基于60 kg/m和60N钢轨的货车轮轨动力学性能比较

2018-11-01丁军君王军平

铁道建筑 2018年10期

吴潇，丁军君，王军平，李芾

(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)

轮轨动力学性能对于行车安全和旅客乘坐舒适度有着重要的影响，钢轨廓型对轮轨动力学性能的影响一直是热点问题，国内外对此进行了大量的理论和试验研究。文献[1]提出轮轨接触应力越大，轮轨磨耗越大。文献[2]指出轮轨外形的合理匹配可以有效地降低接触应力，减小轮轨磨耗。文献[3]提出采用四次多项式拟合轮轨型面函数，从二维角度对轮轨接触问题进行了数值法的研究。文献[4]根据我国重载铁路的钢轨疲劳裂纹分布特点，提出一种以减少疲劳裂纹为目的，降低轨肩到轨距角处钢轨轮廓曲线的型面设计方法。文献[5]提出以减小轮轨接触界面法向间隙为目标的钢轨型面优化算法，并运用该算法对重载铁路钢轨型面进行了优化。

随着铁路运输的发展，为了改善轮轨接触关系，国外铁路对钢轨型面进行了长期优化。欧洲铁路经过10余年的研究，对60E1钢轨轨头进行优化，形成了60E2钢轨，并纳入了2011年版的欧洲钢轨标准;美国铁路于2003年将轨头廓形优化后的136RE(68 kg/m)钢轨纳入AREMA标准，2007年又进行了完善，2011年将新线建设推荐使用的115RE，136RE和141RE这3种常用轨型的钢轨轨头统一进行了优化[6]。目前，我国干线铁路一般采用60 kg/m钢轨型面(以下简称60轨)，其轨底坡为1∶40。根据我国铁路轮轨关系存在的问题，借鉴外国经验，我国铁路近年来也开展了钢轨轨头优化工作，以60轨为原型设计出了60N轨[7]。

轮轨间的几何接触关系对车辆的动力学性能产生很大的影响。钢轨廓形和车轮踏面是影响轮轨几何接触关系的重要因素，不同的钢轨廓形和车轮踏面匹配在一起会导致轮轨接触点的位置不同，从而使轮轨间有不同的作用效果，最终影响到车辆运行的稳定性，并对轮轨材料造成不同的伤损[8]。本文以货车为例，比较研究货车在60和60N这2种钢轨上运行的动力学性能。

图1 C70货车运动学拓扑图

1 动力学模型

本文以采用K6转向架的C70货车为研究对象，其运动学拓扑图如图1所示，其中转向架主要零件包括轮对、轴箱、侧架、摇枕、弹簧、交叉拉杆等。以此为依据采用动力学仿真软件SIMPACK建立车辆-轨道动力学仿真模型。在建模过程中，轮对、侧架、轴箱和摇枕以刚体的形式建模，交叉拉杆和弹簧简化为等效力元，车轮型面采用LM踏面。

2 不同轮轨匹配几何关系的比较

2.1 60轨与60N轨轮廓的比较

60轨和60N轨廓形及其对比如图2所示，60N轨在60轨的基础上将轨顶的5段圆弧调整为7段圆弧。其轨顶圆弧优化的目的是将轮轨接触点集中在钢轨中部以提高车辆行驶的稳定性，减小通过曲线时轨道的侧磨，避免通过曲线时轨距角处发生剥离掉块[9]。

图2 钢轨廓形对比

2.2 轮轨接触点位置比较

图3为车辆在直线上横移量为-9～9 mm时LM车轮踏面与60,60N 轨接触点的位置分布，图4为车辆在曲线上横移量为-13～-6 mm 时LM车轮踏面与60,60N轨接触点位置分布。直线上LM车轮踏面与60N轨的接触点位置较60轨更接近钢轨中心位置，因此60N轨上的光带更居中；通过曲线时轮对在钢轨上的横移量较大，由于60N轨的轨距角较低，因此有效抑制了轨距角出现飞边和剥离掉块。

图3 在直线上轮轨接触点位置

图4 在曲线上轮轨接触点位置

2.3 等效锥度

等效锥度是广泛用于表征轮轨接触几何关系的重要参数之一，是轨道及多体动力学仿真计算、车辆运行性能后验收的主要指标，反应了左右轮径差与轮对横移量之间的关系。在计算得出轮轨接触点后，采用谐波法[11]得到LM车轮踏面与60,60N轨匹配时的等效锥度，如图5所示。可知，在横移量小于9 mm时LM踏面与60轨接触的等效锥度随着轮对横移量的增加逐渐增大，而与60N轨接触时等效锥度变化平缓，保持在0.1附近。当轮对横移量大于9 mm时，2种钢轨对应的等效锥度值都急剧增大。综合来看，在轮对横移量相同的情况下，LM车轮踏面与60N轨匹配的等效锥度值较60轨小。

