弹性旁承对铁道货车车辆车轮磨耗的影响

李子嘉，张浩，戴焕云

弹性旁承对铁道货车车辆车轮磨耗的影响

李子嘉，张浩，戴焕云

（西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

通过对装配有转K2型转向架的C64K敞车进行多刚体动力学建模，运用磨耗系数模型，研究弹性旁承对曲线通过时的车轮踏面和轮缘处的磨耗产生的影响。弹性旁承主要是承载车体重量以及为车辆通过曲线时提供回转阻力矩，会对车辆的整体动力学性能产生影响。在车辆通过曲线时，弹性旁承为车辆提供回转力矩用以抑制车体的摇头以及侧滚姿态，使得车辆可以顺利通过曲线，在此过程中，轮对横移量会受到影响，进而改变踏面及轮缘处的磨耗状态。通过改变弹性旁承的回转阻力矩大小以及车辆载重，计算车辆在通过不同半径曲线时的磨耗情况，由此揭示弹性旁承对车辆磨耗的影响。

弹性旁承；车轮；磨耗；动力学

随着我国重载货运铁路的飞速发展，重载列车发车频率以及货运量逐年攀升。为保证列车良好的动力学性能，工程人员在原有旁承基础上设计出一种新型弹性旁承，这种新装置有助于提升列车运行稳定性、减少磨耗，得到国内外许多学者的关注。吕鹏飞[1]分析了旁承故障发生原因及危害，根据原因提出一系列针对性措施。鲍旭原[2]介绍了一种常接触弹性旁承的基本结构形式以及作用，通过动力学仿真计算，描述了该型弹性旁承的一些参数对临界速度的影响。孙保卫等[3]研究了弹性旁承在小变形和大变形时垂向刚度的一种计算方法。姚广等[4]对低温条件下的一款JC型弹性旁承的性能进行了研究。黄志松等[5]介绍了一种轨道工程车辆旁承间隙值理论算法的推导过程，基于该理论提出了这类车辆旁承间隙的调整方法。李起恩[6]研究了我国铁路货车部分旁承支重摩擦力矩选取方法，并据此计算了弹性橡胶块的最大容许变形量和应力。刘波等[7]在既有旁承的基础上提出了一种能很好地满足铁路重载货车所需弹性旁承的刚度、高低温性能和疲劳特性要求的新型弹性旁承。张养亮[8]从车辆动力学的角度对已有几款旁承提出改进意见。学术界对磨耗的研究比较透彻，已经形成理论体系对轮轨磨耗进行详尽分析。Gongquan Tao等[9]建立了一种考虑轮轨系统固有振动特性对车轮磨损影响的机车车轮磨损仿真模型。PengBo等[10]对车轮多边形磨耗演化的一般条件进行了基础研究，提出了一种铁路车轮多边形化预测的通用工作流程，包括假设、仿真方案和磨损模型。Ye Yunguang等[11]提出一种考虑轮对点头的非赫兹方法计算车轮磨损模型。Jie Kou等[12]考虑了我国城际列车的磨耗型线和曲线轨道的磨耗型线，根据车辆动力学模型、轮轨三维稳态滚动接触模型和Archard磨损模型，提出一种快速计算车轮磨耗的新方法。杜伟[13]研究了铁路货车制动梁对车轮磨耗的影响。

弹性旁承分为常接触型以及双作用常接触型。其基本结构包括锥套形橡胶层、旁承磨耗板、调整垫板、纵向锁紧斜铁等。在车体和转向架之间加装弹性旁承不仅起到承载车体载荷的作用，而且可以有效抑制转向架的蛇行运动，抑制车辆通过曲线时的车体侧滚、摇头运动，提高车辆运行稳定性。作为铁路货车的重要部件，旁承对轮对磨耗也产生了重要影响，其通过影响车辆的曲线通过性能，间接改变轮轨接触关系。现有货运专线，小曲线较多，现有非径向转向架在通过时产生轮缘贴靠磨耗较大，本文利用SIMPACK模型仿真，得出在给定工况下，弹性旁承对轮对磨耗程度以及区域范围的影响，为后续新车设计提供经验参考。

