米轨线路参数对机车动力学性能和轮轨磨耗的影响

周黄标,丁军君,王军平,李 芾,胡静涛

(1.西南交通大学 机械工程学院,四川 成都 610031；2.中铁物轨道科技服务集团有限公司,北京 100036)

轮轨磨耗是影响列车运行安全性和经济性的重要因素。轮轨磨耗变形不仅会使车辆运行平稳性变差,而且也会导致临界速度下降[1]。造成轮轨严重磨耗的因素很多,线路参数设置不当是主要原因之一。在曲线区段通常设置超高,当曲线半径小于一定值时还需要对轨距进行加宽,其目的在于提高车辆曲线通过性能,减小轮轨磨耗和保持线路稳定。但是轨距加宽也会导致轮轨游间过大,对行车的平稳性和轮轨磨耗不利。针对上述问题已有大量专家学者对标准轨距线路进行过研究[2-9],但尚未有米轨线路方面的研究。米轨线路具有曲线半径小和曲线多的特点[10],目前中国企业在海外大量修建米轨铁路并出口米轨机车车辆。本文以米轨铁路为研究对象,对米轨铁路超高和轨距变化对C0-C0机车轮轨磨耗的影响进行研究。

1 动力学仿真计算模型

采用SIMPACK软件,以我国某企业出口泰国米轨机车为例建立机车多刚体动力学模型。该机车采用C0-C0轴式,轴重为16 t,最高运行速度为120 km/h,动力学模型由1个车体、2个转向架、2个牵引销、6个轮对、6个电机和12个轴箱共29个刚体组成。机车模型自由度见表1。各个刚体之间通过力元或铰联接,车轮和钢轨型面分别采用S1002和UIC54。车轴命名及轮轨接触关系如图1所示。图中L代表机车运行方向的左侧(曲线外侧),R代表右侧(曲线内侧),WSi代表i(i=1～6)号轮对。

表1 机车模型自由度

图1 车轴命名及轮轨接触关系

2 仿真分析和评价指标

仿真分析中设置2种线路半径,分别为200,400 m,线路实设超高均为50 mm,依据文献[11]可算出机车对应的平衡速度分别为34.6,49.0 km/h。超高率为计算超高与实设超高之差占实设超高的百分比,其变化范围为-20%～20%(其中负值为欠超高,正值为过超高)。

评价机车车辆通过曲线时轮轨磨耗程度的指标很多,其中使用较多的有如下几种[12]：①磨耗因数。其定义为轮缘横向力与冲角的乘积,表征轮缘与钢轨侧面的能量损耗；②踏面磨耗指标。其定义为轮重与合成蠕滑率的乘积；③轮轨接触斑处所消耗的功。其定义为蠕滑力与蠕滑率的数量积,表征沿轨道运行每单位长度所消耗的摩擦功；④轮轨接触斑处所消耗的功率(以下简称磨耗功率)。其定义为轮轨接触斑处所消耗功与车辆运行速度的乘积,表征沿轨道运行每单位时间所消耗的摩擦功。

磨耗功率既包含了蠕滑率及冲角的影响,又包含了运行速度,能很好地表达出轮轨磨耗状态,故本文中采用磨耗功率的大小来表征轮轨磨耗的剧烈程度。

曲线通过时,由于机车6个轮对中WS1(导向轮对)对机车系统动力学性能的影响最大,故在分析轮对冲角和轮轨横向力时选其为分析对象；轮轴横向力、踏面磨耗功率和轮缘磨耗功率则选取转向架1上所有轮对为分析对象；平均磨耗功率为12个车轮磨耗功率的平均值。以下分析中,轮对冲角、轮轨横向力和轮轴横向力取圆曲线部分所得最大值,磨耗功率则取圆曲线部分的平均值。

2.1 曲线超高对动力学性能和轮轨磨耗的影响

本文以轮对冲角、轮轨横向力、轮轴横向力和磨耗功率为评价指标,分析曲线超高对机车通过曲线时动力学性能和轮轨磨耗的影响。

2.1.1 对冲角、轮轨横向力和轮轴横向力的影响

曲线超高率对机车轮对冲角、轮轨横向力和轮轴横向力的影响如图2所示。可知当超高率由-20%增大到20%时,在半径200 m和400 m的曲线上,冲角分别增大了0.7%和2.1%，轮轨横向力分别增大了2.0%和-0.6%。

图2 超高率对轮对冲角、轮轨横向力和轮轴横向力的影响

当超高率由-20%增大到20%时,在半径为200 m的曲线上,只有中间轮对WS2的轮轴横向力增加了16.1%,其余轮对均逐渐减小；在半径为400 m的曲线上,轮轴横向力较半径200 m时小，且数值变化不大。由此可知,超高变化对冲角和轮轨横向力影响很小,对小半径曲线上的轮轴横向力影响较大。

