轮径差对三大件式转向架曲线通过性能影响分析

王文刚，隋顺琦，高贤波，凌亮

轮径差对三大件式转向架曲线通过性能影响分析

王文刚1，隋顺琦*,2，高贤波2，凌亮2

（1.神华铁路装备有限责任公司，北京 100120； 2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

轮径差是我国铁路重载货车运用中常见的一类问题，对车辆的运行稳定性和曲线通过性能有较大影响。为揭示轮径差对三大件式转向架曲线通过性能的影响规律，建立了某型敞车动力学模型，对比分析了四种不同形式轮径差下货车曲线动态响应。研究结果表明：不同种类轮径差对转向架通过曲线的影响有所不同，适当程度轮径差有利于车辆动态曲线通过；前导向轮轮径差状态下，小轮径车轮位于内轨侧时，脱轨系数、轮轨横向力、轮轴横向力三项指标更优；后随轮对轮径差状态下，小轮径车轮位于曲线外轨侧且速度小于70 km/h，更有利于其动态曲线通过；等值同相轮径差状态下，小轮径车轮位于内轨侧时，脱轨系数、轮轨横向力指标更优，反之，减载率、轮轴横向力指标较优；等值反相轮径差状态下，速度低于70 km/h时，转向架以一位轮对右轮小、二位轮对左轮小形态通过右曲线时，其脱轨系数、轮轨横向力、轮轴横向力更优，但轮重减载率更高。

轮径差；铁路货车；曲线通过；动力学性能

随着货物列车载重、运行速度逐步提高，随机载荷激励下轮轨相互作用加剧，踏面伤损日益严重，重载货车轮轨磨耗问题日益突出，轮轨维修成本增加[1-8]。理想状态下同一车轴左右侧车轮具有相同车轮直径，但在实际生产运用过程中，由于受到生产、旋修加工精度和车轮非对称磨耗的影响，导致同一车轴两侧车轮滚动圆轮径不一致而产生轮径差（WDD），随着车辆持续运行，轮径差值逐渐增加，轮轨接触环境不断恶化，影响车辆的临界速度及运行安全性。

研究人员针对轮径差对车辆动力学特性的影响开展了许多研究。黄照伟[9]和韩鹏[10]分析了轮径差对高速列车平稳性、稳定性指标的影响。姚治锋[11]研究了高速车辆轮径差对其临界速度的影响。池茂儒[12-13]分析了轮径差对转向架的运动状态和受力的影响，并根据影响程度将轮径差划分为易稳定、欠稳定和亚稳定三个区域。丁军君等[14]分析了轮对轮径差及安装偏角对高速列车踏面磨耗的影响。王晨等[15]探讨了不同形式轮径差对地铁车辆动力学性能及车轮磨耗的影响。孙士刚[16]研究了在车桥耦合系统中轮径差对踏面磨耗的影响。王伟等[17]分析了轮径差状态下三大件转向架轮缘磨耗演变规律，并指出轮径差大于6 mm后将导致轮缘磨耗。陈嵘等[18]研究了高速列车轮径差对其通过道岔的影响并且提出相应的的运用限值、检修限值。

目前，对轮径差的分析多集中于高速列车及地铁等轨道车辆，对重载货车轮径差的分析相对较少。然而，重载货车因其车辆运行速度及轴重不断增大，车轮磨耗所致轮径差现象也越发普遍。因此，本文针对某型货车，分析其在不同轮径差形式下的曲线通过性能演变规律。

1 轮径差常见形式及其检修限度

理想的标准转向架4个车轮的直径应该完全相等，但在实际运用过程中，车轮踏面磨耗会引起踏面形状的改变从而会引起车轮轮径差的变化。目前，既有的铁路三大件式转向架货车轮径差检修限度主要针对同一车轮、同一轮对、同一转向架、同一车辆四个方面做出规定，如表1所示。三大件式转向架货车实际运用经验表明，同一轮对轮径差出现较为频繁，对车辆检修、维护造成较大负担[18]。车辆轮径差状态形式多样，但基本可以通过图1中四种典型形式组合得到，依次为：前导向轮轮径差、后随轮对轮径差、等值同相轮径差、等值反相轮径差。如果轮对存在轮径差，车轮会通过踏面锥度来调整车轮的滚动圆直径，使轮对中心线偏离轨道中心线向轮径小的一侧移动，直至左右车轮达到动态平衡，进而改变轮轨接触关系，影响车辆系统的动力学性能。

