輪軌磨耗狀態(tài)下懸掛參數(shù)失效對車輛動力學(xué)性能影響

第一作者吳娜女，博士生，1983年生

輪軌磨耗狀態(tài)下懸掛參數(shù)失效對車輛動力學(xué)性能影響

吳娜，曾京，王憶佳

(西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031)

摘要：為了研究懸掛參數(shù)失效對車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能的影響，建立高速車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型和懸掛參數(shù)失效模型，針對新輪軌、磨耗后輪軌進(jìn)行輪軌接觸幾何關(guān)系和動力學(xué)仿真計(jì)算，分析當(dāng)懸掛參數(shù)正常工作和失效時(shí)，車輛動力學(xué)性能的變化。結(jié)果表明：與新輪軌相比，輪軌磨耗狀態(tài)下的等效錐度、滾動圓半徑差和左右輪軌接觸角度差變大；輪軌磨耗造成蛇行失穩(wěn)臨界速度下降，運(yùn)行平穩(wěn)性和曲線通過能力變差；懸掛系統(tǒng)失效方式不同，對車輛系統(tǒng)動力學(xué)的性能和車體的動態(tài)響應(yīng)影響程度不同；車輛的懸掛參數(shù)優(yōu)化應(yīng)考慮輪軌磨耗的影響。

關(guān)鍵詞：磨耗；輪軌匹配；輪軌關(guān)系；懸掛參數(shù)失效；動力學(xué)

基金項(xiàng)目：鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃(2012J009-A)

收稿日期：2013-11-08修改稿收到日期：2014-04-11

中圖分類號:U463.33文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Effect of wheel/rail wear and suspension system failure on vehicle dynamic performance

WUNa,ZENGJing,WANGYi-jia(Traction Power State Key Laboratory, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract:In order to study the influence of wheel/rail wear on dynamic performances of vehicle systems, the dynamic model of a high-speed vehicle system was built, the geometrical relation of wheel rail contact was analysed and the dynamic simulations of new wheel/rail, wore wheel/rail and reprofiled wheel/rail were carried out numerically. In addition, the vehicle dynamic performances under normal working condition and fault condition of the suspension system were analyzed and compared. The results indicated that the influences of different profile matchings of wheel/rail on wheel/rail wear condition, equivalent conicity, rolling radius difference and left and right wheel-rail contact angle difference are significant; due to wheel-rail wear; the instability critical speed decreases, and the riding quality and curve negotiation ability become worse; the influence of wheel-rail wear should be considered in vehicle system simulation; the geometric relationship of wheel-rail contact and dynamic performance of vehicle can be improved effectively by timely wheel reprofiling or rail grinding; the influence of wheel-rail wear should be considered in the optimization of vehicle suspension parameters when dynamic performance becomes worse under fault conditions.

Key words:wear; wheel/rail match; wheel/rail relationship; suspension system failed; vehicle dynamics

鐵路作為交通工具之一，與其它交通工具相比，具有運(yùn)輸能力大、速度高、節(jié)省資源、安全準(zhǔn)時(shí)、環(huán)境效果好、受氣候條件限制小等優(yōu)點(diǎn)[1]。自我國進(jìn)入高速鐵路時(shí)代以來，隨著列車運(yùn)行速度的提高和運(yùn)輸重量的增大，動力作用越劇烈。尤其是當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)失效能否安全服役是公眾最關(guān)心和擔(dān)憂的問題。

車輛的動力學(xué)性能取決于車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)、懸掛參數(shù)及輪軌接觸狀態(tài)。而這些參數(shù)在車輛的服役過程中始終發(fā)生變化，甚至失效，其結(jié)果可導(dǎo)致高速列車的動力學(xué)性能發(fā)生變化，列車運(yùn)行出現(xiàn)噪音、振動、疲勞等,甚至發(fā)生脫軌事故。目前針對列車安全服役問題，國內(nèi)外很多學(xué)者開展了一系列研究。文獻(xiàn)[2-5]從輪軌匹配和動力學(xué)性能角度分析了車輪磨耗和不同踏面對車輛運(yùn)行的影響。文獻(xiàn)[6]闡述高速列車服役模擬模型的基礎(chǔ)是建立包括材料失效、結(jié)構(gòu)損傷和參數(shù)變化的廣義失效模型，其中對高速列車運(yùn)行性能影響最大的是結(jié)構(gòu)和參數(shù)。高速列車的參數(shù)失效主要是指懸掛參數(shù)和幾何關(guān)系失效，懸掛參數(shù)包括一系和二系的懸掛剛度和阻尼等；幾何參數(shù)變化主要是指踏面形狀、輪重, 輪徑、前后輪對的平行度(或?qū)蔷€)等。懸掛參數(shù)失效的原因有很多，例如減振器漏油、列車高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動造成減振器結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、運(yùn)營環(huán)境，線路條件或元件質(zhì)量問題等。

