基于SIMPACK 探究車輪型面演化對列車曲線通過性能的影響

王子

（遼寧鐵道職業技術學院，遼寧 錦州 121000）

前言

當列車通過曲線線路時，輪軌間的作用力比通過直線時要更加的復雜，會使車輪和鋼軌間的磨耗加重。列車通過曲線時，輪軌間的相互作用力越小、越平穩，曲線通過性能越好，反之則曲線通過性能就越差。本文主要仿真分析輪軌橫向力、脫軌系數兩個動力學指標。

一、模型建立與工況設置

跟蹤選擇測試某型運行速度為200 km/h 動車組。在完整的車輪鏇修周期內，共進行了10 次車輪型面測試。根據運行里程選取1 號車其中6 次車輪型面測量數據并編號。如表1 所示。

表1 車輪不同演化階段編號

本章設置工況：直線300 m，入緩和曲線800 m，圓曲線800 m（半徑5500 m），出緩和曲線800 m，直線300 m。列車運行速度為180 km/h，外軌超高設置為30 mm，該工況屬于欠超高工況。

以上工況均考慮無激勵的情況和有激勵的情況，計算采樣頻率為200 Hz。

動車車輛系統包括車體和轉向架兩個重要組成部分，它們之間通過彈性懸掛裝置進行連接。具有彈簧懸掛系統的動車車輛是一個具有多種自由度的振動系統，車輛會隨著運行的過程中產生紛繁復雜的振動現象。

本文利用SIMPACK 軟件對國內某型號高速動車組進行車輛動力學建模，并對其進行多體系統動力學仿真分析，得出動車車輪踏面在不同演化階段對車輛動力學的影響，如車輛的平穩性、穩定性、曲線通過性能等等。

在建立車輛模型的時候，對其影響較大的各種因素盡可能的按照實際情況進行模擬處理。而對于影響較小的因素可以適當的進行簡化處理。車輛模型系統中除一系、二系彈簧懸掛裝置外，各個部件如車體、轉向架構架、車輪輪對等都視為剛體，把軸箱、彈性懸掛、驅動、制動等系列裝置的質量合并到轉向架構架上，輪對、構架和車體的質量和轉動慣量通過Body 來定義，把一系、二系彈簧懸掛裝置簡化成彈簧和阻尼器的布置方式，各個參數數據均按照實際的參數數據編入，模型中彈簧減振器采用力元（Force Elements）的形式定義，一系彈簧懸掛裝置和空氣彈簧均采用05 號力元（Spring-Damper Parallel Cmp），抗蛇行減振器、垂向減振器和橫向減振器均采用06 號力元（Spring-Damper Serial PtP），軸箱定位采用43 號力元（Bushing Cmp），抗蛇行減振器、垂向減振器、橫向減振器阻尼的非線性特征通過定義函數來表示，為了在調用子結構時方便車體與轉向架的連接，轉向架上設置了一個虛體搖枕，使其與車體零自由度固接，在車輛模型中共有34 個自由度：即車體和每個構架分別有個6 自由度，每個輪對有4 個自由度，所有部件的連接方式采用鉸接Joint 形式連接。

二、輪軌橫向力

隨著車輪磨耗的增加各個車輪在通過圓曲線階段的輪軌橫向力均有了不同程度的增加，且前轉向架的各個車輪的輪軌橫向力要大于后轉向架各個車輪的輪軌橫向力。以1W1 型面為例，其中1 位輪對的橫移量最大，達到了11.4 mm，在通過曲線時發生了車輪輪緣與鋼軌接觸，這是因為前轉向架的前導輪對在車輛通過曲線時起著導向的作用，其所受到的輪軌橫向力最大，而3 位和4 位輪對的輪對橫移量較小，所以車輪所受到的輪軌橫向力較小。

各個車輪在進入緩和曲線時其輪軌橫向力呈先增大后減小的趨勢，出緩和曲線時其輪軌橫向力呈現出先減小后增大再減小的趨勢。出現這種現象的原因是由于各輪對的搖頭角在通過曲線時發生了變化。仍以1W1 型面為例，各個輪對在通過緩和曲線時輪對搖頭角呈先增大后減小，在通過圓曲線時保持不變，出緩和曲線時呈先減小后增大再減小的趨勢。

在工況條件下，可以得出前轉向架各個車輪的最大輪軌橫向力隨著車輪踏面磨耗的增大而增大，2 號車輪和4 號車輪的最大輪軌橫向力大于其同軸的1 號車輪和3 號車輪，這是因為工況屬于欠超高工況，需要2 號車輪輪緣與鋼軌發生接觸來提供未平衡的離心力，又因為2 號車輪起著導向作用，所以在前導轉向架四個車輪中，2 號車輪的輪軌橫向力最大。在線路上施加激勵后，各個車輪的輪軌橫向力都有了顯著地提升，但都小于額定的最大輪軌橫向力，如圖1、圖2 所示。

圖1 通過圓曲線最大輪軌橫向力（無激勵）

圖2 通過圓曲線最大輪軌橫向力（有激勵）

三、脫軌系數

隨著車輪磨耗的增加各個車輪在通過圓曲線階段的脫軌系數也隨之增大如表2 所示。

表2 不同演化階段脫軌系數

對軌道施加激勵后，各個車輪通過曲線時的脫軌系數都有了不同程度的增加，但都小于0.8。通過1 號車在不同演化階段通過圓曲線時前導轉向架的各個車輪脫軌系數可以得出，前導轉向架的前導輪對的脫軌系數要大于其它輪對，這是因為前導輪對在通過曲線時起著導向的作用，工況相較于其它輪對惡劣，輪軌橫向作用力較大，所以其脫軌系數高。

四、結束語

本章主要模擬分析了車輛在車輪不同演化階段的曲線通過性能：輪軌橫向力、脫軌系數。曲線通過速度為180 km/h，曲線半徑為5500 m，設置欠超高工況。以上工況均考慮無激勵的情況和有激勵的情況。并得出以下結論：

（一）兩種工況中，輪對橫移量、輪軌橫向力、脫軌系數均隨著車輪磨耗演化的增加而增大，其中在磨耗后期增幅最大。1 位輪對作為前導輪對所受到的輪軌橫向力和脫軌系數最大。

（二）不同的超高工況對車輛的動力學性能有直接的影響。在欠超高工況下，需要外側車輪來平衡離心力，所以同軸外側車輪的輪軌橫向力要大一些。有激勵曲線與無激勵曲線各指標變化規律相似，各指標均在安全限度內。

隨著我國成功開展“動車組技術引進消化吸收再創新”，我國進入全新的高速鐵路階段，對于車輪踏面演變的研究，以及踏面鏇修策略的研究對為分析動車組運動學的變化，減輕輪軌損傷，改善車輛動力學性能，提高鐵路運輸的經濟效益和社會效益具有重要意義[1]。