研究車輪型面磨耗對車輛服役性能的影響

摘 要：以動(dòng)車組單節(jié)車輛作為研究對象，采用定期測定車輪外形和輪徑，結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行路線，構(gòu)建車輪動(dòng)力學(xué)仿真模式，并進(jìn)行分析其動(dòng)力學(xué)特性。研究結(jié)果顯示，等錐度低于0.42以及車輪型面下凹深度低于2mm時(shí)，才能保證車輛運(yùn)行速度在>399km/h。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；車輪面磨耗；服役性能

我國地域廣闊，鐵路路行程長、跨度大，不同地區(qū)的溫度、濕度差異大。車輛運(yùn)行線路條件不同，使車輪服役的條件差異較大，隨著車輪的磨耗，其型面不斷發(fā)生改變，接觸關(guān)系發(fā)生變化，影響到車輪服役壽命[ 1 ]。本研究主要采用多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行仿真分析方法，研究車輪型面磨耗對車輪服役性能的影響。

1 車輪磨耗仿真

1.1 仿真設(shè)置

本次研究共對一個(gè)動(dòng)車組的8個(gè)車輪進(jìn)行研究，使用WP-D型測量儀測量車輪型面和輪徑，每隔1個(gè)月測量1次，總共測量5次，獲取5組實(shí)測數(shù)據(jù)，并整合為5個(gè)磨耗工況，分別設(shè)為S1、S2、S3、S4、S5，采用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立仿真模式，分析輪軌接觸幾何關(guān)系和作用力。車體動(dòng)力學(xué)仿真模型部分參數(shù)如下表1所示：

1.2 車輪輪徑差變化

通過定期測量發(fā)現(xiàn)，車輪輪徑差值最大約8mm，車輪型面嚴(yán)重下凹，左、右兩邊車輪徑最大差值為2.51mm，已超過鏇修閾值。

詳見表2，輪對兩側(cè)同時(shí)存在磨耗，但兩邊的磨耗量有所不同，其中以滾動(dòng)圓近處的磨耗量較大，踏面以及輪緣均存在磨耗，而左、右車輪間最大的輪徑差分布在前轉(zhuǎn)向架處，前轉(zhuǎn)向架輪對的磨耗量大于后轉(zhuǎn)向架，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，車輪磨耗加劇，輪徑和標(biāo)準(zhǔn)輪徑差不斷增大。

2 實(shí)測型面的輪軌匹配

車輪磨耗使車輪型面和輪徑發(fā)生改變，輪對也隨著發(fā)生橫移和搖頭，需尋找新的平衡位置與鋼軌匹配，確保車輛安全。依輪對位次隨著一位輪的偏移量逐次減小，要獲得新的平衡點(diǎn)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整前導(dǎo)輪的偏移量[ 2 ]。

偏移量為2mm時(shí)，輪軌接觸關(guān)系惡化，當(dāng)車輪錐度為0.4時(shí)，各工況的輪位差異較小，臨界速度差異較小，當(dāng)車輪錐度逼近0.42mm時(shí)，臨界速度開始大大下降，詳見表3。

偏移量的增大使轉(zhuǎn)向錐度發(fā)生變化，從而影響車輪臨界速度發(fā)生變化，因此工況5的臨界速度變大。因此，在直線運(yùn)行狀態(tài)下，輪軌匹配低于0.4mm時(shí)，車輛的臨界速度可保持在400km/h以上，從而確保車輛正常運(yùn)行。

3 動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 輪重差和減載率

從實(shí)測數(shù)據(jù)可看出，隨著運(yùn)行里程的增加，車輪型面?zhèn)染壻N靠發(fā)生頻率增加，可出點(diǎn)兩點(diǎn)或多點(diǎn)的接觸關(guān)系，曲線運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生頻率高于直線運(yùn)行狀態(tài)，造成左、右車輪型面磨耗產(chǎn)生差異。

造成車輪靜態(tài)下輪重產(chǎn)生差異，輪重減載率也發(fā)生變化，靜態(tài)下左、右車輪輪重差最大3.1kN，與標(biāo)準(zhǔn)輪重52kN比高達(dá)5.8%，超過安全標(biāo)準(zhǔn)IEC6113的4%、GB/T3317-2006的2%[ 3，4 ]。

本研究設(shè)置車輛運(yùn)行速度為250km/h，運(yùn)行曲線半徑8000m的圓曲線，在不同的工況情況下，輪重及輪重減載率震動(dòng)率如表4所示，隨著車輪磨耗加劇，減載率緩慢增加，車輪輪徑減小，下凹量增大，車輪承受的載荷發(fā)生變化，隨著運(yùn)營時(shí)間越久，車量經(jīng)過曲線的安全性逐漸下降，在超高條件下，脫軌系數(shù)增大。

3.2 車輛磨耗

輪軌型面磨耗使輪軌接觸關(guān)系發(fā)生變化，接觸點(diǎn)處踏面曲率半徑和接觸面積減小，造成應(yīng)力增大，加劇車輛磨耗[ 5 ]。各工況下磨耗隨著運(yùn)行里程增加而加劇，造成車輪型面下凹深度越深。S1-S4工況下車輪磨耗功率增加率較低，分別為2.1Nm/s、4.6Nm/s、4.8Nm/s、5.7Nm/s。S5磨耗功率最大，高達(dá)8.7Nm/s，可見車輪下凹深度<2mm時(shí)，磨耗功率增加率較低，當(dāng)下凹深度>2mm時(shí)，磨耗功率增大。

4 結(jié)論

本研究僅測定5次，以實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真研究5種工況下車輪型面磨耗對車輛的影響，雖然測值量滿足車輛運(yùn)行要求，但在車輛實(shí)際運(yùn)行中，需考慮多種動(dòng)態(tài)因素對型面磨耗的影響。

隨著車輪型面的改變，車輛動(dòng)力學(xué)也隨著發(fā)生變化，尤其對于工況S5型面，磨耗較大，對車輛的影響較大，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行鏇修，防止鋼軌過大勞損，鏇修后可極大恢復(fù)車輪動(dòng)力學(xué)性能。

車輪型面的磨耗主要引起車輛靜態(tài)力學(xué)性能的改變，同時(shí)引起靜態(tài)接觸關(guān)系改變，造成車輛運(yùn)行的安全性下降，尤其對于車輛前傳向架的影響較大，若設(shè)定等錐度值為≤0.4，保持車輛的安全性。車輪型面出現(xiàn)下凹時(shí)，可加劇車輛磨耗，磨耗下凹>2mm時(shí)，車輛的安全性極大下降，影響到車輛的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李煜，張劍，張雪珊.車輪型面位置偏移對車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（01）：18-23.

[2] 韓鵬，張衛(wèi)華.輪對結(jié)構(gòu)彎曲及型面磨耗對高速列車振動(dòng)性能的影響[J].振動(dòng)與沖擊，2015（05）：207-212.

[3] 韓鵬，張衛(wèi)華，李艷，黃冠華.輪對磨耗與輪徑差對高速列車動(dòng)力學(xué)性能的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2013（06）：47-53.

[4] 張衛(wèi)華，李艷，宋冬利.高速列車運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（01）：1-9.

[5] 張冰玉.基于SIMPACK的高速動(dòng)車組建模與仿真[J].天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào)，2016（03）：33-38.

作者簡介：李亭（1988-），男，漢族，陜西綏德人，碩士，助教，專業(yè)：車輛工程，研究方向：車輛自動(dòng)化控制、人工智能。