本文重點(diǎn)建立包括車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型和失效模型的高速動車服役模型，研究輪軌磨耗前和磨耗后狀態(tài)下的輪軌接觸幾何關(guān)系變化，由于輪軌磨耗，車輛的動力學(xué)性能變差，一旦遇到懸掛參數(shù)失效時(shí)，車輛正常運(yùn)營可能會受到一定的影響，因此分析輪軌為磨耗狀態(tài)下懸掛參數(shù)失效對動力學(xué)性能的影響。

1輪/軌接觸關(guān)系研究

1.1實(shí)測輪/軌型面

輪軌型面磨耗變化取決于車型、輪軌材質(zhì)、運(yùn)行及線路條件。研究對象為XP55型踏面，國內(nèi)60 kg/m鋼

圖1　輪軌實(shí)測外形圖 Fig.1 Measured wheel/rail profiles

軌型面。圖1中(a)、(b)分別為XP55型車輪的標(biāo)準(zhǔn)型面、磨耗后型面(車輛運(yùn)行20萬公里后實(shí)測車輪型面)的對比圖和國內(nèi)60 kg/m鋼軌的標(biāo)準(zhǔn)型面、磨耗后型面(鋼軌打磨前實(shí)測軌頭型面)的對比圖。

從圖中可以看出，車輪磨耗主要集中在踏面中部，輪緣磨耗不大。鋼軌為直線線路上測得的磨耗后型面形狀，磨耗主要集中在鋼軌頂面。

1.2輪/軌型面匹配關(guān)系

針對上述兩種輪軌型面進(jìn)行輪軌接觸幾何關(guān)系分析，計(jì)算中不考慮車輪、鋼軌的彈性，車輪名義半徑445 mm，輪對搖頭角為零，軌距1 435 mm，輪對內(nèi)側(cè)距1 353 mm，軌底坡1/40。

圖2、3、4分別為等效錐度、滾動圓半徑差和左右輪軌接觸角度差。從圖2中可見：標(biāo)準(zhǔn)XP55型面車輪的等效錐度隨著輪對橫移量的增加，變化范圍均很小，在輪對橫移量9 mm以內(nèi)，等效錐度值變化較小。輪軌為磨耗后型面時(shí)，等效錐度變大，尤其是在輪對橫移量為1.5 mm時(shí)，等效錐度最大值達(dá)到0.55，曲線整體波動較明顯，甚至出現(xiàn)了凹形形狀，隨著輪對橫移量的增大，等效錐度值增量較小。由于車輪型面磨損造成輪緣變薄，在輪緣貼靠時(shí)，等效錐度變化在跟蹤試驗(yàn)中測試到輪緣附近等效錐度變大，動力學(xué)性能也相應(yīng)變差，橫向振動加劇[7],從中可以看出在計(jì)算車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能時(shí)，應(yīng)考慮輪軌型面變化造成的影響。

從圖3,圖4中可看出，滾動圓半徑差和左右輪軌接觸角差與等效錐度有相同的變化規(guī)律，磨耗后輪/軌與標(biāo)準(zhǔn)輪/軌相比，在同一輪對橫移量時(shí)數(shù)值變大，輪軌間隙變大，在輪對橫移量為1.5 mm時(shí)，滾動圓半徑差與左右輪軌接觸角差發(fā)生突變，與等效錐度變化趨勢相符，這是因?yàn)樵谶@個(gè)位置車輪磨耗垂向磨耗量達(dá)到最大。

圖2 等效錐度Fig.2Equivalentconicity圖3 滾動圓半徑差Fig.3Rollingradiusdifference圖4 左右輪軌接觸角差Fig.4Leftandrightwheel-railcontactangledifference