2.1.2 对磨耗功率的影响

由于在半径分别为200 m和400 m时,轮轨磨耗功率变化趋势基本相同,因此只列出半径为200 m时的磨耗功率,见图3,其中超高率由-20%增加到20%。

图3 超高率对磨耗功率的影响

由图3(a)可知,WS1和WS2的外侧车轮踏面磨耗功率均逐渐减小,内侧逐渐增大；WS3则与之相反,但WS3的踏面磨耗功率最小。

由图3(b)可知,曲线内侧所有车轮踏面磨耗功率之和(以下简称曲线内侧之和)逐渐增大,外侧与之相反,但总和几乎不变。

由图3(c)可知,车轮轮缘磨耗功率之和略有增加。在仿真计算过程中,只有曲线外侧车轮发生轮缘接触。轮缘磨耗功率之和的增加是由导向轮对轮轨横向力随着超高率的增加而增大所导致的。由图3(c)还可知，平均磨耗功率增幅为2.1%。由前面分析可知,增加的主要是轮缘磨耗功率,这不仅会导致车轮提前磨耗到限,同时也会导致严重的钢轨侧磨,故应适当减小实设超高,使列车通过时处于适当的欠超高状态,这与文献[13]中的分析结果相同。

2.2 轨距变化对动力学性能和轮轨磨耗的影响

采用与2.1节相同的评价指标,分析轨距变化对机车通过曲线时动力学性能和轮轨磨耗的影响规律。在本次仿真分析中,轨距的变化范围为-5～15 mm。超高根据2.1节的分析结果,设置为40 mm,即欠超高状态,其余线路条件不变。

2.2.1 对冲角、轮轨横向力和轮轴横向力的影响

机车轮对冲角、轮轨横向力和轮轴横向力随轨距加宽的变化规律如图4所示,其中轨距加宽量由-5 mm 增大到15 mm。

图4 轨距变化对冲角、轮轨横向力和轮轴横向力的影响

由图4(a)可知,在半径分别为200 m和400 m时,冲角增幅分别为36.8%和33.8%。这是由于轨距增大,导致轮轨自由间隙和轮对横移量增大,使轮对摇头有更大的空间。

由图4(b)、图4(c)和图4(d)可知,在半径为200 m 时,轮轨横向力先缓慢减小后迅速增大,增幅为35.1%,最大轮轴横向力显著增大,增幅为98.4%；在半径为400 m时,轮轨横向力先有所减小,而后保持不变,轮轴横向力较稳定。

与2.1.1节的结论比较可知,相较于超高变化,轨距加宽对小半径曲线上的轮轨横向力和轮轴横向力的影响更显著。由此可见,轨距加宽并不能有效降低小半径曲线通过时的轮轨横向力和轮轴横向力,这是由于轨距加宽使轮对冲角增大导致的。

2.2.2 对磨耗功率的影响

在半径分别为200 m和400 m时,轮轨磨耗功率随轨距加宽的变化规律基本相似,因此只列出半径为200 m时的磨耗功率,如图5所示,其中轨距加宽量由-5 mm增大到15 mm。

图5 轨距加宽量对磨耗功率的影响

由图5(a)可知,WS1踏面磨耗功率先增大后略有减小,且在轨距较小的时候变化更明显；WS2变化趋势与WS1相同但变化率更大；WS3变化规律与WS1相反。

由图5(b)可知,曲线内、外侧磨耗功率之和均先增大后减小,轨距加宽-5 mm时,内、外侧磨耗功率总和为21.69 kN·m/s,加宽0,5,10,15 mm时的增幅分别为9.4%,13.8%,18.6%,15.5%。

由图5(c)可知,轮缘磨耗功率之和先减小后增大,且变化率也逐渐增大。平均磨耗功率先由2.51 kN·m/s 减为2.47 kN·m/s后增为3.09 kN·m/s。这是因为轨距加宽-5 mm时轮缘与钢轨侧面长时间接触,导致轮缘磨耗功率增大;而后随着轨距继续加宽,轮对冲角和轮轨横向力增大,也导致轮缘磨耗功率增大。

轨距加宽0和15 mm时,轮缘磨耗功率分别占整车磨耗功率的20.1%和32.4%,而轮缘磨耗功率主要来自于WS1外侧车轮轮缘,这将使WS1迅速磨耗到限。

与2.1.2节结论相比较可知,轨距变化对磨耗功率的影响较超高率更显著。在曲线区段,经常发生短期内产生严重侧磨的情况,这很有可能就是由于轨距在车轮冲击作用下发生了较大变化,使得轮缘(钢轨侧面)磨耗功率上升导致的。

3 结论

1)轮对冲角对曲线超高率不敏感,而对轨距变化较敏感。当轨距加宽量由-5 mm增为15 mm,冲角在半径为200 m和400 m时的增幅分别为36.8%和33.8%。

2)轨距变化对轮轨横向力和轮轴横向力的影响较超高率明显,小半径曲线上的轨距加宽不能有效降低轮轨横向力和轮轴横向力。

3)列车处于适当的欠超高状态能减小轮轨磨耗。磨耗功率对轨距和曲线半径非常敏感，当轨距加宽量由0增为15 mm,在半径200 m和400 m时平均磨耗功率分别增加了25.0%和4.1%；

4)车轮和钢轨的磨损是相互伴随的,在曲线线路维护方面应将轨距变化作为重点,同时应避免不必要的加宽,防止由于不正常的轨距变化使钢轨严重磨耗。

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