軌道不平順與車輪磨耗對(duì)地鐵車輛動(dòng)力響應(yīng)的影響

鄧曉宇，涂 丹，夏 源

(四川城市職業(yè)學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)輪軌磨耗機(jī)理的研究還處于不斷發(fā)展的階段，且側(cè)重于研究鋼軌、車輪的磨耗產(chǎn)生機(jī)理[1-4]，而綜合考慮車輛和軌道整體分析的較少。此外，在實(shí)際運(yùn)用中，鋼軌的保養(yǎng)打磨及車輪的鏇修周期等問題還在不斷探索中。而這些問題有必要結(jié)合地鐵車輛和軌道系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性進(jìn)行整體分析。

地鐵的軌道養(yǎng)護(hù)策略目前仍以幅值超限統(tǒng)計(jì)的方式來評(píng)價(jià)軌道的不平順狀態(tài)，這種方式并沒有考慮輪軌關(guān)系以及鋼軌不平順激勵(lì)下車輛和軌道系統(tǒng)實(shí)際動(dòng)力響應(yīng)的影響。本文基于多體動(dòng)力學(xué)分析軟件SIMPACK建立了國內(nèi)某型地鐵車輛動(dòng)力學(xué)模型，并在模型中將地鐵實(shí)測(cè)軌道不平順作為激勵(lì)，探究車輛在車輪不同磨損狀態(tài)下的動(dòng)力響應(yīng)，再以此對(duì)鋼軌保養(yǎng)與車輪維護(hù)提出合理建議。

1 模型建立

利用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件SIMPACK建立了某型地鐵車輛的動(dòng)力學(xué)模型[5-7]，如圖1所示，模型包括車體、構(gòu)架、輪對(duì)、電機(jī)、齒輪箱、大小齒輪和軸箱轉(zhuǎn)臂等31個(gè)剛體。其中，電機(jī)通過架懸方式安裝在構(gòu)架上；車體、構(gòu)架、電機(jī)各有6個(gè)自由度，每個(gè)軸箱轉(zhuǎn)臂各有一個(gè)自由度，輪對(duì)有4個(gè)獨(dú)立自由度，輪對(duì)的沉浮和側(cè)滾自由度由輪軌非線性接觸幾何關(guān)系約束。輪對(duì)和構(gòu)架采用轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)定位，并配有一系垂向彈簧和液壓減振器，同時(shí)車體和構(gòu)架之間除空氣彈簧以外還有橫向減振器、橫向止擋、牽引拉桿以及抗側(cè)滾扭桿等，考慮其中的非線性因素，其拓?fù)潢P(guān)系如圖2所示。圖2中,7表示SIMPACK中普通輪軌約束,2表示旋轉(zhuǎn)約束。

圖1 地鐵車輛模型

圖2 地鐵車輛模型拓?fù)鋱D

2 實(shí)測(cè)軌道不平順

在線路的平直軌道區(qū)段，鋼軌并不是呈理想平直狀態(tài)，兩根鋼軌在高低和左右方向相對(duì)于理想的平直軌道呈現(xiàn)出某種波狀變化而產(chǎn)生偏差，這種幾何參數(shù)的偏差就稱為軌道不平順。本文選取地鐵某線路實(shí)測(cè)軌道譜作為模型中的鋼軌不平順激勵(lì)，軌道譜的左軌和右軌不平順分別如圖3所示，軌道激勵(lì)主要是垂向不平順和橫向不平順。圖3中，a為加速度，v為速度。

圖3 實(shí)測(cè)地鐵軌道譜

3 實(shí)測(cè)車輪磨耗

為了研究車輪踏面在磨損過程中對(duì)車輛振動(dòng)的影響，選取第一次鏇輪前的5組不同運(yùn)行里程下的車輪踏面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并以此定義模型中車輪的外形尺寸。其對(duì)應(yīng)的工況和磨損情況如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)車輪磨耗情況表

利用5種不同磨耗工況下的踏面外形實(shí)測(cè)值，繪出各種工況下的踏面輪廓圖如圖4所示，在圖上可以很清楚地看出踏面外形輪廓磨耗前后的差異以及車輪踏面磨耗的過程。

圖4 車輪踏面外形磨損情況對(duì)比

由圖4可以看出：隨著運(yùn)行里程的增加，車輪踏面的輪廓磨耗加劇，導(dǎo)致車輪外形朝著車輪半徑減小的方向變化，以此造成的輪徑差也會(huì)同時(shí)影響車輛的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)[8]。

