米軌線路參數對機車動力學性能和輪軌磨耗的影響

周黃標,丁軍君,王軍平,李 芾,胡靜濤

(1.西南交通大學 機械工程學院,四川 成都 610031；2.中鐵物軌道科技服務集團有限公司,北京 100036)

輪軌磨耗是影響列車運行安全性和經濟性的重要因素。輪軌磨耗變形不僅會使車輛運行平穩性變差,而且也會導致臨界速度下降[1]。造成輪軌嚴重磨耗的因素很多,線路參數設置不當是主要原因之一。在曲線區段通常設置超高,當曲線半徑小于一定值時還需要對軌距進行加寬,其目的在于提高車輛曲線通過性能,減小輪軌磨耗和保持線路穩定。但是軌距加寬也會導致輪軌游間過大,對行車的平穩性和輪軌磨耗不利。針對上述問題已有大量專家學者對標準軌距線路進行過研究[2-9],但尚未有米軌線路方面的研究。米軌線路具有曲線半徑小和曲線多的特點[10],目前中國企業在海外大量修建米軌鐵路并出口米軌機車車輛。本文以米軌鐵路為研究對象,對米軌鐵路超高和軌距變化對C0-C0機車輪軌磨耗的影響進行研究。

1 動力學仿真計算模型

采用SIMPACK軟件,以我國某企業出口泰國米軌機車為例建立機車多剛體動力學模型。該機車采用C0-C0軸式,軸重為16 t,最高運行速度為120 km/h,動力學模型由1個車體、2個轉向架、2個牽引銷、6個輪對、6個電機和12個軸箱共29個剛體組成。機車模型自由度見表1。各個剛體之間通過力元或鉸聯接,車輪和鋼軌型面分別采用S1002和UIC54。車軸命名及輪軌接觸關系如圖1所示。圖中L代表機車運行方向的左側(曲線外側),R代表右側(曲線內側),WSi代表i(i=1～6)號輪對。

表1 機車模型自由度

圖1 車軸命名及輪軌接觸關系

2 仿真分析和評價指標

仿真分析中設置2種線路半徑,分別為200,400 m,線路實設超高均為50 mm,依據文獻[11]可算出機車對應的平衡速度分別為34.6,49.0 km/h。超高率為計算超高與實設超高之差占實設超高的百分比,其變化范圍為-20%～20%(其中負值為欠超高,正值為過超高)。

評價機車車輛通過曲線時輪軌磨耗程度的指標很多,其中使用較多的有如下幾種[12]：①磨耗因數。其定義為輪緣橫向力與沖角的乘積,表征輪緣與鋼軌側面的能量損耗；②踏面磨耗指標。其定義為輪重與合成蠕滑率的乘積；③輪軌接觸斑處所消耗的功。其定義為蠕滑力與蠕滑率的數量積,表征沿軌道運行每單位長度所消耗的摩擦功；④輪軌接觸斑處所消耗的功率(以下簡稱磨耗功率)。其定義為輪軌接觸斑處所消耗功與車輛運行速度的乘積,表征沿軌道運行每單位時間所消耗的摩擦功。

磨耗功率既包含了蠕滑率及沖角的影響,又包含了運行速度,能很好地表達出輪軌磨耗狀態,故本文中采用磨耗功率的大小來表征輪軌磨耗的劇烈程度。

曲線通過時,由于機車6個輪對中WS1(導向輪對)對機車系統動力學性能的影響最大,故在分析輪對沖角和輪軌橫向力時選其為分析對象；輪軸橫向力、踏面磨耗功率和輪緣磨耗功率則選取轉向架1上所有輪對為分析對象；平均磨耗功率為12個車輪磨耗功率的平均值。以下分析中,輪對沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力取圓曲線部分所得最大值,磨耗功率則取圓曲線部分的平均值。

2.1 曲線超高對動力學性能和輪軌磨耗的影響

本文以輪對沖角、輪軌橫向力、輪軸橫向力和磨耗功率為評價指標,分析曲線超高對機車通過曲線時動力學性能和輪軌磨耗的影響。

2.1.1 對沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響

曲線超高率對機車輪對沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響如圖2所示。可知當超高率由-20%增大到20%時,在半徑200 m和400 m的曲線上,沖角分別增大了0.7%和2.1%，輪軌橫向力分別增大了2.0%和-0.6%。

圖2 超高率對輪對沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響

當超高率由-20%增大到20%時,在半徑為200 m的曲線上,只有中間輪對WS2的輪軸橫向力增加了16.1%,其余輪對均逐漸減小；在半徑為400 m的曲線上,輪軸橫向力較半徑200 m時小，且數值變化不大。由此可知,超高變化對沖角和輪軌橫向力影響很小,對小半徑曲線上的輪軸橫向力影響較大。