2 仿真分析

2.1 车辆－轨道动力学模型

基于某型货车动力学参数，采用多体动力学软件SIMPACK建立车辆－轨道动力学分析模型，如图2所示，车辆模型由1个车体、2个摇枕、4个侧架、4个轮对和8个承载鞍组成。车体、侧架和摇枕各有6个自由度，轮对考虑6个自由度（纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头；其中轮对垂向和侧滚运动是非独立运动），每个承载鞍有1个点头自由度，整个车辆系统有70个自由度。在建模时，充分考虑了各种斜楔、旁承、心盘等非线性因素，踏面采用标准LM踏面，轨道采用60 kg/m钢轨型面，轮轨法向力和切向力分别使用Hertz非线性弹性接触和Kalker简化理论算法FASTSIM的进行计算。

车辆及线路设置如表2所示，为分析轮径差对车辆曲线通过性能影响，线路未施加不平顺。车辆前转向架设置不同形式轮径差，分别计算不同轮径差、速度下惰行通过400 m小半径曲线，分析其前转向架脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮轴横向力等曲线通过性能指标最大值随速度、轮径差动态演变特性。

图1 轮径差种类

表1 轮径差检修限度

图2 货车动力学模型

表2 车辆及线路参数设置

2.2 仿真结果分析

（1）前导向轮

对于前导向轮径差，轮径差为一位轮对左轮的轮径与右轮的轮径的差值，轮径差为-8～8 mm。轮径差为负表示一位轮对左轮小、右轮大，即小轮径车轮处于外轨侧；轮径差为正表示一位轮对左轮大、右轮小，即小轮径车轮位于内轨侧。

图3为前导向轮轮径差下，脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮轴横向力指标最大值随轮径差变化图。由图可知，脱轨系数、轮轨横向力、轮轴横向力随一位轮对内轨侧车轮轮径减小（即轮径差由负至正）逐渐减小。脱轨系数、轮轨横向力随速度变化并不显著，轮轴横向力随速度增加而增大。当轮径差为负（即一位轮对外轨侧轮径小）减载率随速度变化较小，随轮径差增大有所增大；当轮径差为正（即一位轮对内轨侧轮径小）减载率与速度、轮径差呈正相关。

当前导向轮存在轮径差且小轮径车轮位于内轨侧时，脱轨系数、轮轨横向力、轮轴横向力三项指标更优；当车辆速度小于50 km/h，小轮径车轮位于内轨侧时的减载率更优，随着速度、轮径差进一步增大，小轮径车轮位于外轨侧时减载率更优。在实际运用中，三大件式转向架货车运行速度一般在80 km/h以下，总体上看，小轮径车轮位于内轨侧时更有利于车辆动态曲线通过。

（2）后随轮对

对于后随轮对轮径差，轮径差为二位轮对左轮轮径与右轮轮径的差值，轮径差为-8～8 mm。轮径差为负表示二位轮对左轮小、右轮大，即小轮径车轮位于曲线外轨侧；轮径差为正表示二位轮对左轮大、右轮小，即小轮径车轮位于曲线内轨侧。图4为后随轮对轮径差下，脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮轴横向力指标最大值随轮径差变化情况。

由图4可知，后随轮对轮径差-2～0 mm（即二位轮对左轮与右轮轮径差值小于2 mm）范围内脱轨系数、轮轨横向力相对较小且随速度、轮径差增大有不同程度的增大。减载率与速度、轮径差呈正相关。车辆运行速度低于60 km/h、轮径差超过-2 mm（即二位轮对左轮与右轮轮径差值超过2 mm）轮轴横向力较小。

当车辆存在后随轮对轮径差，对比小轮径车轮位于内、外轨侧的性能指标可知，车辆运行速度小于70 km/h，二位轮对外轨侧轮径较小时更有利于曲线通过。

（3）等值同相

对于等值同相轮径差，轮径差为一、二位轮对左、右轮轮径的差值，差值为-8～8 mm。轮径差为负表示一、二位轮对左轮小、右轮大，即小轮径车轮位于外轨侧；轮径差为正表示一、二位轮对左轮大、右轮小，即小轮径车轮位于内轨侧。图5为等值同相轮径差下，脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮轴横向力指标最大值随轮径差变化分布情况。

由图5可知，当轮径差为负（即一、二位轮对外轨侧轮径小）脱轨系数、轮轨横向力随速度变化较小，随轮径差增大而增大；当轮径差为正（即一、二位轮对内轨侧轮径小）脱轨系数、轮轨横向力随速度增大先减小后增大、与轮径差呈正相关。减载率与速度、轮径差呈正相关。一、二位轮对外轨侧轮径小于内轨侧轮径2～4 mm（即轮径差-4～-2 mm区间），轮轴横向力最小，两侧车轮轮径增大、减小均会导致轮轴横向力增加。

