LMA經濟型踏面的設計及其動力學性能驗證

劉樂平，李海東，藺聰聰，高群群，王林棟

(1 華東交通大學 載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西南昌330013;2 中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，北京100081)

車輪旋修可以顯著改善車輪磨耗后的輪軌接觸幾何關系，提高車輛運行的平穩性、乘坐舒適度。對車輪進行旋修時，如果參照原始車輪型面幾何尺寸，輪緣每恢復1 mm，踏面有用金屬就要旋掉2～3 mm［1］，原始的LMA踏面輪緣厚度為32 mm，當一個磨耗后輪緣厚度為26 mm的車輪旋修時，踏面有用金屬就要被削去12～18 mm甚至更多，而車輛在正常運行時，每運行10萬km踏面有用金屬才磨掉1 mm［2］，因此參照原始LMA踏面旋修造成的經濟損失是很大的。經濟型踏面就是為減少踏面有用金屬切削而制定的旋修參考踏面，其輪緣厚度要小于原始踏面的輪緣厚度，但是依然能夠保證動車組安全、舒適運行。設計一系列經濟型踏面供相關動車所借鑒和使用，有很強的工程價值。

國外對經濟型踏面的研究相對較早，俄羅斯鐵路運輸科學研究院的專家們設計出新的輪緣厚度為30 mm和27 mm車輪修理的踏面外形［3］。歐洲標準EN13715［4］詳細介紹了 1/40th，S1002，EPS 3 種踏面的薄輪緣設計方法并公布3種踏面不同輪緣厚度系列(每相鄰兩個系列之間輪緣厚度差為0.5 mm)的離散坐標值。

TB/T 449－2003公布了輪緣厚度分別為30 mm，28 mm，26 mm 的LM －30，LM －28，LM －26型外形輪廓尺寸用于旋修。北京交通大學的李秋澤和孫守光［6］等人制定了輪緣厚度為28 mm的XP55經濟型踏面，并對其動力學性能進行了驗證。

1 LMA經濟型踏面的設計及相關參數

經濟型踏面的設計，首先應當保證動車組運行安全，輪緣作為防止車輛脫軌的重要部分［7］，是設計的主要環節;踏面作為除了懸掛參數外車輛動力學性能的決定性因素，是設計中的重中之重。為了盡可能減少車輪踏面的旋削量，并兼顧車輛運行安全及動力學性能，現制定經濟型踏面原則如下:統一輪緣高度為28 mm，輪緣內側圓弧不超出原形，輪緣頂部圓弧盡可能小;輪緣外側圓弧應綜合考慮Qr值和70°輪緣角直線的長度，并與R14過渡圓弧整體向輪緣內側方向平移;名義滾動圓輪緣內側方向14 mm處至車輪外側面所有曲線均維持LMA踏面原型;R14圓弧與名義滾動圓輪緣內側方向14 mm之間用相應的曲線過渡。根據這個原則，本文設計的輪緣厚度為30 mm，28 mm，26 mm的3種經濟型踏面與原型LMA踏面對比如圖1，相關的踏面參數如表1所示。

圖1 4種踏面外形對比

表1 4種踏面對應的參數 mm

2 使用LMA經濟型踏面旋修時的車輪壽命分析

假設一個直徑為860 mm的新輪，經過一段運營里程的磨耗后，輪緣厚度變為26 mm，如果旋修時參照原始LMA踏面，則踏面直徑將被切削28 mm，到使用極限直徑為790 mm時最多只能旋2.5次，車輪將報廢;如果旋修時參照LMA－30踏面，則踏面直徑將被切削19 mm，可旋輪3.6次，車輪即報廢;如果旋修時參照LMA－28踏面，則踏面直徑將被切削9.5 mm，可旋輪7.3次。由此可見，經濟型旋修踏面大大提高了車輪的使用壽命，延長了車輛的運營里程。

3 LMA經濟型踏面的動力學性能仿真

車輪踏面的動力學性能主要包括車輛的臨界速度、構架橫向穩定性、車體平穩性、小曲線通過性能，其中小曲線通過性能又涉及脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力、磨耗指數等指標。為驗證3種經濟型旋修踏面的動力學性能，現采用多體動力學軟件ADAMS建立CRH2型動車組的拖車仿真模型，在空車狀態下分別采用LMA踏面和LMA－30，LMA－28，LMA－26這3種經濟型旋修踏面進行仿真計算，將各項動力學指標進行對比分析。

3.1 輪軌接觸幾何關系對比

輪軌接觸幾何關系，重點關注輪軌接觸點分布和輪軌匹配的等效錐度。從圖2中可以看出，在輪對橫移量為－18 mm～18 mm范圍內，4種踏面在車輪名義滾動圓附近處的輪軌接觸點分布完全相同。隨著輪緣厚度的減少，踏面上名義滾動圓輪緣側14 mm以外的輪軌接觸點趨于集中。LMA－30踏面與原型踏面的接觸分布最為相近，而LMA－28和LMA－26則有一定的差異。總體而言，4種踏面與T60鋼軌的接觸點基本一致。

