重减载率。从图中可以很明顯的看出弹性体轮对的轮重减载率大于刚性轮对。按动态轮重减载率不超过0.8的标准，采用弹性体轮对时，当运行速度达到110km/h时，轮重减载率接近安全限值。

采用弹性体轮对后，由于受到直线电机与轮对的耦合振动作用，弹性体轮对的垂向振动加速度动态变化量有了很大的增加，这意味着轮对的垂向惯性力增大，进而导致轮轨垂向力的动态变化量的增加及轮轨垂向力峰值的增大，反映在轮重减载率上就是其值的显著增大。

4 弹性体轮对对轮轨磨耗功率的影响

图5为车辆运行速度80km/h时，三种轮对的轮轨磨耗功率。从图中可以看出弹性体轮对对轮轨磨耗功率有很大的影响。当考虑BM3000为弹性体轮对后，轮轨磨耗功率有较大的增加。这是由于车轴受到载荷发生弯曲变形，弯曲变形频率与直线电机特征频率耦合共振，使得轮对垂向振动加速度与轮轨垂向力的幅值增加，进而导致轮重的交替变化。地铁车辆在运行时轮重频繁的变化，将导致轮轨法向力、导向力的增加，进而加大了轮轨的磨耗功率，在长时间运行后必然导致车轮的磨耗加剧，这就可以解释为什么该车在运行一段时间后车轮踏面出现了异常磨耗。同时，大的轮轨垂向力变化量还会造成车辆的垂向稳定性的降低，甚至影响行车安全。当采用大直径车轴后，加大了轮对的刚度，降低了直线电机与轮对的共振，降低了轮轨磨耗功，这说明采用增大轮轴刚度来解决该地铁车辆轮轨异常磨耗的方法是可行的。

5 结论

把弹性体轮对引入直线电机地铁车辆，并对该车辆的垂向动态载荷以及轮轨磨耗功进行动力学计算，得到以下结论：

弹性体轮对的垂向振动加速度明显大于刚性轮对，弹性体轮对转向架下的直线电机垂向振动加速度也明显大于刚性轮对转向架下的直线电机，而且随着运行速度的增加，直线电机以及轮对的垂向振动加速度幅值也单调增加。导致轮对、直线电机垂向振动加速度幅值增加的频率为31.5Hz和40.7Hz。这两频率是系统的特征频率。

直线电机与轮对的共振将导致轮轨垂向力的增加，并使得轮重减载率加大。增加车轴的直径可以增加轮对的刚度，减小车轴的弯曲变形量，降低轮对与直线电机耦合振动的共振振幅。

轮对弯曲变形对轮轨磨耗功率有很大的影响。当考虑BM3000为弹性体轮对后，轮轨磨耗功率有较大的增加，轮对长时间运行将会产生异常磨耗，这和该车在运行一段时间后车轮踏面出现了异常磨耗的情况相符。采用大直径车轴后，增加了轮对的刚度，降低了直线电机与轮对的共振，降低了轮轨磨耗功，这说明采用增大轮轴刚度来解决该地铁车辆轮轨异常磨耗的方法是可行的。但是选用多大刚度或多少直径的车轴合理还需要进一步的计算与试验验证。

参考文献：

[1]胡彦.直线电机地铁车辆动力学性能研究[D].成都：西南交通大学，2009：1-5.

[2]王景宏.采用直线电机牵引的广州地铁车辆[J].机车电传动，2006（06）：47-52

[3]罗曦春，罗世辉.直线电机地铁车辆转向架[J].电力机车与城轨车辆，2008，31（05）：41-44

作则简介：王娜娜（1984-），女，山东日照人，研究生，助教，教师，研究方向：汽车故障检测。endprint