高速動車組車輪磨耗對動態性能的影響

汪 浩，魏浩然，秦 兵，劉樹青,，賈 茜,，汪木蘭

(1.南京工程學院工業中心、創新創業學院，江蘇 南京 211167) (2.先進數控技術江蘇省高校重點實驗室，江蘇 南京 211167)

隨著高鐵的快速發展，高速動車組車輛的運營時間和密度不斷增加，車輪和輪軌的沖擊與磨損不僅增加了車輛的運營和維護成本[1]，而且車輪踏面磨耗也明顯加劇，影響輪軌與車輪的接觸關系，破壞車輛的動力學性能，嚴重的還會造成安全事故[2]。因此，高鐵輪對的磨耗與動態性能的關系以及對輪對健康的預測是鐵路部門關注的重點，也是國內外學者研究的熱點問題之一。

徐凱等[1]以CRH380A和CRH380B型動車組為研究對象，基于線路統計數據和輪軌磨耗實驗，總結出兩種動車組車輪的磨耗規律。曹巧[3]以CRH380BL型動車組為研究對象，對車輪輪徑、踏面外形及各參數磨耗規律進行分析研究，分析了踏面各參數變化對動力學性能的影響。湛飛龍[4]對輪對進行了有限元靜力學和動力學分析，獲得輪對的整體受力情況以及輪對的各階固有頻率、振型及頻響函數，并通過實驗驗證了有限元分析結果的正確性。Pradhan等[5]將多體動力學車輛模型與有限元傳熱模型相結合，發現對車輛動態性能影響最大的參數是臨界轉速，當車輪磨損超過極限時，臨界轉速急劇下降。也有部分學者針對輪對的故障預測及檢修開展研究，以期實現輪對全生命周期的健康管理[6-8]。

目前，針對高鐵輪對在磨耗、動力學、故障預測等方面的研究取得了大量成果，但由于專業領域間的數據邏輯關聯性不高，難以實現從設計、制造、運行、維護以至全生命周期的信息融合，因此難以滿足鐵路智能化的發展需求。數字孿生技術的應用，為高速動車組輪對的研究開辟了新的途徑。數字孿生動車組以智能設計、智能制造、智能維護為核心，構建車輛全生命周期應用的數據基礎，并服務于車輛的全生命周期。

本文基于數字孿生技術建立輪對的參數化模型，對輪對的磨耗進行仿真，并運用有限元方法分析踏面和輪緣磨耗對輪對動態性能的影響，為動車組輪對的全生命周期數字化奠定基礎。

1 輪對的數字孿生模型

CRH380BL輪對的組成如圖1所示，其主要零部件為車輪和車軸，車輪與車軸為過盈配合。

1—車輪；2—車軸圖1 輪對的組成

1.1 車輪主要參數

車輪的主要尺寸如圖2所示，垂直基準為車輪內側面，以距離車輪內側面70 mm處作為滾動圓圓心，過圓心作水平基準線。從70 mm處測量得到輪徑值為920 mm，該值為車輪滾動圓直徑。

圖2 車輪主要尺寸

CRH380BL動車組所使用的車輪踏面外形如圖3所示。圖3中，在距離車輪內側面70 mm往上L2=10 mm處作一條水平線，與輪緣靠近外面的一側有一交點B；輪緣的最高處到距離車輪內側面70 mm處的高度為輪緣高度SH，自輪緣最高處往下L3=2 mm作一條水平線，與輪緣外側有一交點A，A點與B點的水平距離稱為輪緣綜合值QR，B點到車輪內側基準線的水平距離稱作輪緣厚度SD[3]。CRH380BL動車組所使用的車輪輪緣厚度SD=34.5 mm，車輪輪緣高度SH=28.2 mm，輪緣綜合值QR=9.9 mm。

圖3 踏面參數測量標準

1.2 參數化建模

基于上述參數通過參數化建模方法建立一個與真實輪對完全一致的參數化數字孿生模型。參數化建模的實質是在保持原始圖形拓撲關系不變的基礎上，通過修改零部件參數值來實現產品的系列設計或生成同一類型的新模型[9]。參數化建模的方法有4種，使用表達式進行參數化建模是最常用也是最方便的一種。在繪制模型時，參數輸入是表達式而不是具體的數值，表達式建立完成后便可以進行草圖的繪制以及模型的建立，然后對各個零部件進行裝配，添加相關的約束，完成如圖4所示的輪對數字孿生模型。

圖4 輪對數字孿生模型

2 車輪磨耗類型及規律

車輪磨耗是由于接觸應力和摩擦力的作用，導致車輪表面金屬脫落，從而使車輪的踏面形狀、尺寸等發生改變的現象[4]，主要分為踏面磨耗和輪緣磨耗。踏面磨耗會造成輪緣與鋼軌螺栓碰撞、列車運行平穩性下降、增大列車運行阻力、擠壓岔道脫軌等安全問題，或引起車輛劇烈沖擊，降低列車運行品質，損壞鋼軌；輪緣磨耗主要是對軌道產生影響，并且輪緣磨耗更容易造成列車脫軌。

經過對運行在某干線上的列車行駛數據進行分析，發現列車在運行里程為0～100萬km時，車輪輪徑呈近似線性下降，但總體變化量并不顯著。踏面磨耗的曲線呈分段線性的特征，轉折點由鏇修產生，在鏇修周期內踏面磨耗呈上升趨勢。新輪投入使用至行駛10萬km期間內，QR值變化較快，之后趨向平穩，輪緣垂直磨耗逐漸平緩。

3 動態性能分析

將結構的動態特性通過參數形式描述出來的過程稱為模態分析[10]。輪對的模態參數主要包括固有頻率、阻尼比以及模態振型。

3.1 輪對的有限元模型

在建立了輪對的參數化模型后，基于Siemens NX軟件的CAE(computer aided engineering)模塊完成輪對的有限元模態分析，研究輪對磨耗與動態特性的關系。