圖2 4種踏面與T60鋼軌的接觸點

圖3是LMA和3種經濟型旋修踏面與T60鋼軌匹配的等效錐度圖，在輪對橫移量為6 mm范圍內，4種踏面與T60鋼軌匹配的等效錐度值完全相同。但隨著輪對橫移量的增加，LMA和LMA－30踏面的錐度值迅速增大，這種變化能很好的兼顧車輛的蛇行穩定性和曲線通過性能，而LMA－28和LMA－26踏面在輪對橫移量為13 mm時，錐度值都不超過0.1°，這不利于曲線通過。

3.2 車輛系統非線性臨界速度分析

通過仿真計算，4種踏面的非線性臨界速度均在520 km/h以上，滿足運營要求。圖4是典型的構架橫向加速度收斂波形:

圖3 4種踏面與T60鋼軌匹配的等效錐度

圖4 典型的構架橫向加速度收斂波形

3.3 車輛系統構架橫向穩定性及車體平穩性對比

采用PSD德國軌道譜進行線路激擾，其譜密度幅值參數界于低激擾和高干擾之間，與國內某客運專線不平順激擾程度相當。對直線和半徑為6 000 m的曲線線路兩種工況進行了仿真分析，并統計了車輛構架橫向加速度的最大值和平均值，車體橫向平穩性的最大值和平均值。如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 直線運行時不同速度級下構架橫向加速度最大值和平均值對比統計

圖6 R6 000曲線運行時不同速度級下構架橫向加速度最大值和平均值對比統計

從圖5～圖7 3張圖中可以看出，直線運行時不同速度級下3種經濟型踏面構架橫向加速度最大值和平均值都相同，且數值都小于原型LMA踏面;在R6 000的曲線線路上運行時，不同速度級下3種經濟型踏面構架橫向加速度最大值和平均值與原型LMA基本相同。在車體平穩性這個指標方面，3種經濟型踏面要優于原型LMA踏面。

3.4 車輛系統小曲線通過性能對比

仿真線路模型采用半徑為250 m的曲線，車輛系統運行速度為70 km/h，對運行過程中的輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率、車輪磨耗指數進行了統計。表2是過小曲線時4種踏面外形對應的輪軸橫向力和車輪磨耗指數的最大值統計;表3是過小曲線時4種踏面外形對應的脫軌系數和輪重減載率的最大值統計。

圖7 直線和曲線運行時不同速度級下車體橫向平穩性

表2 輪軸橫向力和車輪磨耗指數最大值

從表中可以看出，4種踏面外形對應的各項指標的最大值均滿足《高速動車組整車試驗規范》［8］的評價標準。4種踏面中輪軸橫向力LMA踏面最大，而脫軌系數基本相同;LMA－30和LMA－28兩種踏面在輪重減載率和車輪磨耗指數這兩個指標上要高于LMA和LMA－26。從總體上看，在曲線通過性能方面，3種經濟型踏面與LMA踏面無明顯差別。

表3 脫軌系數和輪重減載率最大值

4 結束語

本文通過輪緣外側圓弧和70°斜線及R14過渡圓弧整體向輪緣內側方向平移的方法設計了輪緣厚度分為別為30 mm，28 mm，26 mm的3種經濟型踏面，提高了車輪旋修的經濟性。動力學性能仿真計算表明，3種經濟型踏面各項動力學性能指標均滿足相關標準，而且有一定的安全裕量。

［1］ 劉新明.關于車輪磨耗形踏面和經濟旋削的問答五則［J］.鐵道車輛，1997，35(4):35-37.

［2］ 賈小平.機車輪緣磨耗問題的研究［D］.大連:大連交通大學，2010.

［3］ HOBИКOBBB，胥金榮.修理用統一型薄輪緣車輪踏面外形［J］.國外鐵道車輛，2002(3):37-38.

［4］ European Committee for Standardization.EN 13715-2006 Railway Applications-Wheelsets and Bogies-Wheels-Wheels Tread［S］.CEN，2006.

［5］ TB/T449-2003機車車輛車輪輪緣踏面外形［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［6］ 李秋澤，孫守光，諶 亮，張英春，王安國，任尊松.XP55-28經濟型旋修踏面外形設計及動力學性能驗證［J］.鐵道學報，2013，(1):19-24.

［7］ 任尊松.車輛系統動力學［M］.北京:中國鐵道出版社，1994.

［8］ 中國鐵道科學研究院機車車輛研究所.高速動車組整車試驗規范(暫行)［S］.2011.