直線電機地鐵車輛異常磨耗分析

摘 要：直線電機地鐵車輛相比傳統的地鐵車輛具有很多優點，但是廣州地鐵四號、五號線使用直線電機地鐵車輛后，車輪踏面出現了異常磨耗。本文把直線電機地鐵地鐵車輛的輪對考慮成彈性體，建立了完整的地鐵車輛的動力學模型。研究發現：彈性體輪對與直線電機的垂向振動加速度明顯增加，增加的原因是直線電機與彈性體輪對彎曲頻率耦合振動。增加車軸的直徑可以使輪對的剛度增加，降低低輪對與直線電機耦合振動的共振頻率以及振幅，降低輪軌垂向載荷、輪軌磨耗功率，解決該地鐵車輛的輪軌異常磨耗。

關鍵詞：彈性體輪對；直線電機；輪對剛度；垂向加速度；垂向力；磨耗功率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.218

直線電機地鐵車輛與傳統的地鐵車輛相比，具有工程造價低、運營成本低、噪聲低、爬坡能力強、曲線通過能力強、維護簡單等諸多優勢，適合在大坡度、轉彎多、城市地質結構復雜的區域內運行，其在城市地鐵的運用前景非常廣泛[1，2]。廣州地鐵四號、五號線率先使用直線電機地鐵車輛[3]。但是，該直線電機地鐵車輛上使用的BM3000轉向架輪對，在車輛運行一段時間后，車輪踏面出現了異常磨耗。

1 直線電機地鐵車輛模型

根據多體系統動力學原理，建立完整的直線電機地鐵車輛的系統動力學模型， 如圖1所示。圖中黃色的桿件為抗側滾扭桿。所以，該直線電機地鐵車輛的整車模型包括1個車體、2個構架、4個彈性體輪對、8個軸箱、2套抗側滾扭桿、2個直線電機以、14個直線電機吊桿以及2個搖枕組成，除了輪對考慮成彈性外，其余部件都為剛體。各部件及一系彈簧、二系空氣彈簧、減振器均根據實際情況進行建模，其中一系彈簧、二系空氣彈簧、減振器的非線性特性以激勵的方式輸入模型。計算工況為滿載工況，輪對的滾動圓半徑0.365m，采用LMA踏面與60kg/m鋼軌型面的匹配，軌底坡為1：40，軌道譜選用德國高干擾譜。

在輪軌相互接觸中，鋼軌和車輪在接觸部位均發生了彈性變形，但是相對于輪對和鋼軌的結構變形，這種接觸部位的微量變形是可以忽略的。因此，彈性體輪對的輪軌接觸關系只考慮輪對本身的結構彈性變形而不考慮踏面的微小變形，文中的輪軌接觸關系為剛性接觸。

2 垂向振動加速度分析

圖2為運行速度從40km/h至110km/h時剛性輪對、彈性體輪對的垂向振動加速度曲線以及吊掛在剛性輪對轉向架和吊掛在彈性體輪對轉向架下的直線電機垂向振動加速度曲線。從圖中可以發現，彈性體輪對的垂向振動加速度明顯大于剛性輪對，彈性體輪對轉向架下的直線電機垂向振動加速度也明顯大于吊掛在剛性輪對轉向架的直線電機，而且隨著運行速度的增加，直線電機以及輪對的垂向振動加速度也單調增加。由于振動加速度始終是正負值之間來回交替，振動加速度的增大就意味著振動加速度的動態變化量增大。

3 輪軌垂向力與脫軌系數

圖3是輪軌垂向力曲線。從圖中可以發現，隨著速度的增加，兩種輪對的輪軸垂向力值都有明顯的增大，但是采用剛性輪對的車輛輪軌垂向力值小于采用彈性體輪對的車輛。圖4為剛性輪對、彈性體輪對的輪重減載率。從圖中可以很明顯的看出彈性體輪對的輪重減載率大于剛性輪對。按動態輪重減載率不超過0.8的標準，采用彈性體輪對時，當運行速度達到110km/h時，輪重減載率接近安全限值。

采用彈性體輪對后，由于受到直線電機與輪對的耦合振動作用，彈性體輪對的垂向振動加速度動態變化量有了很大的增加，這意味著輪對的垂向慣性力增大，進而導致輪軌垂向力的動態變化量的增加及輪軌垂向力峰值的增大，反映在輪重減載率上就是其值的顯著增大。

4 彈性體輪對對輪軌磨耗功率的影響

圖5為車輛運行速度80km/h時，三種輪對的輪軌磨耗功率。從圖中可以看出彈性體輪對對輪軌磨耗功率有很大的影響。當考慮BM3000為彈性體輪對后，輪軌磨耗功率有較大的增加。這是由于車軸受到載荷發生彎曲變形，彎曲變形頻率與直線電機特征頻率耦合共振，使得輪對垂向振動加速度與輪軌垂向力的幅值增加，進而導致輪重的交替變化。地鐵車輛在運行時輪重頻繁的變化，將導致輪軌法向力、導向力的增加，進而加大了輪軌的磨耗功率，在長時間運行后必然導致車輪的磨耗加劇，這就可以解釋為什么該車在運行一段時間后車輪踏面出現了異常磨耗。同時，大的輪軌垂向力變化量還會造成車輛的垂向穩定性的降低，甚至影響行車安全。當采用大直徑車軸后，加大了輪對的剛度，降低了直線電機與輪對的共振，降低了輪軌磨耗功，這說明采用增大輪軸剛度來解決該地鐵車輛輪軌異常磨耗的方法是可行的。

5 結論

把彈性體輪對引入直線電機地鐵車輛，并對該車輛的垂向動態載荷以及輪軌磨耗功進行動力學計算，得到以下結論：

彈性體輪對的垂向振動加速度明顯大于剛性輪對，彈性體輪對轉向架下的直線電機垂向振動加速度也明顯大于剛性輪對轉向架下的直線電機，而且隨著運行速度的增加，直線電機以及輪對的垂向振動加速度幅值也單調增加。導致輪對、直線電機垂向振動加速度幅值增加的頻率為31.5Hz和40.7Hz。這兩頻率是系統的特征頻率。

直線電機與輪對的共振將導致輪軌垂向力的增加，并使得輪重減載率加大。增加車軸的直徑可以增加輪對的剛度，減小車軸的彎曲變形量，降低輪對與直線電機耦合振動的共振振幅。

輪對彎曲變形對輪軌磨耗功率有很大的影響。當考慮BM3000為彈性體輪對后，輪軌磨耗功率有較大的增加，輪對長時間運行將會產生異常磨耗，這和該車在運行一段時間后車輪踏面出現了異常磨耗的情況相符。采用大直徑車軸后，增加了輪對的剛度，降低了直線電機與輪對的共振，降低了輪軌磨耗功，這說明采用增大輪軸剛度來解決該地鐵車輛輪軌異常磨耗的方法是可行的。但是選用多大剛度或多少直徑的車軸合理還需要進一步的計算與試驗驗證。

參考文獻：

[1]胡彥.直線電機地鐵車輛動力學性能研究[D].成都：西南交通大學，2009：1-5.

[2]王景宏.采用直線電機牽引的廣州地鐵車輛[J].機車電傳動，2006（06）：47-52

[3]羅曦春，羅世輝.直線電機地鐵車輛轉向架[J].電力機車與城軌車輛，2008，31（05）：41-44

作則簡介：王娜娜（1984-），女，山東日照人，研究生，助教，教師，研究方向：汽車故障檢測。endprint