长春轻轨3号线钢轨轨底坡对列车车轮磨耗的影响

苗壮 左安国 马骙骙

摘要：

为探究小半径曲线钢轨轨底坡对车轮磨耗的影响规律，建立长春市轻轨3号线70%低地板轻轨列车车轮磨耗预测分析模型，包括独立旋转轮对的车辆轨道耦合动力学计算模型、轮轨接触模型和Archard材料磨耗模型，并采用这些模型分析轻轨列车通过小半径曲线轨道时轨底坡对车轮磨耗的影响。分析结果表明：轻轨列车通过小半径曲线轨道时，动车轮对的磨耗程度比拖车轮对更严重，动车轮对总磨耗量为拖车轮对总磨耗量的159%;从轮对自身来看，内侧车轮的磨耗均比外侧车轮的磨耗严重，内侧车轮总磨耗量为外侧车轮总磨耗量的165%;钢轨轨底坡对车轮磨耗的影响显著，车轮踏面最大磨耗量出现位置随轨底坡变化的规律较为复杂，车轮轮缘磨耗量在轨底坡为1/20时最小。

关键词：

轻轨; 轮对; 耦合动力学; 轨底坡; 磨耗

中图分类号：  U260.3111; TP391.99

文献标志码：  B

Influence of rail cant on wheel wear

in Changchun light rail line 3

MIAO Zhuang1， ZUO Anguo1， MA Kuikui2

（

1. Operation Business Department， Changchun Railway Traffic Group Co.， Ltd.， Changchun 130000， China;

2. Shanghai Key Laboratory of Rail Infrastructure Durability and System Safety， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract：

To study the influence of rail cant of small radius curve track on wheel wear， the prediction and analysis models for wheel wear of 70% low floor light rail train of Changchun light rail line 3 are established， which include the vehicletrack coupling dynamic calculation model with independent rotating wheelset， wheelrail contact model and Archard material wear model. These models are used to analyze the influence of rail cant on wheel wear when light rail train passes through small radius curve track. The simulation results show that when the light rail train passes through small radius curve track， the wear of motor car wheelset is more serious than that of trailer wheelset， and the total wear amount of motor car wheelset is 159% of that of trailer wheelset. From the view of wheelset itself， the wear of the inside wheel is more serious than that of the outside wheel， and the total wear of the inside wheel is 165% of that of the outside wheel. The influence of rail cant on wheel wear is significant， and the variation of the maximum wheel tread wear and the rail cant is  complex， and the wheel flange wear is the minimum while the rail cant is 1/20.

Key words：

light rail; wheelset; coupling dynamics; rail cant; wear

0 引 言

长春轻轨3号线是吉林省长春市第一条轻轨线路，位于城市核心区域边缘，围绕城市核心区域北、西、南3个边呈U形，并向净月区组团延伸[1]，全长31.9 km，包含33个站点。长春轻轨3号线的輕轨车辆普遍存在轮缘异常磨耗情况，导致车辆在直线运行过程中横向摆动幅度较大，降低乘客乘车的舒适度，且加剧轮缘与轨道的磨耗。

国内外学者已对车轮磨耗进行大量的研究。KALKER[2]开发FASTSim算法用于计算车轮磨耗，计算结果与实测结果较为吻合，其开发的FASTSim算法在计算精度符合要求的前提下，还可以有效节省求解时间，证明FASTSim算法适用于车轮磨耗的求解。该算法至今仍被很多学者采用。JENDEL[3]采用Archard磨耗模型分析车轮踏面磨耗，基于现场试验验证，认为将Archard磨耗模型应用于车轮踏面磨耗预测是可行的。李霞[4]和LI等[5]采用改进的三维非Hertz滚动接触模型计算轮轨接触应力，并将该接触应力输入建立的车轮磨耗计算模型中计算车轮磨耗，结合车轮每次通过接触斑网格时轮轨接触状态的改变，可以精确计算车轮滚动时接触斑内应力的变化情况，并且针对型面平滑方法，首次提出超光平滑（Super）的概念。丁军君等[6]模拟有轨电车车轮磨耗演变过程，磨耗模型基于Archard材料模型，轮轨接触采用可以同时考虑非椭圆接触斑和多点接触的接触模型，结果表明车轮轮对内侧距对磨耗的影响在直线和曲线工况下是相互矛盾的，在一定范围内轮对内侧距越小对直线工况越有利、对曲线工况越不利。徐凯等[7]编制轮轨磨耗仿真程序，结合SIMPACK高速动车组模型，针对一个镟修周期内的2种动车组车轮，分析车轮磨耗特性及其对车辆动力学性能的影响。周业明等[8]以Ri60R2槽型轨为研究对象，参考车轮磨耗的相关标准，提出轮缘磨耗的推荐最大值。李涛等[9]结合现场实测研究列车车轮轮缘严重磨耗问题，分析钢轨磨耗对列车运行动力学性能的影响。于春广等[10]对某地铁线路的列车车轮磨耗进行现场调查，研究轮缘偏磨的机理，并基于轮轨关系研究悬挂刚度和轮轨摩擦系数等因素，提出减缓车轮磨耗的工程建议。杨新文等[11]基于现代有轨电车与槽型轨耦合动力学系统，建立槽型轨磨耗预测模型，分析钢轨轨底坡对槽型轨磨耗的影响。司道林等[12]和都敏等[13]研究我国现行钢轨轨底坡设置标准下重载铁路和地铁钢轨的磨耗情况。

