踏面形状对地铁车辆动力学性能及轮轨磨耗影响研究

雷 洋 李越超

沈阳地铁集团有限公司运营分公司

1.动力学性能评价指标

1.1 车辆运行稳定性评价

当车辆运行速度达到一定限定值时，传统轮对结构的车辆在婦滑力的作用下会产生蛇形运动发散的趋势，即蛇行运动呈现不收敛，车辆运行失稳。因此，在设计研究车辆悬挂系统参数时，要考虑车辆运行的实际环境，选择相对合理的横、纵向车轮定位刚度，在确保车辆运行稳定性的同时，尽可能提高曲线通过性能。自20世纪早期，Carter开始研究轮轨间滑理论和蛇行运动以来，车辆运行稳定性的研究就逐渐深入。目前，车辆运行稳定性研究的判定依据已多种多样。国际铁路联盟UIC等研究机构结合车辆实际运行时的状态，给出了适用于线路动力学试验的稳定性判据。

1.2 车辆运行平稳性评价

车辆运行平稳性指标和舒适度指标可以用来评定车辆运行平稳性，这些指标不仅与车辆自身运行性能息息相关，也与乘客对车辆运行产生振动的反应有关。

平稳性指标一般以Sperling指标和ISO标准进行衡量，本文主要应用Sperling平稳性指标和车体最大振动加速度来评定客车运行平稳性。

1.3 车辆运行安全性评价

铁路车辆在通过曲线线路时，车轮与轨道相互作用会使得轮轨间出现较大的横向力，致使轮轨磨耗发生。在通过曲线时，在轮轨间会产生摩擦螺滑力和轮缘力这两种力，车辆其他部件会产生离心力、制动力和牵引杆力在转向架各轮之间均勾分布。

车辆具有良好的曲线通过性能则表明通过曲线时轮轨间作用力相对较小，轮轨磨耗较小。因此，车辆上各个部件间的相互作用力也大大降低；车辆在曲线上运行阻力也会随之下降，牵引力也会降低，能耗消耗降低，铁道车辆曲线通过的计算可以确保列车安全进行、降低轮轨之间作用力，并且制约悬挂系统的参数选择。

2.车轮踏面形状对车辆动力学性能的影响

2.1 地铁车辆运行稳定性受到不同踏面的相应影响

为了观察地铁车辆的稳定运行情况，我们通过地铁蛇行运动时的临界速度来进行考量。我们都知道车辆车辆蛇形运动的时候，在车轮和轨道接触的过程中会发生振动，因此速度并非线性的，我们要通过一个多极系统来对地铁蛇形运动时的速度进行分析，通过查找资料我们找到了该运动的微分方程组的矩阵方程，如下所示：

表1 两种地铁装载不同踏面新轮空车时的蛇行失稳临界速度

通过上表我们可以看出，相同条件下，地铁装配了DIN5573型踏面的车辆临界速度较高，也就是说该踏面形状对于车辆的稳定作用较好，这是因为不同踏面的车轮在几何参数方面呈现不同的情况，也就影响了地铁车辆蛇形运动的临界速度。

2.2 踏面形状对运行平稳性的影响

在分析车辆运行平稳性时，线路激扰采用美国V级线路谱。采用2种不同踏面的车辆在40～90km/h间运行时的平稳性。

踏面形状对横向平稳性指标的影响比较明显，采用LM磨耗型踏面的车辆，其横向平稳性相对较差，而采用DIN5573踏面时，横向平稳性则较好，其原因还是由于在相同的轮对横移下DIN5573踏面的等效锥度比LM磨耗型踏面小，使得采用DIN5573踏面的车辆横向稳定性优于采用LM磨耗型踏面的车辆，从而使得其横向平稳性相对较好。

2.3 地铁车辆曲线通过安全性受到不同踏面的相应影响

地铁车辆曲线是车辆超高和定曲率半径等共同决定的圆曲线构成的，我们通过使车辆通过一定曲率的曲线，计算在通过曲线过程时轮轨所受到的作用力，并对这一作用力进行各项性能指标的转化根系，并根据我国相关法规的定值来评定地铁车辆曲线通过的安全性。车辆运行速度的计算公式如下：

其中，V表示车辆运行的速度，h为超高，hd则表示欠超高，而R为曲线半径。根据试验可知，由于装配了不同的踏面形状车辆，地铁车辆在通过同一曲线时两种车辆的各项指标都在国家规定的范围以内。我们从相关实验数据中可以得出结论，曲线轨道因为有超高存在，重力会产生分力现象，轮轨的横向压力和垂向压力就产生。如果车辆的踏面形状不同，那么轮轨的横向压力与脱轨系数就会由于重力分力不同而产生差距。

综上所述，踏面形状的不同，使得其与钢轨匹配时的轮轨接触几何关系存在差异，从而影响车辆的动力学性能。因此，需要我们通过分析可以找到相关措施，延长地铁轨道运行寿命。

[1]李晓龙，马卫华，罗世辉.踏面下凹磨耗对地铁车辆动力学性能的影响 [J].内燃机车，2013，(01)：17-20.

[2]汤超.平纵断面线型及轨道类型对地铁轨道动力特性和钢轨磨耗影响研究[D].北京交通大学，2012.