图5 等效锥度

3 直线动力学性能

车辆在60,60N轨上运行的动力学性能主要通过车辆在直线上运行的稳定性和平稳性来比较。

3.1 直线运行稳定性比较

图6 满载临界速度

图7 空车临界速度

蛇行运动的稳定性是衡量列车运行稳定性的重要指标，是在轮轨蠕滑力作用下车辆运行到某一速度时会产生失稳的自激振动。蛇行失稳时的速度即为车辆运行的临界速度，一般要求车辆运行的临界速度必须高于其最高运行速度，以保证有足够的安全余量[12]。本文通过比较C70货车在60,60N轨上运行时的临界速度来比较其直线运行稳定性。图6、图7分别为货车在60,60N轨上运行的临界速度。可知，货车在60N轨上满载和空车运行的临界速度分别为144，136 km/h;货车在60轨上的临界速度较60N轨小，满载和空车运行的临界速度分别为138，134 km/h。由于LM车轮踏面与60轨匹配时的等效锥度较大，导致车辆在运行时容易发生蛇行失稳。由此可见，LM踏面与60N轨匹配时车辆运行稳定性更高。

3.2 直线运行平稳性比较

基于GB 5599—85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》[13]推荐的运行平稳性评估方法，对车辆在不同钢轨上的运行平稳性进行比较。设定工况为：通过美国5级谱施加轨道不平顺，货车以60～100 km/h 的速度在60，60N轨上直线运行。运行平稳性指标结果如图8所示，在车速低于100 km/h时货车在60，60N轨上的横向和垂向平稳性指标均小于3.5，达到优级。货车在2种钢轨上运行的垂向平稳性指标接近，在60N轨上的横向平稳性指标比60轨小。综合来看，货车在60N轨上的平稳性较60轨更优。

图8 平稳性指标

4 曲线通过性能比较

在比较车辆在60,60N钢轨上曲线通过性能时，根据GB 50090—2006《铁路线路设计规范》[14]设定曲线通过模拟工况，见表1，其中采用美国5级谱施加轨道不平顺，同时行车速度均为平衡速度。

表1 曲线通过模拟工况

在实际中货车通过曲线时轮轨关系较复杂，本文通过比较货车通过圆曲线时产生的横移量、摇头角以及轮轨蠕滑关系、轮轨接触斑面积、作用力、磨耗等指标的平均值来比较货车在60,60N轨上通过曲线的动力学性能。

4.1 轮对横移量和摇头角比较

不同曲线半径下轮对横移量和摇头角分别见图9、图10。由于LM踏面与60轨匹配时等效锥度较大，容易在通过曲线时形成较大的轮径差，因此货车在60轨上的横移量和摇头角都相比60N轨较小。

图9 轮对横移量图10 轮对摇头角

4.2 蠕滑率的比较

不同曲线半径下外轨纵向和横向蠕滑率见图11。货车通过半径相同的曲线时，在60N轨上轮对横移量较大，但LM踏面与60N轨接触点比60轨靠近轨面中心且分布较集中，因此货车与60N轨间的纵向蠕滑率较60轨小。由于横向蠕滑率随摇头角增大而增大，导致货车通过相同半径曲线时在60N轨上的横向蠕滑率较大。

图11 外轨蠕滑率

4.3 蠕滑力的比较

图12 外轨蠕滑力

不同曲线半径下外轨的蠕滑力见图12。可知，货车与60轨间的总蠕滑力始终较60N轨大。由于纵向蠕滑力在轮轨处于蠕滑状态下随纵向蠕滑率的增加呈非线性增加，因此货车在60轨上的纵向蠕滑力较大。货车通过半径小于800 m的曲线时，由于货车与2种钢轨间总蠕滑力的差值较小，在60N轨上的摇头角较大，导致货车与60N轨间的横向蠕滑力比60轨大。在半径大于800 m曲线时，货车在2种钢轨上通过曲线时的摇头角较小，但总蠕滑力的差值较大，因此，货车在通过半径大于800 m曲线时与60N轨间的横向蠕滑力比60轨小。

4.4 轮轨作用力的比较

4.4.1 接触斑面积

由于货车在通过曲线时产生轮对横移量，导致车轮踏面与钢轨的接触点位置、车轮滚动圆半径、车轮踏面横断面半径、轨头横断面外形半径以及接触斑法向力发生变化。本文基于Hertz接触理论对货车通过不同半径曲线时60和60N钢轨对应的轮轨接触斑面积进行分析，结果见图13。由于车轮踏面与60N轨的接触点更靠近轨面中心，而车轮踏面与60N轨接触点处的轨面圆弧半径为200 mm，与60轨接触点处的轨面圆弧半径为80 mm，导致车轮踏面与60N轨间的接触斑面积比60轨大。