目前，我国轻轨线路小半径曲线的钢轨轨底坡设置暂无统一规范，因此有必要探究轻轨列车通过小半径曲线轨道时轨底坡对车轮磨耗的影响。本文建立轻轨车辆车轮磨耗预测分析模型，包括独立旋转轮对的轻轨车辆轨道耦合动力学计算模型、轮轨接触模型和Archard材料磨耗模型。基于这些模型，分析长春轻轨3号线列车通过小半径曲线轨道时钢轨轨底坡对车轮磨耗的影响。

1 车轮磨耗预测模型

1.1 车轮磨耗预测流程

车轮磨耗预测模型的计算流程见图1。

首先，建立轻轨车辆轨道耦合动力学模型，并求解轮轨接触点所需的动力学参数;然后，通过Hertz接触算法求解法向接触应力，利用FASTSim数值方法求解切向接触应力;最后，基于Archard材料磨耗模型计算车轮磨耗量。设定车轮磨耗量达到0.1 mm后更新车轮踏面并进入下一次迭代。

Archard材料磨耗模型表达式为

式中：Vw为磨耗体积，m3;KA为磨耗系数;N为法向接触力，N;D为滑动距离，m;H为硬度指数，N/m2。

1.2 有轨电车车辆轨道耦合动力学计算模型

利用多体动力学软件对采用独立旋转轮对的轻轨列车进行建模，全车由“动车+拖车+动车”形式的3个模块组成，见图2。模型基本参数见表1。

车辆轨道系统是一个复杂的多体动力学系统，不仅车辆各组件内部存在复杂的相对运动和相互作用力，而且车辆与轨道也存在复杂的轮轨关系。轨道采用50 kg/m钢轨的有砟轨道模型，施加实测的轨道不平顺。在建模时对轨道和车辆进行一定的简化或者假设：（1）将轴桥轮组、转向架构架、车体等部件视作刚体，忽略其弹性变形;（2）车体、转向架、

轴桥轮组等结构完全对称。

2 结果分析

2.1 线路条件

计算选取的曲线线路示意见图3，其中：横向坐标表示沿线路长度的里程，ZH、HY、QZ、YH、HZ分别为直缓点、缓圆点、曲中点、圆缓点和缓直点;A、B和C点均为线路段的中点。设定车速为v，曲线半径为R，曲线超高为h。

2.2 钢轨轨底坡对轻轨列车车轮磨耗的影响

为研究钢轨轨底坡对轻轨列车车轮磨耗的影响，选择轨底坡分别为1/20、1/40和1/60等3种工况进行计算。为探究曲线轨道对车轮磨耗的影响，假设列车持续往返通过图3中的线路，动车轮对为传统整体轮对，拖车轮对为独立旋转轮对。轻轨列车通过上述小半径曲线1 000 km后，不同轨底坡工况对动车轮对和拖车轮对内、外侧车轮型面影响的变化曲线见图4，其中：x为车轮型面横向坐标，正数方向为轮缘侧;z为车轮型面纵向坐标。

动车轮对内、外侧车轮和拖车轮对内侧车轮的踏面与轮缘均有磨耗，而拖车外侧车轮磨耗位置仅在踏面处。为进一步分析车轮磨耗的变化，计算3种钢轨轨底坡工况下列车通过小半径曲线1 000 km后车轮的磨耗量，见图5。

在不同钢轨轨底坡工况下，列车通过小半径曲线1 000 km后动车轮对与拖车轮对内、外侧车轮踏面和轮缘磨耗量最大值分别见表2和3。由此可知，动车轮对磨耗程度比拖车轮对严重，

按照总磨耗量=踏面磨耗量+0.5×轮缘磨耗量计算，

动车轮对总磨耗量约为拖车轮对总磨耗量的159%。对于轮对自身而言，内侧车轮磨耗程度大于外侧车轮，内侧车轮总磨耗量约为外侧车轮总磨耗量的165%。

随着钢轨轨底坡变化，动车轮对内侧车轮踏面磨耗量平均变化率为48.2%，轮缘磨耗量平均变化率为39.0%;动车轮对外侧车轮踏面磨耗量平均变化率为16.2%，轮缘磨耗量平均变化率为53.3%。随着钢轨轨底坡的变化，拖车轮对内侧车轮踏面磨耗量平均变化率为22.5%，轮缘磨耗量平均变化率为29.6%;拖车轮对外侧车轮踏面磨耗量平均变化率为15.2%，轮缘磨耗量平均变化率为0。

3 结 论

建立轻轨车辆车轮磨耗预测分析模型，计算并分析钢轨轨底坡对长春轻轨3号线列车通过小半径曲线轨道时车轮磨耗的影响，得出以下结论：

（1）轻轨列车通过小半径曲线时，动车轮对磨耗程度比拖车轮对严重，动车轮对总磨耗量约为拖车轮对总磨耗约量的159%。对轮对自身而言，内侧车轮磨耗均比外侧车轮严重，内侧车轮总磨耗量约为外侧车轮总磨耗量的165%。

（2）钢轨轨底坡显著影响车輪磨耗，车轮踏面最大磨耗位置随轨底坡变化而变化，变化规律较为复杂，车轮轮缘磨耗在轨底坡为1/20时最小。

参考文献：

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（编辑 武晓英）