轨道车辆车轮曲线磨耗特性的速度影响及预测分析

2023-01-10李宁宁刘晶李峰

机械制造与自动化 2022年6期

李宁宁，刘晶，李峰

(1.西安交通工程学院机械工程系，陕西西安 710000；2.西安交通大学机械学院，陕西西安 710000)

0 引言

为有效保障列车安全运行，需控制轮缘达到合适的厚度范围，进行车轮维修的时候则需要将其恢复到原形的状态，每当轮缘的厚度提高1 mm时，需去除约2 mm的踏面金属[1-2]。在修复轮缘的过程中，轮径的消耗比例为1∶6，随着轮缘修复量的增加，会引起动车组轮径的迅速减小，并发生轮径的非正常磨耗，极大提高了动车组实际检修难度，同时增加了列车的运行维护成本[3-4]。根据前期研究可知，车轮发生轮缘异常磨损是受到车辆自身结构、运行控制过程、动力性能与行驶路线的综合影响。目前，许多学者开展了地铁等多种高速列车在小半径运行状态下的轮缘磨耗情况的研究[5-7]。其中，国内学者LI X等[8]通过构建重载铁路磨耗状态仿真模型，发现该仿真模型能够预测曲线段的轨道磨损状态。WANG J X等[9]主要探讨了重载铁路线路在不同曲线参数下的钢轨磨损差异性，对某线城际动车组的运营过程进行调研，发现当城际动车组在上述线路上运行时还会发生车轮的快速磨耗，尤其是轮缘受到明显的磨耗破坏。该研究有助于分析车轮的快速磨耗状态。

为克服线路超高产生的影响以及降低轮轨的磨耗程度，朱锦煜[10]从动力学层面进行理论计算发现，随着小半径曲线形成更大的超高时，将会在外轨侧区域形成更严重的磨损。练松良[11]对比了不同曲线轨道超高条件下的钢轨侧磨程度。根据实验测试结果发现，当实设超高比平均速度计算超高更小时，列车进入欠超高运行模式，能够减轻钢轨方式侧磨的程度。为了提高对轨道车辆车轮磨耗特性预测效果，本文以某线的CRH6A车轮为例，建立磨耗动力学计算模型，分析速度对磨耗性能影响，给出车轮磨耗预测。

1 实测车轮磨耗及曲线分析

本文选择某线CRH6A城际动车组作为研究对象，测试了该车辆在运行初期的50 000 km与接近车轮磨耗到一定程度的250 000 km两种状态的外形尺寸变化，计算了车轮踏面与轮缘发生的磨耗情况。图1给出了车轮型面和标准结构LMA型车轮型面相比较的结果[12]。

图1 车轮外形对比图

根据图1可知，当磨耗到限时，车轮相对最初LMA标准型面的轮缘发生了根部区域模型磨耗的情况，大部分车轮磨耗出现于轮缘侧磨以及轮缘根部。车轮型面产生的磨耗深度最大为10.28 mm，沿轮缘的厚度方向形成的磨耗最大值为5 mm，同时踏面产生的磨耗量是0.62 mm。

为深入探讨车轮磨耗和运行超高之间的相互作用关系，测试了各个非均衡速度下轮轨经过曲线段时发生磨耗的程度，采集了城际动车组实际运行数据。分别记录车辆在各曲线条件下的运行速度，获得实际运行速度相对均衡速度值的差异，最后统计了速度偏差的各项影响因素。

2 速度对车轮磨耗影响分析

2.1 动力学模型

构建城际CRH6A动车组运动模型，表1给出了各项模型参数。

表1 车辆主要建模参数

车辆实际测试线路主要参数见表2。由表2可以发现，列车在这一线路上通常都是以低于非均衡速度的状态通过曲线，车轮在曲线段发生了较高概率的异常磨耗。

表2 线路主要参数

2.2 速度对磨耗性能影响

导向轮属于磨耗程度最大的一类车轮，对导向轮外侧发生磨耗开展分析。为分析不同速度引起的车轮整体与轮缘磨耗状态差异性，计算了各曲线工况下的车轮磨耗功。

分析图2不同曲线半径下的车轮磨耗功和速度变化可知，当曲线半径为500 m时，随着速度的增大获得了更高的磨耗功，此时轮轨产生了较明显的整体磨耗，而整体磨耗功则保持相对稳定的特征。半径超过1 500 m之后，随着速度的增加，车轮磨耗功发生了降低的趋势，同时还可以发现速度在所有半径下都对轮磨耗功造成了显著影响。产生上述差异的原因是，当曲线半径<500 m时，车轮产生了明显的横向位移，同时形成了较大的轮轨冲角以及轮缘导向力，此时形成了基本稳定的整体磨耗功[13]。轮缘处导向力也呈现持续增大，在轮缘处形成了更大的纵向磨耗功Wcx2，获得了更高的整体磨耗功。对于半径为3 000 m的曲线段，速度对轮缘导向力产生的影响较弱，而轮轨冲角则受到速度较明显的影响。对车轮磨耗进行分析可以发现，轮缘部位的纵向磨耗功Wcx2与横向摩耗功Wcy2总和随速度提高而降低，但轮缘区域的整体磨耗发生了降低。当速度提高后，轮轨横向蠕滑力发生了下降，引起踏面横向磨耗功的降低，由于两个主要部分都发生了磨耗功减小，从而引起车轮整体磨耗功也发生降低的变化趋势。当曲线半径达到6 000 m时，随着速度提高，车轮踏面的纵向与横向磨耗功减小，由此导致整体磨耗功也发生下降。通过比较各半径条件下的曲线磨耗功分量可知，提高速度后踏面处横向磨耗功Wcy1减小。这是因为当速度增大的过程中，形成了更高的离心力，对车辆重力的横向分量起到平衡的效果，由此降低了轮轨的横向蠕滑程度，同时获得了更小的横向磨耗功[14]。

图2 轮对磨耗功与速度关系图

从总体上分析，处于小半径运行曲线条件下，因为此时半径尺寸较小，当车辆经过曲线轮缘时与钢轨保持紧贴状态，总体始终保持较高程度的轮对磨耗，不同速度下的轮对磨耗与轮缘磨耗只发生小幅变化。当曲线半径达到1 500 m以上时，轮轨冲角受到速度的明显影响，逐渐提高速度后，形成了更小的轮轨冲角，轮缘和钢轨之间形成了更小的贴靠作用力，降低了轮对与轮缘的磨耗程度。

3 车轮磨耗预测

以LMA构建得到初始磨耗仿真模型，同时设定垂直磨耗达到0.1 mm作为车轮型面更新条件，对车轮型面的磨耗状态进行预测分析。分别计算了80、120与160 km/h速度下经过50 000 km运行后车轮发生磨耗的程度，之后测试了车轮的表面磨耗深度与累积之和。

图3显示了3种速度下测试得到的车轮磨耗深度。其中，运行速度为80 km/h时，在车轮踏面上形成了最深的均分状态。根据表3车轮整体磨耗与轮缘磨耗深度结果可知，当速度提高后，指标值发生了降低。当曲线半径为3 000 m时，形成了相同的磨耗分布与磨耗深度，并且发生了随速度增大而降低的现象，以160 km/h比均衡速度更小的速度运行时车轮产生了明显磨耗。