1)建立i.Prt文件。

i.Prt文件又稱理想化部件文件，創建i.Prt文件的目的是為了對要分析的模型進行理想化處理。在有限元分析中，零部件的工藝倒角、小孔等特征對于有限元分析結果沒有什么影響，但是卻會增加網格劃分的難度，甚至影響最終分析結果的準確性，因此有必要對復雜零件進行理想化處理，以提高解算的準確性和效率。

2)建立FEM(finite element method)文件。

車輪與車軸的材料分別為ER8和ET4A，材料的屬性見表1[11-12]。

表1 ER8和ET4A材料屬性

用于有限元分析的網格劃分方式主要有3D掃掠網格、3D四面體等。3D掃掠網格主要用于簡單模型的網格劃分，3D四面體用于復雜模型的網格劃分。車輪、車軸的模型較為復雜，因此采用3D四面體方式劃分網格。在劃分網格時，單元大小采用自動單元大小的二分之一。劃分好網格的車輪模型的網格單元數為63 957個，車軸的網格單元數為77 323個。網格劃分完畢后，對網格質量進行檢查，避免出現不合格的單元。

4)建立SIM(simulation)文件。

SIM文件又稱仿真文件，在SIM文件中需添加邊界條件，包括約束、載荷等。模態分析可以不添加任何載荷與約束，即進行自由模態分析，但是由于輪對為裝配件，車輪與車軸間為過盈配合，因此模擬時需要添加約束條件。

5)創建解算方案。

在SIM文件建立后便可以創建解算方案進行解算。所謂的解算方案是指有限元分析的類型，本文所使用的為SOL 103實特征值分析，即模態分析或振動分析。

3.2 輪對的固有頻率和振型

解算完畢后加載模態分析結果，得到輪對前25階固有頻率，見表2。其中前6階的固有頻率接近于0，屬于輪對的剛體模態，表中未列出。本文主要考慮的是大于零的頻率，但一般大于500 Hz的頻率不容易被激發出來，因此表2列出的最大頻率為479 Hz。

表2 輪對的固有頻率

第7,8階振型為車軸沿軸線垂直方向的一次彎曲，如圖5(a)所示，由圖可見最大變形量為0.074 mm，出現在輪緣側。第9,10階振型為車軸沿軸線垂直方向的二次彎曲，如圖5(b)所示，由圖可見最大變形量為0.127 mm，出現在輪軸的右端部。第18,19階振型為車輪輻板反對稱變形帶動車軸彎曲，如圖5(c)所示，由圖可見最大變形量為0.074 mm，出現在輪軸的中部。另外，第11階振型為車軸繞軸線扭轉，第12階振型為車輪沿車軸傘狀對稱變形，第13階振型為車輪沿車軸同方向傘狀變形，第14～17階振型為單側車輪彎曲變形，第20～23階振型為單側車輪扭轉變形。

圖5 輪對部分階振型

3.3 踏面磨耗仿真及模態分析

為了研究輪對磨耗與輪對動態性能的關系，通過修改輪對的相關參數，仿真輪對磨耗的效果，作進一步分析。

對輪對達到極限磨耗輪徑830 mm時進行模態分析，并與標準輪對輪徑為920 mm時的模態進行對比，數據見表3。

表3 踏面磨耗前/后模態數據對比

通過對表3的數據進行分析，并考慮軟件的計算偏差，得出以下結論：

1)在輪對車輪踏面磨耗到極限后，輪對的各階頻率幾乎都隨著階數的增加而增大。最小增加值為2.7 Hz(在第17階)，最大增加值為24.2 Hz(在第11階)，頻率的平均增長率為5.36%，最大增長率為36.9%。踏面磨耗后輪對的各階振型與磨耗前基本保持一致。

2)輪對磨耗后，各階的變形量相比磨耗前普遍增大，最大變形量出現在第20～23階，平均增長率為23.3%，最大增長率為34.5%。

3)輪對磨耗后的應力值普遍增大，最大應力出現在車輪的輪緣、車軸處，不過由于模態分析中沒有添加任何的載荷，所以應力值普遍偏小。平均增長率為11.33%，最大增長率為21.8%。

3.4 輪緣磨耗仿真及模態分析

輪緣磨耗類型較多，為了提高效率，通過修改SD和QR值對輪緣磨耗進行仿真模擬并進行模態分析，相關數據見表4。

表4 輪緣磨耗前/后模態分析對比

由表4可以看出，在輪緣磨耗后，輪對各階頻率、相關位移量、應力值變化不大。頻率的平均增長率為0.52%，最大增長率為0.73%；最大位移的平均增長率為0.12%，最大增長率為1.7%；最大應力值的平均增長率為2.3%，最大增長率為35.7%。

通過上述分析，可以得出以下結論：

1)在車輪尺寸使用到磨損極限的情況下，車輪踏面磨耗對車輪動態性能的影響普遍大于輪緣磨耗對車輪動態性能的影響。

2)踏面磨耗對于車輪性能最大的影響主要體現在最大位移量的變化上。

3)輪緣磨耗對車輪性能影響主要集中體現在最大應力的變化上。

4 結束語

本文建立了CRH380BL動車組輪對的三維數字孿生模型，通過仿真模擬輪對的磨耗過程，研究輪對的磨耗規律，總結出車輪踏面的磨耗與列車行駛里程的關系。有限元模態分析得到了輪對在500 Hz內的固有頻率及相應的振型，對比實驗分析總結出了車輪踏面磨耗、輪緣磨耗與輪對動態性能之間的關系。車輪經初期磨耗后，磨損狀態逐漸趨于平穩。