1 研究对象及方法

1.1 车辆动力学模型建立

本文主要是对采用转K2型转向架配装C64K型敞车进行研究。在车辆－轨道耦合大系统动力学理论的基础上，通过SIMPACK软件建立该型货车的多刚体动力学仿真模型。模型包括1个车体、2个转向架、共90个自由度。其中轴箱上8个承载鞍各有1个垂向自由度，四条轮除有6个方向的刚体自由度以外还有1个弯曲自由度及1个扭转弹性自由度，摩擦减震器处8个斜锲各1个垂向自由度，除此之外的体均包含6个自由度（3平动＋3转动）。所建多体动力学模型如图1所示。通过软件对该模型施加大秦谱以贴近列车实际运行状态，减小误差。运行速度以及通过曲线情况在后续有详细说明。求解器采用业界常用的SODASRT2变步长算法，限制步长范围0.1，以保证运算精度。该模型可以从多刚体动力学的角度对车辆相应的轮轨接触参数进行仿真，并用于后续的计算处理。

图1 车辆动力学模型

1.2 轮轨滚动接触模型

工程实际中，多数研究对象为弹性体，并不满足传统理论中Hertz接触的情况，这会使仿真过程中产生较大误差。就机车车辆轮轨接触来说，Hertz理论仅适用于部分情况，比如新轮上线时的接触状态可以近似看作单点接触，此时可视为Hertz接触。但当车轮运行久了后，轮轨之间的关系演变为了共形接触，此时Hertz理论便会产生较大误差，故本文在这块计算中采用业界较为常用的一种非Hertz接触理论。

本文将采用CONTACT轮轨非Hertz接触模型[14-15]对所得到的接触斑的计算结果进行处理。首先计算出接触斑的外形，包括长轴和短轴长度，然后将接触斑所在区域划分成一定数量的子单元，具体数量是权衡计算精度与计算效率给出，之后在每一个单元上的轮轨接触都可视为Hertz接触，接着分别对每个单元上的法向力、蠕滑力、蠕滑率、接触角和接触点坐标进行计算，最后将以上计算结果代入踏面磨耗模型，根据已有车辆结构参数以及动态参数得到接触斑内的磨耗系数。

1.3 磨耗预测模型

车轮磨耗与车辆动力学密切相关，其改变轮轨接触关系，对车辆系统造成影响，反过来进一步改变磨耗的演变过程。轮轨之间的关系好比一对摩擦副，当车辆开始运行时，这对摩擦副便开始做功放出热量，付出的代价就是轮轨磨耗，即踏面甚至轮缘处的材料发生塑性变形或者剥离。

轮轨磨耗最终的体现是车轮以及与之匹配钢轨廓形的变化。在进行动力学分析时，由于轮轨磨耗量的计算方法还不成熟，且计算效率过于低下，不可能都去分析计算轮轨磨耗量，所以需要指定一种指标来对轮轨磨耗程度进行定性分析。综合评价车轮磨耗的指标有多种，包括轮轨摩擦系数、轮轨力、蠕滑率以及冲角等。较磨耗深度而言，赫曼磨耗指数[16]在计算过程中考虑了通过曲线对轮轨磨耗的影响，对铁路货车经常通过小曲线这种情况较为适用。

通过曲线时，由于离心力的影响，外侧轮横移量增大，磨耗增大，甚至出现轮缘贴靠现象，导致轮轨两点接触这种情况出现，这就使得轮缘处产生磨耗，轮轨横向力加大，噪声加大。具体计算如式（1）和式（2）所示。

