转向架悬挂参数对轮缘磨耗的影响*

任文娟 崔大宾 李 立 陈光雄

(1.西南交通大学机械工程学院 四川成都 610031；2.四川建筑职业技术学院铁道工程系 四川成都 610399)

随着经济社会的发展，人们对出行的要求日益提高，高速列车因其安全、快捷、舒适等因素得到越来越多人的青睐。在高速线路快速发展的同时，也面临着诸多问题，其中轮轨间的磨损是铁路运输中耗资最大的一个问题。车辆在运行过程中列车的牵引、制动和运行都是通过轮轨间的滚动接触作用实现的，车辆、轨道间各种载荷的传递依赖于大小约100 mm2的接触斑，接触斑反复承受轮轨间的各种载荷，极易产生轮轨磨损和滚动接触疲劳破坏现象，每年用于轮轨维护的成本高达几十亿[1-3]。因而，对轮轨磨损成因及其解决办法的研究得到越来越多学者的关注[4]。目前，常见的车轮磨损形式主要有踏面的剥离、踏面凹形磨耗、踏面热裂纹、轮辋外侧裂纹、轮背磨损、轮缘磨损等。

我国高速线路主要以直线和大半径曲线为主，但动车组出入库线、站内线等位置以小半径曲线居多。小半径曲线工况下容易出现两点接触现象，轮缘与钢轨的贴靠将造成严重的轮缘磨损与钢轨侧磨。而轮缘磨耗到限也成为某些动车组线路上轮对服役寿命降低的主要原因。

通过对我国某高速线路动车组轮对磨耗状况的长期跟踪测试发现，该型动车组轮缘磨耗较为严重。即使主踏面仍在服役寿命周期内，轮对却因轮缘磨耗到限而报废。轮对服役寿命的缩短不仅增加了运营维护工作量与成本，对列车的正常运行也十分不利。由于轮缘磨耗主要发生在曲线段，尤其是小半径曲线工况下，而作为高速列车重要组成部分的转向架悬挂系统，对车辆的曲线通过性能有较大影响。目前对转向架悬挂参数的研究[5-11]，主要集中在对车体蛇形临界速度的影响、车辆系统稳定性与舒适性等动力学问题，而悬挂参数对轮缘磨耗的影响研究相对较少。因此，本文作者针对某线路动车组轮缘磨耗异常的问题，分析计算了动车组转向架悬挂参数对车辆动力学性能的影响，进而剖析悬挂参数与轮缘磨耗之间的关系。

1 车轮型面分析

通过长期对动车组线路轮缘磨耗的跟踪测试，文中给出了3种常用动车组实测轮缘磨耗情况，如图1所示。动车组的轮缘磨耗量包括两部分：一部分是车辆运行产生的自然磨耗量；另一部分是因轮缘磨耗降低了轮轨匹配性能，从而对车轮进行镟修带来的轮缘损耗量。相邻2次车轮镟修的时间间隔称为镟修周期。从图1中可以看出，A型动车组的轮缘磨耗在各镟修周期基本相同，且轮缘磨耗量最大；B型动车组车轮在服役初期轮缘磨耗较小，随着镟修周期的增加轮缘磨耗越来越严重；C型动车组车轮型面虽然在第一镟修周期轮缘磨耗较大，但与A、B型动车组相比轮缘磨耗明显较小，而且随镟修周期的增加轮缘磨耗量趋近于0。

根据现场测试发现，车轮出现轮缘磨耗后，为减小车轮镟修量，通常不恢复轮缘厚度。因此，部分车轮给出了薄轮缘镟修型面[12]，而图2中B型动车组车轮镟修型面采用的是镟修模板平推的方法，并无标准薄轮缘镟修型面。该方法导致镟修过程中车轮外形发生变化，型面改变必然造成轮轨匹配问题的出现，进而影响车辆的运行性能。任文娟等[13]分析了采用目前经济镟修方法得到的不同轮缘厚度新镟车轮型面对轮对匹配性能的影响，考虑了车轮型面改变对车辆运行性能、轮缘磨耗的影响。而转向架悬挂参数是影响车辆动力学性能的另一关键因素，为探究悬挂参数与轮缘磨耗之间的关系，文中建立了B型动车组仿真模型并对悬挂参数进行了计算，分析了悬挂参数对B型动车组轮缘磨耗的影响。

图1 实测动车组轮缘磨耗

2 车辆悬挂参数影响

2.1 轴箱定位刚度的影响

转向架是保证动车组安全、平稳运行的关键部件，其悬挂参数对车辆运行性能有一定影响。文中根据转向架中各构件的作用，对影响列车直线运行性能和曲线通过性能的参数进行分析计算。

