车轮踏面常规磨耗对高速列车动力学性能的影响

郭 涛， 王 宁， 刘永强

(1.中车唐山轨道车辆有限公司，河北 唐山 063035；2.中国铁路北京局集团公司 石家庄车辆段，河北 石家庄 050000；3.石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043)

随着我国高速列车运营里程的不断增加和运行速度的逐渐提高，车辆系统所受轨道激扰频率增大,轮轨间作用日渐剧烈,结构振动强度不断提高，车轮与钢轨不断磨损，轮轨之间的匹配关系发生变化。车轮磨耗存在于列车运行的各个阶段。即使是车轮踏面的正常磨耗也会改变轮轨接触关系，导致车辆的稳定性、平稳性和安全性受到极大的挑战，会使列车在实际运行中产生大量的动力学问题，如蛇行失稳、车体异常晃动、转向架异常振动等[1-2]。目前解决此类问题的有效办法是镟修车轮，但是这样会带来维修成本的提高，制约其发展。

针对踏面磨耗，国外学者开展了系列研究。Ignesti et al[3]提出了一种铁道车辆车轮轮廓优化磨损模型，用于改善标准S1002车轮轮廓的磨损和稳定性;Kevin et al[4]研究了踏面下凹磨损的影响；Markov[5]采用试验方法研究了钢轨和轮钢的磨损与硬度之间的关系;Shebani et al[6]采用人工神经网络的方法来预测不同接触条件下轮轨的磨损；Yoshioka et al[7]通过将磨损计算程序结合到SIMPACK中来构建初始磨损轮廓预测模型；Telliskivi et al[8]分析了低半径曲线中轮轨接触的变化，模拟轮轨接触的变化形状。国外很多学者将研究重心放在了磨耗机理及磨耗预测上，研究踏面磨耗对动力学性能影响的较少，另外研究主要针对重载货车，研究结果并不适用于高速列车。

国内学者针对踏面磨耗的影响因素进行了研究。刘新元[9]分析了行车速度、曲线半径等因素对轮轨磨耗的影响规律;黄彩虹等[10]研究了钢轨型面、车轮型面、运行速度、轨道不平顺、线路条件、转向架结构和悬挂参数对高速列车车轮踏面磨耗规律的影响；孙效杰等[11]从统计学角度研究了踏面磨耗规律，分析了踏面磨耗对轮轨接触几何关系和等效锥度的影响。还有一些学者针对踏面磨耗对动力学性能的影响进行了分析。黄照伟[12]通过对高速列车长期跟踪实验，分析了车轮踏面偏磨、凹磨及车轮非圆化的原因及影响；王朝涛[13]分析了踏面磨耗对某型高速列车动力学性能的影响。我国学者对轮轨关系及踏面磨耗的机理做了大量的研究，但是关于车轮磨耗对车轮动力学性能影响的研究较少。

本文在线路实测踏面磨耗数据的基础上，通过车辆动力学模型的建立、仿真和分析，研究踏面磨耗量对车辆运动稳定性、运行平稳性和曲线通过性的影响，以期对车轮踏面磨耗状态下的车辆动力学性能进行综合评价。

1 列车跟踪试验数据分析

在武广线上对国内某型高速列车的车轮磨耗情况开展跟踪试验，实际测量了该车的某一固定位置轮对的磨耗量变化情况。测得该列车在镟修后的4个不同运行里程下车轮LMA踏面外形数据：(1)镟后运行0 km；(2)镟后运行79 039 km；(3)镟后运行114 606 km；(4)镟后运行157 690 km。

从图1(a)和图1(b)中2个踏面的外形变化中可以看出，踏面磨耗主要集中在滚动圆中心左右两侧，并且随着运营里程增加，踏面磨耗量增大，导致磨耗不断向两侧延伸，磨耗越来越深，磨耗面积由小变大。最终会导致磨耗后的踏面外形与原型踏面轮廓产生较大的变化，势必会影响轮轨接触几何关系。

图1 轮对车轮踏面磨耗外形对比图

2 高速列车模型的建立

2.1 模型简化假设与动力学参数

图2 高速列车动力学模型结构

以国内某型300 km/h高速列车为研究对象，建立高速列车动力学模型，其模型结构如图2所示。为了方便后续建模和仿真， 对模型进行必要的简化，包括将二系空气弹簧简化为3个笛卡尔坐标方向上的线性刚度系数，忽略车下设备的分布位置对车体惯性的影响，将一系悬挂和二系悬挂部分元件的力学特性进行线性化处理等。

模型主要惯性参数和动力学参数如表1和表2所示。

表1 模型主要惯性参数

表2 模型悬挂系统主要参数

2.2 车辆模型的建立

采用车辆动力学仿真软件VI-rail建立该高速列车模型，选择拖车车辆空载状态进行建模，该模型包括车体、构架、轮对、轴箱等部件，共包括50个自由度。建立的模型如图3所示。初始的车轮踏面采用LMA型，钢轨型面采用CHN60型。抗蛇行减振器非线性阻尼特性如图4所示。

图3 高速列车动力学模型

图4 抗蛇行减振器阻尼特性

2.3 轨道激励

采用德国低干扰和高干扰轨道谱作为轨道激励，这2种轨道谱分别适用于时速高于300 km和250～300 km的高速列车仿真，其轨道不平顺数值模拟时域曲线如图5所示。