2懸掛參數(shù)失效下的車輛動力學(xué)行為研究

懸掛參數(shù)失效對車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能的影響較大[8-9]，由于輪軌磨耗后的動力學(xué)性能變差，因此本文計(jì)算懸掛參數(shù)失效模型中采用磨耗后輪軌匹配，分析其對動力學(xué)性能的影響，其中失效工況均為元件全部失效，計(jì)算不同工況和速度等級的車輛系統(tǒng)動力學(xué)指標(biāo)，并對其結(jié)果進(jìn)行綜合分析，穩(wěn)定性和平穩(wěn)性分析在直線上評定，而安全性分析在曲線上評定。本文以某動車為研究對象，選取單節(jié)車輛進(jìn)行計(jì)算研究，考慮系統(tǒng)橫向運(yùn)動和垂向運(yùn)動的耦合，不考慮輪對、構(gòu)架和車體等部件的彈性變形。模型包括一個(gè)車體，兩個(gè)構(gòu)架，兩組抗側(cè)滾扭桿，四個(gè)輪對組成，車體和構(gòu)架間由二系懸掛裝置連接，二系懸掛裝置由空氣簧(每側(cè)一組)、兩個(gè)斜對稱布置的橫向減振器、兩個(gè)抗蛇行減振器和垂向減振器構(gòu)成；構(gòu)架和輪對之間由一系懸掛裝置連接，一系懸掛裝置由一系彈簧、軸箱拉桿和垂向減振器組成。線路曲線參數(shù)為：圓曲線長200 m，半徑2 200 m，前(后)緩和曲線長150 m，外軌超高140 mm，軌道不平順采用我國某實(shí)測線路不平順數(shù)據(jù)。表1為懸掛參數(shù)失效計(jì)算工況。

表1　懸掛系統(tǒng)故障計(jì)算工況

2.1懸掛參數(shù)失效下的車輛運(yùn)行穩(wěn)定性

圖5中(a)、(b)分別為各工況下臨界速度和蛇行失穩(wěn)極限環(huán)幅值對比。非線性臨界速度為首次出現(xiàn)穩(wěn)定極限環(huán)的速度，線性臨界速度為平衡位置出現(xiàn)分叉的速度[10-11]。圖5(a)中橫坐標(biāo)值0-6分別對應(yīng)工況G0-G6，從圖5(a)、(b)可見，各工況下非線性臨界速度均小于線性臨界速度，磨耗后輪/軌匹配的臨界速度與標(biāo)準(zhǔn)輪/軌匹配相比大幅降低，空簧失氣和一系垂向減振器、二系垂向減振器失效對蛇行失穩(wěn)臨界速度影響很小，二系橫向減振器失效造成臨界速度降低，這是因?yàn)椋S著二系橫向減振器阻尼的增大，臨界速度是先增大后減小，二系減振器失效時(shí)，空氣彈簧彈簧也能提供一定的橫向阻尼,可以對構(gòu)架和車體間的橫擺和回轉(zhuǎn)起一定的抑制作用，所以即使橫向減振器失效,其他元件正常工作，車輛仍能保證一定的臨界速度，只是稍微降低?？股咝袦p振器失效影響最大，線性臨界速度降低到190km/h，非線性臨界速度降為180km/h。另外，計(jì)算分析抗蛇行減振器失效數(shù)量，位置不同對臨界速度的影響，計(jì)算表明，對稱位置的失效分布影響最大，臨界速度降為160 km/h。一個(gè)抗蛇行減振器失效影響最小，臨界速度降為270km/h，其余比如失效三個(gè)，前轉(zhuǎn)向架失效，同側(cè)兩側(cè)失效臨界速度接近，在170km/h左右。

圖5　臨界速度和極限環(huán)幅值 Fig.5Critical velocity and limit cycle amplitude

2.2懸掛參數(shù)失效下的車輛運(yùn)行品質(zhì)