轮对剪切刚度和弯曲刚度是影响轮对蛇形运动稳定性的主要因素，如图2所示。对转臂式轴箱定位而言，横向定位刚度相当于轮对剪切刚度，纵向定位刚度相当于轮对弯曲刚度[14-15]。相邻轮对须同时具有一定的弯曲刚度和剪切刚度时才可以使车辆具有足够的蛇形稳定性。但刚度的选择应兼顾车辆的直线运行性能与曲线通过性能。刚度选取的相关规定可参考文献[16]。

图2 轮对运动模式[14]

轮对弯曲运动模式与剪切运动模式共同决定了车辆直线运行性能及曲线通过性能。目前动车组大多采用了较大的弯曲刚度，从而很好地制约了轮对的蛇形运动，提高了列车的临界速度。文献[14]给出了不同定位刚度下临界速度的变化趋势，如图3所示。可以看出，若有效提高车辆临界速度，须增大轴箱纵向定位刚度(即弯曲刚度)，减小轴箱横向定位刚度(即剪切刚度)。但弯曲刚度较大轮对通过曲线时将不会趋于径向位置，主要依靠车轮踏面锥度提供的轮轨蠕滑力所产生的转矩使转向架通过曲线，这将限制转向架的曲线通过能力。当轮轨蠕滑力矩不能使转向架顺利通过曲线时，将发生轮缘与钢轨的贴靠，必将导致较大的轮缘磨耗现象。

曲线通过性能与直线运行性能对轮对的运动磨耗要求相反。曲线通过时要求尽可能小的弯曲刚度，使轮对可以沿钢轨径向方向通过曲线，避免过大的轮轨冲角及轮轨两点接触现象。这是因为当轮轨发生两点接触后，主踏面接触点A主要承受轮轨垂向力，同时承担轮轨蠕滑产生的切向力。轮缘位置接触点B主要承受横向力，且该点为滑动摩擦，点B的横向力大小对轮缘磨耗有很大影响。由于目前轮轨发生两点接触时的接触应力无法准确给出，因此只能对两点接触状态下的受力情况作定性分析。此外，轮轨滚动接触瞬间，接触点B绕点A的旋转同样造成了轮缘处材料的磨损。轮轨两点接触状态示意图如图4所示，图中FN2为接触点B处的法向力;FN1为接触点A处的法向力；yG为轮轨游隙；b为两点接触纵向距离；h为两接触点的垂向距离；L为两接触点横向距离；d为滑动臂长度。

图3 轴箱定位刚度对临界速度的影响[14]

图4 轮轨两点接触状态示意[17]

其中，当车辆以较低速度通过小半径曲线时，轮轨横向力可用如下公式表示:

Flateral=FN2cosτ+FN1sinγ

(1)

式中:Flateral为轮轨横向力；τ为轮缘角即70°；γ为接触点处的接触角。

从公式(1)中可以看出，在轮轨横向力相同的情况下，由于轮缘角为固定值，若想降低轮缘力FN2，可通过增大主踏面接触点A处的接触角γ实现。由于接触角与车轮型面等效锥度相关，提高车轮型面等效锥度可以增大接触角γ[17]。故而，对轮缘力的改善可从型面优化角度出发。

另外，在图4中，在相同条件下轮缘磨耗量的大小取决于轮缘力FN2的大小和滑动臂的长度d。根据图4所示的几何关系可得到下式[18]：

(2)

式中：φ为轮轨冲角。

从公式(2)中可以看出，影响滑动臂长度的主要参数为轮轨冲角，且冲角越大，滑动臂越长，轮缘磨耗越严重。

因此，文中分析了轴向定位刚度对轮轨横向力与冲角的影响，结果如图5、6所示。可以看出，轮轨冲角及轮轨横向力的主要影响参数为纵向定位刚度。随着纵向定位刚度的增大，轮轨横向力及冲角呈先增大后稳定的趋势。这主要是由于轮对的纵向定位刚度决定了轮对的摇头运动模式，车辆通过小半径曲线时，由于较大的纵向定位刚度导致轮对难以发生摇头运动模式，从而使轮轨冲角增大，轮缘与钢轨贴靠产生较大的轮轨横向力。从计算结果中可以看出，要降低轮轨冲角，可以适当降低轮对纵向定位刚度；但要降低轮轨横向力，需对定位刚度做较大的调整。