当踏面接触时：

当轮缘接触时：

2 仿真结果及分析

当车体落车到转向架之后，给予常接触式旁承额定的压缩量，在上下旁承之间产生一定的预压力；当转向架和车体有相对回转或有相对回转的趋势时，在上下旁承的接触面间产生摩擦阻力，因在同一摇枕上左右旁承的摩擦阻力相反，于是形成了适当的回转力矩，该力矩可在一定程度上抑制车体的摇头以及侧滚运动。此处计算将考虑弹性旁承所产生回转阻力矩大小不同对踏面以及轮缘磨耗程度的影响。

当车辆通过曲线时，会受到离心力的作用，为了降低轮轴横向力（轮轴横向力是评价车辆运行安全性的指标之一）、减小旅客承受的横向加速度，可以将外侧钢轨抬高，使得车体处于倾斜位置，这样，钢轨给车的反力以及车体所受的重力之合力充当向心力，使得车辆通过曲线时较为平稳。根据方程可以计算出列车通过曲线时的平衡速度，低于此速度通过称为过超高，高于此速度通过称为欠超高。

2.1 计算方案与工况

工况：有交叉杆方案下，有/无弹性旁承、弹性旁承回转阻力矩正常、弹性旁承回转阻力矩增大一倍（弹性旁承压缩量为14 mm，刚度为3.1 kN/mm）。

计算线路：分别以过超高、平衡和欠超高速度通过350 m、500 m、600 m、800 m半径曲线。

具体仿真线路条件如表1所示。

表1 仿真线路条件

2.2 计算结果及分析

2.2.1 不同工况下冲角计算结果

轮轨冲角指的是列车通过曲线时轮对轴线与轨道曲线径向方向的夹角，是衡量铁道车辆曲线通过状态的一个重要指标。较小的轮轨冲角更有利于列车通过曲线，减小轮轨作用力、磨耗以及噪声的产生。有无旁承以及回转阻力矩是否大一倍情况下冲角的差值如表2所示。

由表2可知，车辆通过曲线时的冲角变化规律与曲线半径以及超高情况密切相关。在工况1中，通过小半径情况下，随着速度的提高，有弹性旁承与无弹性旁承的冲角差值越来越小，在70 km/h时甚至变为负值，可见此种情况下弹性旁承对减小曲线冲角是有帮助的。工况2有着类似规律，只不过在低速时有弹性旁承时的冲角值已小于无弹性旁承的情况。再看弹性旁承回转阻力矩的变化即工况3和工况4就颇为复杂，冲角差值先变大后变小。

车辆通过大半径曲线时的情况与之前有所不同。此时弹性旁承使得重车在高速运行时的冲角增大，通过曲线变得较为困难。弹性旁承回转力矩的影响也有不同，重车旁承正常与回转力矩增大一倍的差值随着速度的提升而提升，可见在此种情况下，全速度区段内，弹性旁承的回转阻力矩越大，冲角越小，曲线通过性能越好。

表2 车辆通过曲线时的冲角数据

注：工况1为空车有弹性旁承对无弹性旁承；工况2为重车有弹性旁承对无弹性旁承；工况3为空车弹性旁承正常对弹性旁承增大一倍；工况4为重车弹性旁承正常对弹性旁承增大一倍。

2.2.2 不同工况下踏面和轮缘磨耗系数计算结果

由图2～5可知，在车辆分别以平衡速度、欠超高速度、过超高速度通过曲线时，磨耗主要集中在踏面区域。重车由于轮轨动作用力加剧，踏面的磨耗程度也在变大，但是轮缘区磨耗较小。部分情况下会出现轮缘贴靠导致的轮缘磨耗。轮缘区磨耗越剧烈，表明列车在通过曲线时的横移量越大，曲线通过能力越低。在过超高以及平衡速度等低速区时，除空车有弹性旁承、回转阻力矩增大一倍工况外，其他时候车轮轮缘处基本无磨耗。对比空车有弹性旁承、回转阻力矩正常工况，增大回转阻力矩会导致其在全速度区段内磨耗程度较大，不适宜列车通过曲线。故车辆在设计时要适当减小回转阻力矩，增强车辆曲线通过性能。从图也可看出，弹性旁承会加剧空车磨耗。