当车辆存在等值同相轮径差，小轮径车轮位于曲线内轨一侧时，脱轨系数、轮轨横向力指标更优；反之，减载率、轮轴横向力指标更优。

（4）等值反相

对于等值反相轮径差，差值范围为-8～8 mm。轮径差为负表示一位轮对左侧车轮轮径小、二位轮对右侧车轮轮径小；轮径差为正表示一位轮对右侧车轮轮径小、二位轮对左侧车轮轮径小。图6为等值反相轮径差下，脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮轴横向力指标最大值随轮径差变化情况。

图6为等值反相轮径差下，曲线通过性能指标随轮径差变化。由图可知，当车辆速度低于50 km/h、等值反相轮径差超过2 mm范围内，脱轨系数、轮轨横向力、轮轴横向力最小且随速度增加而增大。等值反相轮径差-1～2 mm区间内轮重减载率较小，轮径差进一步增大会导致减载率增大。

当转向架存在等值反相轮径差，车辆运行速度低于70 km/h通过右曲线时，一位轮对右轮小、二位轮对左轮小（即轮径差为正），脱轨系数、轮轨横向力、轮轴横向力更优，但轮重减载率更大。

图5 等值同相轮径差对动力学指标影响

3 结论

本文分析了曲线线路条件下，不同种类轮径差对铁路货车转向架动态通过性能的影响规律。主要结论如下：

（1）轮径差分布方式对三大件式转向架动态曲线通过有较大影响，不同分布类型影响有所不同，适当程度轮径差更有利于三大件式转向架动态曲线通过。

（2）前导向轮轮径差状态下，小轮径车轮位于内轨侧时，脱轨系数、轮轨横向力、轮轴横向力三项指标更优；当车辆速度小于50 km/h、轮径差小于6 mm，小轮径车轮位于内轨侧时，轮重减载率更优。

（3）后随轮对轮径差状态下，二位轮对小轮径车轮位于外轨侧、车辆速度小于70 km/h时，更有利于转向架曲线动态通过。

（4）等值同相轮径差状态下，小轮径车轮位于内轨侧时，脱轨系数、轮轨横向力指标更优；反之，减载率、轮轴横向力更优。

（5）等值反相轮径差状态下，转向架以一位轮对右轮小、二位轮对左轮小形态通过右曲线且车辆速度低于70 km/h时，脱轨系数、轮轨横向力、轮轴横向力三项指标较小，但减载率较高。

图6 前导向轮轮径差对动力学指标影响

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Influence of Wheel Diameter Difference on Curving Negotiation Performance of Three-piece Bogies

WANG Wen'gang1，SUI Shunqi2，GAO Xianbo2，LING Liang2

(1.Shenhua Railway Freight Transportation Co., Ltd., Beijing 100120, China；2.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, 610031 Chengdu, China)

Wheel diameter difference (WDD) is a common problem in the operation of heavy haul freight wagons in China, which has a great impact on the running stability and curving negotiation performance of vehicles. To reveal the influence of the WDD on the curve negotiation performance of the three-piece bogies, a dynamic model of freight wagons has established. The dynamic response of freight wagons under four different types of the WDD was compared and analyzed. The results show that different types of the WDD have different effects on the curve negotiation performance, and the appropriate degree of the WDD is conducive to the curve negotiation. For the WDD of the first wheelset, the derailment coefficient, wheel-rail lateral force and wheel axle lateral force are smaller when the small wheel is put on the inner rail side. For the WDD of the second wheelset, the bogie is easy to negotiate the curve when the small wheel is put on the outer side of the curve with a speed limit of 70 km/h. As for the equivalent and in-phase WDD of the first and second wheelsets, the derailment coefficient and wheel-rail lateral force are smaller on condition that the small wheel is put on the inner rail, whereas the wheel load reduction and wheel axle lateral force are smaller when the small wheel is put on the outer side. For the equivalent and inverse WDD, the derailment coefficient, wheel-rail lateral force and wheel axle lateral force are smaller, but the wheel load reduction rate is higher.

Wheel diameter difference；Freight wagons；Curving negotiation；Dynamics performance

TE833

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.01.006

1006－0316 (2021) 01－0037－07

2020－07－29

国家自然科学基金（51825504）

王文刚（1987－），男，内蒙古赤峰人，硕士，工程师，主要研究方向为轨道车辆。

隋顺琦（1993－），男，黑龙江伊春人，博士研究生，主要研究方向为铁道车辆动力学，E-mail：674959078@qq.com。