图5 高速轨道不平顺曲线

2.4 模型有效性检验

在一条光滑的直线轨道上设置一个振幅为15 mm的冲击激励，让列车以不同的速度行驶，测量轮对质心的横向移动量随时间的变化曲线，可以测得该模型的线性临界速度。仿真结果如图6所示。

图6 车辆模型蛇行运动曲线

从图6所示的仿真结果可以发现，所建车辆模型的线性失稳临界速度为684 km/h，对于运营速度为300 km/h的高速列车而言，该结果比较符合实际情况。

3 车轮磨耗对动力学性能的影响

3.1 车轮磨耗对车辆运动稳定性的影响

依据临界速度的计算方法，计算出2个车轮踏面不同运营里程下踏面车辆的临界速度，如表3所示。绘制了临界速度随踏面磨耗量的变化趋势，如图7所示。

图7 临界速度趋势图

表3 临界速度测量表

由表3和图7可以看出，在踏面磨耗初期，车辆临界速度下降比较缓慢；在踏面磨耗中期，临界速度下降也相对缓慢；而随着运行里程的增加，踏面磨耗达到一定程度后，车辆的临界速度继续下降。总体来看，随着踏面磨耗量的增加，车辆的临界速度呈现出不断下降的趋势。因此，踏面磨耗对车辆临界速度影响较大。

3.2 车轮磨耗对车辆运行平稳性的影响

平稳性评价指标选择Sperling指标。仿真过程选取4种磨耗工况，分别以200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h 4种不同速度通过直线线路，线路长度10 km，仿真计算时间10 s，仿真步数5 120，轨道激扰选择德国低干扰谱。分别绘制横向和垂向Sperling指标随踏面磨耗量的变化趋势，如图8所示。

图8 车轮磨耗对车轮平稳性能的影响

由图8(a)可以看出，踏面磨耗量对横向平稳性影响较大。同一速度下，随着踏面磨耗量的增加，横向平稳性指标逐渐增大。以200 km/h为例，当踏面磨耗量为0 mm增加到0.462 9 mm时，横向平稳性指标增加了15%，会导致车体横向平稳性降低。同时也可以看出，横向平稳性指标随着车辆运行速度的增大而增大，以踏面磨耗量0.199 1mm为例，当车辆速度从200 km/h增加到350 km/h时，横向平稳性指标增加了43%。

由图8(b)可以看出，车辆在同一速度不同磨耗量的状况下，垂向平稳性指标基本保持不变，但同一磨耗量下，随着运行速度增大，垂向平稳性也在增大。例如，踏面磨耗量为0.199 1 mm时，车辆垂向平稳性指标由200 km/h时的1.611 2增长到350 km/h的2.324 7，增长了44%。因此，踏面磨耗量对垂向平稳性影响不大，但车辆运行速度的增加会导致垂向平稳性能劣化。

3.3 车轮磨耗对车辆曲线通过性能的影响

选择曲线半径为12 km的曲线线路，仿真计算时间为20 s，轨道不平顺选用德国高干扰轨道谱。通过仿真分析不同磨耗工况下的4种踏面外形车辆分别以260 km/h、270 km/h、280 km/h、290 km/h、300 km/h 5种不同速度通过上述曲线线路，得到脱轨系数的数值大小。

从图9(a)中可以看出，相同速度级下，脱轨系数随着踏面磨耗量的增加而逐渐增大，踏面磨耗量由0增加到0.462 9 mm时，脱轨系数平均增长了20%左右；而在同一踏面磨耗量下，随着运行速度的增加，脱轨系数也呈现一个增长的趋势，相同磨耗量下车辆速度由260 km/h增加到300 km/h时，脱轨系数平均增长了30%左右。在运行速度不变的情况下，脱轨系数大小与踏面磨耗量的大小成正相关，在相同踏面磨耗量下，脱轨系数随着运行速度的增加而增大。

从图9(b)中可以发现，在同一运行速度下，随着踏面磨耗量的增加，轮重减载率变化不大，上下平均浮动在4.3%；而在同一踏面磨耗量下，随着运行速度的增加，轮重减载率呈现出一种增长的趋势，相同磨耗量下车辆速度由260 km/h增长到300 km/h时，轮重减载率平均增长了25%左右。由此可见，踏面磨耗对轮重减载率影响不大，但是速度对轮重减载率影响较大，随着速度的提高，轮重减载率在增大。

图9 车轮磨耗对车辆曲线通过性能的影响

4 结论

通过利用列车的线路跟踪试验获得的实际车轮磨耗结果，开展高速列车的动力学仿真分析，研究车轮磨耗量对车辆动力学性能的影响。主要结论如下：

(1)踏面磨耗量对车轮运动稳定性的影响较大，且随着踏面磨耗量的增加，车辆的临界速度不断降低。

(2)车轮踏面磨耗量对车辆横向平稳性指标影响明显，对车辆垂向平稳性指标影响不大。随着车轮踏面磨耗量的增大，车辆横向平稳性不断恶化。

(3)车轮踏面磨耗量对脱轨系数有一定的影响，但对轮重减载率的影响较小。

(4)研究结果对高速列车车轮镟修标准的修订有一定的指导意义。