由图5可知，在60 km/h以上的高速区域欠超高运行时，弹性旁承可以明显降低空车轮缘处的磨耗程度。对重车来说，合理范围内，回转阻力越大，高速运行时轮缘以及踏面的磨耗程度都会不同程度变小。

如图2～5所示，空车时弹性旁承提供的回转阻力矩在车体和转向架间的总回转阻力矩所占的比重较大，弹性旁承主要影响空车的曲线通过性能。在350 mm半径曲线，随着旁承回转阻力矩从无到有到增大一倍，空重车的车轮磨耗均随之增大，在500 m以上半径曲线，空车欠超高速度运行时，无弹性旁承工况因车辆稳定性不足晃动较大，而其冲角和轮轨力及车轮磨耗均最大。其余工况下，空车的曲线通过性能指标基本均随旁承摩擦力矩的增大而增大；重车因旁承刚度增大，心盘的承载减小，整个车体和转向架间的回转阻力矩变化影响区间不敏感，因而重车的影响规律不显著。

图2 R350 m半径曲线通过性能（有交叉杆工况）

图3 R500 m半径曲线通过性能（有交叉杆工况）

图4 R600 m半径曲线通过性能（有交叉杆工况）

图5 R800 m半径曲线通过性能（有交叉杆工况）

3 结论

通过研究弹性旁承对车辆轮对磨耗程度的影响，得到以下结论：

（1）车辆在通过小曲线时，整体磨耗随着速度的增加而增大，但在踏面区域，重车的磨耗较空车严重，轮缘区重车磨耗较小一点，此种情况下，弹性旁承所提供的回转摩擦力矩会在一定程度上增大轮对磨耗程度。

（2）空车时弹性旁承提供的回转阻力矩在车体和转向架间的总回转阻力矩所占的比重较大，对车辆曲线通过性能影响最深。

（3）车辆在以欠超高速度通过较大曲线时，较大的回转阻尼会减小重车的磨耗程度。

[1]吕鹏飞. 铁路货车双作用旁承故障分析[J]. 科技与创新，2020（21）：23-24.

[2]鲍旭原. 常接触弹性旁承与货车提速[J]. 铁道车辆，2002（7）：20-23.

[3]孙保卫，王红，商跃进，等. 车辆弹性旁承垂向刚度分析方法研究[J]. 兰州交通大学学报，2009，28（1）：130-133.

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Influence of Elastic Side Bearing on Wheel Wear of Railway Freight Car

LI Zijia，ZHANG Hao，DAI Huanyun

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

In this paper, the multi rigid body dynamic model of C64K gondola car equipped with Zhuan K2 bogie is established, and the wear coefficient model is used to study the influence of elastic side bearing on the wear of wheel tread and rim during curve passing. The elastic side bearing mainly carries the weight of the car body and provides the turning resistance moment for the vehicle when passing through the curve, which will have an impact on the overall dynamic performance of the vehicle. When the vehicle passes the curve, the elastic side bearing provides the turning moment for the vehicle to restrain the shaking head and roll attitude of the vehicle body, so that the vehicle can pass the curve smoothly. In this process, the lateral displacement of the wheelset will be affected, and then the wear state of the tread and the rim will be changed. By changing the turning resistance moment of the elastic side bearing and the load of the vehicle, we calculate the wear of the vehicle when it passes through the curve with different radius to investigate the influence of the elastic side bearing on the wear of the vehicle.

elastic side bearing；wheel；wear；dynamics

U261

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.12.008

1006-0316 (2021) 12-0055-06

2021-04-20

国家自然科学基金：基于切削原理的高速列车车轮多边形磨耗机理的研究（51975485）

李子嘉（1997－），男，山西阳泉人，硕士研究生，主要研究方向为车辆系统动力学，E-mail：744403061@qq.com。