踏面形狀對地鐵車輛動力學性能及輪軌磨耗影響研究

雷 洋 李越超

沈陽地鐵集團有限公司運營分公司

1.動力學性能評價指標

1.1 車輛運行穩定性評價

當車輛運行速度達到一定限定值時，傳統輪對結構的車輛在婦滑力的作用下會產生蛇形運動發散的趨勢，即蛇行運動呈現不收斂，車輛運行失穩。因此，在設計研究車輛懸掛系統參數時，要考慮車輛運行的實際環境，選擇相對合理的橫、縱向車輪定位剛度，在確保車輛運行穩定性的同時，盡可能提高曲線通過性能。自20世紀早期，Carter開始研究輪軌間滑理論和蛇行運動以來，車輛運行穩定性的研究就逐漸深入。目前，車輛運行穩定性研究的判定依據已多種多樣。國際鐵路聯盟UIC等研究機構結合車輛實際運行時的狀態，給出了適用于線路動力學試驗的穩定性判據。

1.2 車輛運行平穩性評價

車輛運行平穩性指標和舒適度指標可以用來評定車輛運行平穩性，這些指標不僅與車輛自身運行性能息息相關，也與乘客對車輛運行產生振動的反應有關。

平穩性指標一般以Sperling指標和ISO標準進行衡量，本文主要應用Sperling平穩性指標和車體最大振動加速度來評定客車運行平穩性。

1.3 車輛運行安全性評價

鐵路車輛在通過曲線線路時，車輪與軌道相互作用會使得輪軌間出現較大的橫向力，致使輪軌磨耗發生。在通過曲線時，在輪軌間會產生摩擦螺滑力和輪緣力這兩種力，車輛其他部件會產生離心力、制動力和牽引桿力在轉向架各輪之間均勾分布。

車輛具有良好的曲線通過性能則表明通過曲線時輪軌間作用力相對較小，輪軌磨耗較小。因此，車輛上各個部件間的相互作用力也大大降低；車輛在曲線上運行阻力也會隨之下降，牽引力也會降低，能耗消耗降低，鐵道車輛曲線通過的計算可以確保列車安全進行、降低輪軌之間作用力，并且制約懸掛系統的參數選擇。

2.車輪踏面形狀對車輛動力學性能的影響

2.1 地鐵車輛運行穩定性受到不同踏面的相應影響

為了觀察地鐵車輛的穩定運行情況，我們通過地鐵蛇行運動時的臨界速度來進行考量。我們都知道車輛車輛蛇形運動的時候，在車輪和軌道接觸的過程中會發生振動，因此速度并非線性的，我們要通過一個多極系統來對地鐵蛇形運動時的速度進行分析，通過查找資料我們找到了該運動的微分方程組的矩陣方程，如下所示：

表1 兩種地鐵裝載不同踏面新輪空車時的蛇行失穩臨界速度

通過上表我們可以看出，相同條件下，地鐵裝配了DIN5573型踏面的車輛臨界速度較高，也就是說該踏面形狀對于車輛的穩定作用較好，這是因為不同踏面的車輪在幾何參數方面呈現不同的情況，也就影響了地鐵車輛蛇形運動的臨界速度。

2.2 踏面形狀對運行平穩性的影響

在分析車輛運行平穩性時，線路激擾采用美國V級線路譜。采用2種不同踏面的車輛在40～90km/h間運行時的平穩性。

踏面形狀對橫向平穩性指標的影響比較明顯，采用LM磨耗型踏面的車輛，其橫向平穩性相對較差，而采用DIN5573踏面時，橫向平穩性則較好，其原因還是由于在相同的輪對橫移下DIN5573踏面的等效錐度比LM磨耗型踏面小，使得采用DIN5573踏面的車輛橫向穩定性優于采用LM磨耗型踏面的車輛，從而使得其橫向平穩性相對較好。

2.3 地鐵車輛曲線通過安全性受到不同踏面的相應影響

地鐵車輛曲線是車輛超高和定曲率半徑等共同決定的圓曲線構成的，我們通過使車輛通過一定曲率的曲線，計算在通過曲線過程時輪軌所受到的作用力，并對這一作用力進行各項性能指標的轉化根系，并根據我國相關法規的定值來評定地鐵車輛曲線通過的安全性。車輛運行速度的計算公式如下：

其中，V表示車輛運行的速度，h為超高，hd則表示欠超高，而R為曲線半徑。根據試驗可知，由于裝配了不同的踏面形狀車輛，地鐵車輛在通過同一曲線時兩種車輛的各項指標都在國家規定的范圍以內。我們從相關實驗數據中可以得出結論，曲線軌道因為有超高存在，重力會產生分力現象，輪軌的橫向壓力和垂向壓力就產生。如果車輛的踏面形狀不同，那么輪軌的橫向壓力與脫軌系數就會由于重力分力不同而產生差距。

綜上所述，踏面形狀的不同，使得其與鋼軌匹配時的輪軌接觸幾何關系存在差異，從而影響車輛的動力學性能。因此，需要我們通過分析可以找到相關措施，延長地鐵軌道運行壽命。

[1]李曉龍，馬衛華，羅世輝.踏面下凹磨耗對地鐵車輛動力學性能的影響 [J].內燃機車，2013，(01)：17-20.

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