圖6為各工況直線軌道平穩(wěn)性指標(biāo)，圖6(a)、(b)和(c)分別為橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和舒適度指標(biāo)?？梢?，輪軌磨耗對車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)影響較大，對垂向平穩(wěn)性和舒適度指標(biāo)影響較小。一系垂向減振器失效和二系垂向減振器失效對橫向平穩(wěn)性指標(biāo)影響很小，一系垂向減振器失效工況的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和舒適度指標(biāo)略有增大，這是因?yàn)榧词挂幌荡瓜驕p振器全部失效，二系減振器、空氣彈簧、抗蛇行減振器和橫向減振器在垂直于軌道面的平面內(nèi)傾斜設(shè)置提供一定的垂向阻尼,仍能保證車輛運(yùn)行具有良好的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)。二系垂向減振器失效的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和舒適度指標(biāo)變化較大，在速度小于160 km/h時(shí)，能達(dá)到車輛平穩(wěn)性優(yōu)的等級?？股咝袦p振器失效時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)增大，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和舒適度變化較小，在速度小于160 km/h時(shí)，能達(dá)到車輛平穩(wěn)性優(yōu)的等級[12]?？栈墒鈺r(shí)對平穩(wěn)性指標(biāo)影響最大，為保證車輛運(yùn)行，應(yīng)對車輛進(jìn)行減速處理。二系橫向減振器失效時(shí)，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和舒適度變化較小，但橫向平穩(wěn)性指標(biāo)反而變小，說明車輛系統(tǒng)對二系橫向減振器的依賴較小，這與橫向減振器的作用相矛盾，這是因?yàn)榭諝鈴椈商峁┮欢ǖ臋M向阻尼另外說明優(yōu)化車輛參數(shù)時(shí)，需考慮輪軌磨耗對其的影響。

圖6　直線軌道運(yùn)行平穩(wěn)性 Fig.6 Riding quality in straight line

圖7給出了直線軌道上車速為160 km/h時(shí)，各工況下車體橫向振動加速度和頻譜對比。表二給出了各工況下車體橫向振動和垂向振動主頻和加速度對比。從圖中和表中可以看出輪軌磨耗造成車體橫向振動主頻增大，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)提高，空簧失氣狀態(tài)下，車體橫向振動加速度幅值最大，甚至超過正常工況五倍，振動主頻由正常工況的1.15 Hz變?yōu)?.3 Hz，幅值變?yōu)?.521 m/s2，因此橫向平穩(wěn)性指標(biāo)在各工況中最大?？股咝袦p振器失效時(shí)，車體橫向振動加速度幅值次之，振動主頻最高，為5.09 Hz，但幅值小于空簧失氣工況，平穩(wěn)性指標(biāo)次之，二系橫向減振器失效，振動主頻反而降為0.86 Hz，幅值變化不大，其它工況車體橫向加速度幅值、振動主頻與幅值變化均不大。與橫向平穩(wěn)性指標(biāo)分析結(jié)果一致。

圖7　直線軌道運(yùn)行橫向振動特性 Fig.7 Lateral dynamic characteristics in straight line

圖8　直線軌道運(yùn)行垂向振動特性 Fig.8 Vertical dynamic characteristics in straight line

故障工況橫向振動主頻和幅值/(Hz,m/s2)垂向振動主頻和幅值/(Hz,m/s2)G01.15,0.06980.96,0.0806G14.50,0.04690.96,0.0782G24.05,0.04520.96,0.0830G30.86,0.06080.96,0.079G44.45,0.05011.01,0.275G55.09,0.05530.96,0.0805G63.320,0.5211.48,0.490

圖9給出了直線軌道上車速為160 km/h時(shí)，各工況下車體垂向振動加速度和頻譜對比。從圖中和表2中可知，輪軌磨耗對車體垂向振動加速度幅值、振動主頻和幅值影響很小。空簧失氣使車體垂向振動主頻和幅值增大，二系垂向減振器失效使車體垂向振動主頻略有降低，但幅值有所提高，一系垂向減振器失效車體振動主頻不變，幅值略有增大。其它工況對車體垂向加速度幅值、振動主頻與幅值影響很小，與垂向平穩(wěn)性指標(biāo)分析結(jié)果一致。