2.1.2 對磨耗功率的影響

由于在半徑分別為200 m和400 m時,輪軌磨耗功率變化趨勢基本相同,因此只列出半徑為200 m時的磨耗功率,見圖3,其中超高率由-20%增加到20%。

圖3 超高率對磨耗功率的影響

由圖3(a)可知,WS1和WS2的外側車輪踏面磨耗功率均逐漸減小,內側逐漸增大；WS3則與之相反,但WS3的踏面磨耗功率最小。

由圖3(b)可知,曲線內側所有車輪踏面磨耗功率之和(以下簡稱曲線內側之和)逐漸增大,外側與之相反,但總和幾乎不變。

由圖3(c)可知,車輪輪緣磨耗功率之和略有增加。在仿真計算過程中,只有曲線外側車輪發生輪緣接觸。輪緣磨耗功率之和的增加是由導向輪對輪軌橫向力隨著超高率的增加而增大所導致的。由圖3(c)還可知，平均磨耗功率增幅為2.1%。由前面分析可知,增加的主要是輪緣磨耗功率,這不僅會導致車輪提前磨耗到限,同時也會導致嚴重的鋼軌側磨,故應適當減小實設超高,使列車通過時處于適當的欠超高狀態,這與文獻[13]中的分析結果相同。

2.2 軌距變化對動力學性能和輪軌磨耗的影響

采用與2.1節相同的評價指標,分析軌距變化對機車通過曲線時動力學性能和輪軌磨耗的影響規律。在本次仿真分析中,軌距的變化范圍為-5～15 mm。超高根據2.1節的分析結果,設置為40 mm,即欠超高狀態,其余線路條件不變。

2.2.1 對沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響

機車輪對沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力隨軌距加寬的變化規律如圖4所示,其中軌距加寬量由-5 mm 增大到15 mm。

圖4 軌距變化對沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響

由圖4(a)可知,在半徑分別為200 m和400 m時,沖角增幅分別為36.8%和33.8%。這是由于軌距增大,導致輪軌自由間隙和輪對橫移量增大,使輪對搖頭有更大的空間。

由圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)可知,在半徑為200 m 時,輪軌橫向力先緩慢減小后迅速增大,增幅為35.1%,最大輪軸橫向力顯著增大,增幅為98.4%；在半徑為400 m時,輪軌橫向力先有所減小,而后保持不變,輪軸橫向力較穩定。

與2.1.1節的結論比較可知,相較于超高變化,軌距加寬對小半徑曲線上的輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響更顯著。由此可見,軌距加寬并不能有效降低小半徑曲線通過時的輪軌橫向力和輪軸橫向力,這是由于軌距加寬使輪對沖角增大導致的。

2.2.2 對磨耗功率的影響

在半徑分別為200 m和400 m時,輪軌磨耗功率隨軌距加寬的變化規律基本相似,因此只列出半徑為200 m時的磨耗功率,如圖5所示,其中軌距加寬量由-5 mm增大到15 mm。

圖5 軌距加寬量對磨耗功率的影響

由圖5(a)可知,WS1踏面磨耗功率先增大后略有減小,且在軌距較小的時候變化更明顯；WS2變化趨勢與WS1相同但變化率更大；WS3變化規律與WS1相反。

由圖5(b)可知,曲線內、外側磨耗功率之和均先增大后減小,軌距加寬-5 mm時,內、外側磨耗功率總和為21.69 kN·m/s,加寬0,5,10,15 mm時的增幅分別為9.4%,13.8%,18.6%,15.5%。

由圖5(c)可知,輪緣磨耗功率之和先減小后增大,且變化率也逐漸增大。平均磨耗功率先由2.51 kN·m/s 減為2.47 kN·m/s后增為3.09 kN·m/s。這是因為軌距加寬-5 mm時輪緣與鋼軌側面長時間接觸,導致輪緣磨耗功率增大;而后隨著軌距繼續加寬,輪對沖角和輪軌橫向力增大,也導致輪緣磨耗功率增大。

軌距加寬0和15 mm時,輪緣磨耗功率分別占整車磨耗功率的20.1%和32.4%,而輪緣磨耗功率主要來自于WS1外側車輪輪緣,這將使WS1迅速磨耗到限。

與2.1.2節結論相比較可知,軌距變化對磨耗功率的影響較超高率更顯著。在曲線區段,經常發生短期內產生嚴重側磨的情況,這很有可能就是由于軌距在車輪沖擊作用下發生了較大變化,使得輪緣(鋼軌側面)磨耗功率上升導致的。

3 結論

1)輪對沖角對曲線超高率不敏感,而對軌距變化較敏感。當軌距加寬量由-5 mm增為15 mm,沖角在半徑為200 m和400 m時的增幅分別為36.8%和33.8%。

2)軌距變化對輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響較超高率明顯,小半徑曲線上的軌距加寬不能有效降低輪軌橫向力和輪軸橫向力。

3)列車處于適當的欠超高狀態能減小輪軌磨耗。磨耗功率對軌距和曲線半徑非常敏感，當軌距加寬量由0增為15 mm,在半徑200 m和400 m時平均磨耗功率分別增加了25.0%和4.1%；

4)車輪和鋼軌的磨損是相互伴隨的,在曲線線路維護方面應將軌距變化作為重點,同時應避免不必要的加寬,防止由于不正常的軌距變化使鋼軌嚴重磨耗。

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