4 仿真分析

模型建立完成后，通過實(shí)測(cè)的某地鐵軌道譜對(duì)模型軌道施加激勵(lì)，并根據(jù)實(shí)際情況按車輛運(yùn)行速度為80 km/h進(jìn)行計(jì)算，通過時(shí)間積分得到不同車輪磨耗狀態(tài)下對(duì)應(yīng)車輛測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。限于篇幅，在此探究車輪在運(yùn)行12萬公里的工況1和運(yùn)行20.3萬公里的工況5兩種車輪磨耗狀態(tài)下，以振動(dòng)最劇烈的軸箱動(dòng)力響應(yīng)特性為例，對(duì)仿真結(jié)果的時(shí)域特性進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 踏面磨損對(duì)軸箱橫向振動(dòng)的影響

圖6 踏面磨損對(duì)軸箱垂向振動(dòng)的影響

由圖5可以很明顯地看出：踏面磨損對(duì)軸箱的橫向振動(dòng)響應(yīng)有較大影響；在工況1的踏面外形情況下，車輪磨耗后軸箱的橫向振動(dòng)加速度已整體大于標(biāo)準(zhǔn)踏面對(duì)應(yīng)的加速度值；而這一結(jié)果在工況5與標(biāo)準(zhǔn)踏面振動(dòng)加速度對(duì)比中更加明顯，相當(dāng)一部分時(shí)間里，車輪在工況5的磨耗狀態(tài)下，軸箱的橫向振動(dòng)加速度值達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)踏面的兩倍，這說明此時(shí)踏面的損傷已經(jīng)造成了車輛振動(dòng)特性的惡化，將對(duì)車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性以及安全性產(chǎn)生較大影響。所以在多數(shù)情況下，地鐵車輛在運(yùn)行20萬公里之后進(jìn)行鏇修是相當(dāng)必要的[9]。

車輪磨耗對(duì)車輛橫向振動(dòng)影響較大的原因在于：車輪磨損之后，車輪的輪緣高度、輪緣錐度、踏面錐度、輪徑以及同軸輪徑差都將發(fā)生改變，磨耗后的車輪其踏面錐度的改變將影響到車輛在行駛過程中車體相對(duì)于兩側(cè)鋼軌自動(dòng)對(duì)中的性能，并使得車輛在受到橫向激擾之后的振動(dòng)響應(yīng)加劇；而同一輪對(duì)兩側(cè)車輪踏面磨耗程度的差異將導(dǎo)致車輪產(chǎn)生輪徑差，進(jìn)而導(dǎo)致車輛在直線運(yùn)行過程中也將產(chǎn)生橫向位移，加大橫向振動(dòng)加速度，并在此過程中更多地迫使車輪輪緣接觸鋼軌，受到鋼軌對(duì)車輛的橫向約束力作用，使橫向振動(dòng)加劇；同時(shí)，車輪輪徑差將加速車輪輪緣的磨損，使車輪的間距與鋼軌的間距加大，導(dǎo)致車輛的橫向振動(dòng)范圍加大，加劇車輛的橫向振動(dòng)。

對(duì)比圖5和圖6的軸箱振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果可以看出：踏面磨損對(duì)車輛垂向振動(dòng)的影響較小，而對(duì)車輛橫向振動(dòng)的影響較大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因在于：在踏面的主要缺陷形式中，對(duì)車輛垂向振動(dòng)影響最大的是踏面的局部損傷以及踏面剝離，在存在這兩種缺陷的情況下，車輛將在垂向產(chǎn)生周期性的激勵(lì)，加劇車輛的垂向振動(dòng)。而在本文的研究中，主要研究目的在于探究車輪踏面外形輪廓磨損的改變對(duì)車輛振動(dòng)的影響，所以假設(shè)車輪磨耗前后車輪每個(gè)截面的外形都是一樣的，也就是說假設(shè)磨耗是均勻的。所以這種形式的踏面損傷對(duì)車輛垂向振動(dòng)的影響是有限的。

5 結(jié)論

(1)隨著車輪磨耗的加劇，輪徑減小，車輛軸箱的橫向振動(dòng)隨之加劇，并在車輪運(yùn)行20萬公里左右時(shí)振動(dòng)加速度幅值增長明顯，有必要進(jìn)行鏇修。

(2)在車輪均勻磨耗的假設(shè)下，僅考慮車輪磨耗時(shí)，其對(duì)列車橫向振動(dòng)的影響大于對(duì)垂向振動(dòng)的影響。

(3)仿真結(jié)果印證了車輪磨耗對(duì)車輛振動(dòng)影響的機(jī)理，為進(jìn)一步探究車輪踏面其他損傷形式對(duì)車輛振動(dòng)的影響奠定了基礎(chǔ)。