2.3懸掛參數(shù)失效下的車輛運(yùn)行安全性

圖9　曲線通過性能指標(biāo) Fig.9 Curve negotiation ability index

圖9為各工況曲線通過性能指標(biāo)，(a)、(b)、(c)和(d)分別為輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率和脫軌系數(shù)?？梢娕c正常工況相比，各工況下，四個(gè)指標(biāo)隨著速度提高的變化趨勢大致相同，在車速為160 km/h時(shí)呈現(xiàn)較大的變化，這是由于160 km/h附近為均衡速度造成的。圖9(a)中，抗蛇行減振器失效對輪軸橫向力的影響，車速超過120 km/h時(shí)，超出輪軸橫向力限值，空簧失氣影響次之，在車速超過140 km/h時(shí)超出限值，二系橫向減振器失效略有影響，一系、二系垂向減振器失效基本無影響。圖9(b)、(c)中，各元件失效均對輪軌垂向力和輪重減載率稍有影響，但最大值均不超過限值。其中抗蛇行減振器失效和空簧失氣對輪軌垂向力和輪重減載率影響稍大。圖9(d)中，抗蛇行減振器對脫軌系數(shù)的影響最大，在速度超過180 km/h時(shí)，脫軌系數(shù)超過0.8，空簧失氣影響次之，在速度為200 km/h時(shí)，脫軌系數(shù)接近0.8，其余元件失效對輪軌系數(shù)的影響不大。因此一系、二系垂向減振器和二系橫向減振器失效對車輛的曲線通過性能指標(biāo)基本沒有影響，空簧失氣和抗蛇行減振器失效對曲線通過性能指標(biāo)影響較大。一旦出現(xiàn)抗蛇行減振器失效或空簧失氣，當(dāng)車輛行駛速度較大時(shí),輪軌間的橫向力超過了輪軌橫向力的限值,可能會拔起軌道彈性扣件,損壞鐵路,嚴(yán)重時(shí)會造成車輛傾覆 ,給列車安全行駛帶來很大的安全隱患。分別計(jì)算分析抗蛇行減振器失效數(shù)量，位置不同對曲線通過性能的影響，不同失效分布對四個(gè)指標(biāo)的影響趨勢相同，數(shù)值略有差異，其中對稱分布的抗蛇行減振器失效模式對其影響最大，但均小于全部失效模式。

3結(jié)論

(1)比較新輪軌匹配與磨耗后輪軌匹配，輪軌磨耗狀態(tài)下的等效錐度、滾動圓半徑差和左右輪軌接觸角差增大，容易誘發(fā)蛇行失穩(wěn)，造成臨界速度下降，影響車輛的運(yùn)行品質(zhì)。

(2)磨耗輪軌匹配下，懸掛系統(tǒng)故障工況對車輛穩(wěn)定性的影響顯著，輪軌磨耗后雖仍能滿足車輛的正常運(yùn)行，但引起蛇行失穩(wěn)的臨界速度下降；抗蛇行減振器失效及其失效分布形式對臨界速度影響最大，呈對稱分布的失效模型將導(dǎo)致車輛臨界速度急劇下降到170 km/h，因此，一旦出現(xiàn)抗蛇行減振器失效，高速列車需要降速或停止運(yùn)行。二系橫向減振器失效次之，其它工況影響較小。

(3)磨耗輪軌匹配下，懸掛系統(tǒng)故障工況對車輛平穩(wěn)性的影響，輪軌磨耗對橫向平穩(wěn)性影響較大，垂向平穩(wěn)性影響較小；空簧失氣造成橫向平穩(wěn)性和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)提高最為明顯，當(dāng)車速低于100 km/h時(shí)，才能保證車輛運(yùn)行品質(zhì)為優(yōu)；抗蛇行減振器失效對橫向平穩(wěn)性的影響次之，其失效分布形式不同對平穩(wěn)性的影響區(qū)別很大，為保證優(yōu)良的運(yùn)行品質(zhì)，車速需控制在140 km/h內(nèi)；二系垂向減振器失效對垂向平穩(wěn)性影響較大，車輛運(yùn)行時(shí)速最好不要超過120 km/h；二系橫向減振器失效時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)反而變小，說明優(yōu)化車輛參數(shù)時(shí)，車輛的懸掛參數(shù)優(yōu)化應(yīng)考慮輪軌磨耗的影響，在標(biāo)準(zhǔn)輪軌工況和磨耗工況之間取得最優(yōu)值。

(4)磨耗輪軌匹配下，懸掛系統(tǒng)故障工況對車輛曲線通過性能的影響，空簧失氣和抗蛇行減振器失效對曲線通過性能指標(biāo)影響較大，為保證車輛的服役安全，在該線路條件下，車速以低于160 km/h為佳。

(5)比較磨耗輪軌匹配下，懸掛系統(tǒng)故障工況對車體動態(tài)響應(yīng)的影響，輪軌磨耗對橫向振動加速度幅值，振動主頻和幅值影響較大，垂向振動加速度幅值，振動主頻和幅值影響較小，各失效工況對其影響符合車輛平穩(wěn)性指標(biāo)的分析。

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