图6 轴箱定位刚度对横向力的影响

2.2 抗蛇行减振器的影响

抗蛇行减振器是高速转向架上必备的元器件。抗蛇行减振器特性主要体现在3个参数上：阻尼系数，卸荷力与串联刚度[18]。一般采用卸荷力与卸荷速度表示减振器的非线性特性。卸荷前的卸荷力与卸荷速度的比为减振器的第一阻尼系数。第一阻尼系数越大，减振器抵制构架与车体的相对摇头运动越有效。图7示出了抗蛇行减振器卸荷速度与卸荷力对临界速度的影响[14]。可以看出，有效提高车辆的临界速度可通过增大卸荷力，减小卸荷速度实现。

图7 抗蛇形减振器对临界速度的影响[14]

抗蛇行减振器第一阻尼系数的提高，会导致车体与构架间的摇头运动变得困难。当车辆通过曲线时，前后转向架相对于车体的摇头运动减小，从而导致轮轨间冲角的增大，不利于车辆的曲线通过。图8、9示出了计算得到的通过曲线时的冲角最大值和横向力最大值。图中的数据也验证了上述规律，但从图中也可看出冲角及轮轨横向力在整个计算范围内变化幅值较小。这是因为减振器是通过抵制链接两结构体的相对速度差而起到减振效果，计算工况中列车通过曲线的速度较低(10 km/h)，即使小半径曲线上构件与车体存在较大的相对摇头位移，但其相对摇头速度很小。故车辆低速运行时，减振器对其曲线通过性能影响不大。

图8 通过曲线时的冲角最大值

图9 通过曲线时的横向力最大值

2.3 空气弹簧的影响

空气弹簧是二系悬挂系统中的主要支撑元件，其水平刚度(横、纵向刚度相同)对抗蛇形减振器影响较大[14]。因此，文中计算了曲线工况下空气弹簧对轮轨冲角和横向力的影响，结果如图10、11所示。可以看出，随着空气弹簧定位刚度的增加，轮轨冲角与横向力呈线性增加趋势，不利于车辆的曲线通过性能；而且空气弹簧定位刚度的增加对车辆横向平稳性指标有直接的影响[19]。图12所示为空气弹簧定位刚度对临界速度的影响。可见，与曲线工况不同，增大定位刚度临界速度有上升的趋势，但并不明显[14]。

图10 空气弹簧水平刚度对冲角与横向力的影响

图11 空气弹簧水平刚度对临界速度的影响[14]

图12 轴距对冲角与横向力的影响

2.4 轴距的影响

另外，转向架设计过程中通常认为轴距对车辆的直线运行及曲线通过能力存在较大影响[19-20]。轴距越大车辆越稳定，但曲线通过性能越差。为探讨轴距对车辆通过联络线时的轮缘磨耗的影响，对转向架轴距进行了调整，计算了轴距对车辆临界速度及轮轨冲角、轮轨横向力的影响规律，结果如图13、14所示。可以看出，临界速度随轴距的增大呈上升趋势，轮轨冲角随轴距的增大呈线性增长趋势，但轴距对轮轨横向力几乎无影响。这主要是由于车辆通过小半径曲线时已发生轮缘与钢轨贴靠，并为绝大多数轮对摇头提供了所需的回转力。而轮对摇头运动主要受纵向定位刚度的限制，故单从轴距上进行调整，难以有效减小轮轨横向力。

图13 轴距对临界速度的影响

转向架的其他悬挂部件，如一系垂向减振器及一系弹簧，其主要用于缓解轮轨振动向上层结构的传递；横向减振器主要抑制构架与车体的横向相对运动；空气弹簧主要是二系垂向减振部件。这些参数对提高车辆的乘坐舒适性必不可少，但对车辆通过小半径曲线时的轮缘磨耗关系不大，这里就不再进行讨论。此外，线路条件在实际运营中通常是固定不变的，文中并未讨论线路条件不同对轮缘磨耗的影响。根据以往研究不难得出，在其他工况不变时，一般车辆运行速度越大轮缘磨耗越大，轴重越大车辆动力学性能越差，轮缘磨耗也越严重。故而文中也未详细讨论这些参数的影响。

3 结论

(1)转向架悬挂参数中轴箱定位刚度对车辆通过小半径曲线时的轮轨冲角及轮轨横向力有较大影响，进而影响小半径曲线下的轮缘磨耗。

(2)轴距与抗蛇行减振器对低速下车辆的曲线通过性能存在一定影响，但影响不大。

(3)减小轴箱定位刚度虽然可以降低小半径曲线下的轮轨力，但必须对刚度做大的调整才可实现。在既有车辆下，与更换车轮相比改变轴箱定位刚度更加困难。后续作者将从车轮型面优化的角度探究车轮型面改变对轮缘磨耗的影响。