不同磨耗阶段货车车轮动力学分析

刘阳

摘 要：根据某站场实测的C70货车车轮型面，应用多体动力学软件UM仿真分析了不同车轮磨耗时期下，货车动力学性能的变化情况。结果表明：随着磨耗量的增加，货车的临界速度和平稳性有所降低，但都处于合格等级下。标准LM型面车轮踏面与60 kg/m匹配状态最佳。磨耗初期，货车车辆的曲线通过性能略差，但都满足曲线通过性能的相关标准，到了磨耗后期，曲线通过性能反而最佳。

关键词：磨耗车轮;型面;货车;动力学

中图分类号：U270.33 文献标识码：A

0 引言

随着铁路货车轴重的提高，车辆与线路动态耦合作用明显增加，车轮与钢轨磨耗加剧，从而减低了车辆运行的安全性并增加了运营成本[1]。车辆运行时，车轮和钢轨型面的完美匹配既可以有效降低轮轨间的动力作用，又可以改善车辆曲线通过性能，提高车辆失稳的临界速度。

选择适当的车轮型面，不仅能降低轮轨间磨耗，还能减少维修成本，延长车轮使用寿命和旋修周期[2]。C70型货车是铁路货运通用车辆，国铁货车中载重70 t的通用货车已超過30万辆。C70型货车车轮主要故障有车轮踏面擦伤，踏面剥离，踏面圆周磨耗等。踏面圆周磨耗，轮缘垂直磨耗，踏面擦伤及局部凹陷，踏面剥离，车轮裂纹等直接威胁行车安全[3-4]。

本文以C70型货车为基础，从轮轨关系角度出发，基于不同磨耗阶段的货车车轮型面，应用多体动力学软件UM进行仿真计算分析，比较不同磨耗时期车轮型面对货车车辆动力学性能的影响，分析直线运行时的稳定性、平稳性以及曲线通过性能，为货车车轮型面的优化设计提供了参考。

1 C70货车动力学建模和轮轨接触计算

1.1 C70货车动力学模型

应用轮轨型面测量仪对成都北车辆段内30节C70货车车轮的外形进行了测量分析，这些车轮型面数据包含了从标准型面至磨耗到限的各个阶段型面，如图1所示。在这些型面中选取6个典型车轮型面，如图2所示。从图中可以看出，货车车轮主要是车轮踏面和轮缘根部磨耗较为明显。

以C70货车为研究对象，该货车采用转K6型转向架，该转向架主要由1个摇枕、2个侧架、4个承载鞍、2根车轴、4个斜楔、1组交叉拉杆等构成。利用UM软件建立该货车的动力学模型，如图3所示。将测得的车轮型面数据导入到UM中，钢轨型面选用60 kg/m进行计算分析。

1.2 轮轨接触计算分析

计算不同磨耗时期车轮型面与60 kg/m钢轨型面的静态接触点位置，如图4所示。随车轮踏面的磨耗，轮轨接触点的位置从钢轨顶面移向钢轨轨距角，车轮上的接触点从踏面中心移向轮缘根部。LM型踏面与60 kg/m钢轨匹配最好，接触点较均匀分布，其他型磨耗后的车轮与60 kg/m接触性能较差，出现了接触点跳跃较大情况。

2 动力学性能分析

2.1 非线性临界速度

去掉轨道不平顺，让车辆在较高速度下运行一段时间后，给车辆一加速度，车辆的速度逐渐减小至车辆振动收敛，此时运行速度为蛇行临界速度。计算不同磨耗阶段货车非线性临界速度如图8所示。计算结果表明，C70车辆在标准LM型踏面状态下的非线性临界速度最高为176 km/h，随着磨耗的增加，临界速度有所减小，说明随着磨耗的增加，车辆的稳定性逐渐变差。但是均大于该货车最高的运行速度120 km/h。

2.2 车辆运行平稳性分析

根据GB5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》规定：货车运行的平稳性指标按以下公式计算[5]：

式中：W——平稳性指标; A——振动加速度，g; f——振动频率，Hz;F（f）——频率修正系数。

依据平稳性指标W确定货车运行平稳性的等级与表1所示，表中，垂向和横向平稳性采取相同的评定等级。

依据UM动力学软件，选用美国五级谱（ARR5）作为轨道激励进行仿真，分析6种型面的货车以120 km/h的速度运行时的平稳性指标如图9所示。不同时期磨耗车轮对车辆垂向平稳性指标基本上没有太大影响，垂向平稳性指标均合格。但是，不同时期磨耗车轮对车辆横向平稳性指标影响较大，随着踏面和轮缘根部磨耗加剧，车辆横向平稳性指标数值越来越大，标准LM型车轮踏面的横向平稳性最好，但是所有横向平稳性指标均合格。

2.3 曲线通过性能分析

车辆曲线通过性能主要采用脱轨系数、轮重减载率等指标评定。仿真设置的曲线线路为：曲线半径400 m，圆曲线长度200 m，缓和曲线长度90 m，货车运行的速度为80 km/h，轨道激励选择美国五级谱（ARR5）。根据TB/T 2360-93中规定，脱轨系数的评定标准：按优、良、合格三个等级进行划分，对应的脱轨系数（Q/P）分别为：0.6、0.8、0.9，仿真计算脱轨系数如图10所示。随着磨耗量的增加，脱轨系数并非线性增加，磨耗初期（I型踏面），还未达到稳定期，脱轨系数达到了最大为0.431，但也为优秀等级。随着磨耗增加达到了与钢轨匹配的稳定时，磨耗后期的车轮型面脱轨系数有所减小，安全性相对较高。根据GB5599-85中规定，轮重减载率为0.65为第一限度，0.6为第二限度。按照上述条件，仿真计算了不同车轮型面与60 kg/m钢轨匹配时车轮轮重减载率，如图11所示。图中可以看出磨耗后期的轮重减载率小于磨耗初期的轮重减载率，最大轮重减载率发生在磨耗初期（I型车轮踏面），但是各轮重减载率都处于第二限度内。

3 结论

根据成都北站实际测量的C70货车车轮型面，应用多体动力学UM软件仿真计算了不同磨耗时期车轮的货车的动力学性能，得到如下结论：

（1）车轮磨耗主要发生在车轮踏面和轮缘根部位置，随着磨耗量增加，轮轨接触性能变差，轮轨接触点分布越不均匀，接触点跳跃较大，车轮上的接触点位置由踏面中心移向轮缘根部。

（2）随着磨耗量增加，货车非线性临界速度下降，但均大于货车最高运行速度。横向平稳性指标有所恶化，但均处于合格等级内。垂向平稳性变化不大，新车轮LM型踏面的临界速度最高，平稳性最好。

（3）随着磨耗量的增加，货车的曲线通过性能基本不变，但磨耗初期的曲线通过性能最低，磨耗后期脱轨系数和轮重减载率不断下降。

参考文献：

[1]张铁，张军，张剑.不同磨耗阶段轮轨型面匹配下重载货车的动态性能[J].大连交通大学学报，2014，35（01）：6-10.

[2]李响，任尊松，张军.不同磨耗阶段动车车轮的动力学性能分析[J].铁道学报，2016，38（12）：14-18.

[3]侯正国.C70型货车在大准线运行中的常见故障及分析[J].铁道车辆，2009，47（03）：39-40.

[4]杨忠良.铁路货车轮对常见故障分析[J].黑龙江科技信息，2009（09）：11.

[5]沈钢.轨道车辆系统动力学[M].北京：中国铁道出版社，2015.