基于輪軌損傷的快捷貨車線路適應性分析

王超 王開云 凌亮 高賢波

西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都610031

我國電商行業的興起與經濟的快速發展促使具備高時效、高附加價值貨物運輸量急劇增長，傳統貨運列車的運行速度難以滿足運輸需求。我國鐵路運輸模式為客貨共線，在既有線路和提速線路增設快捷貨車成為貨運發展的主要趨勢。我國已對160 km/h速度等級的快捷貨車開展了大量研究［1-2］。快捷貨車大幅提速對貨車輪軌低動力作用設計提出較大挑戰。劉林［3］對我國某型快捷貨車轉向架懸掛參數開展優化研究，實現貨車輪軌低動力作用優化設計。韓正彥［4］通過剛柔耦合動力學仿真模型開展快捷貨車轉向架焊接結構載荷疲勞評估，為快捷貨車轉向架的抗疲勞設計提供理論依據。快捷貨車研制技術的日益成熟為快捷貨車的開行提供了技術支撐，開展快捷貨車在不同線路條件下的曲線適應性分析成為了當前的研究重點。

快捷貨車研制過程中應充分考慮客貨共線運行工況與現有貨運線路運行環境。我國幅員遼闊，線路條件復雜，快捷貨車通過小半徑曲線工況難以避免，而小半徑曲線段是引發車輪磨耗與裂紋損傷的主要原因。由于快捷貨車車輛定距較傳統貨車大，其車輪服役環境更惡劣，更易產生輪軌磨耗與疲勞裂紋。

國內外諸多學者已對輪軌磨耗與疲勞損傷開展了深入研究。金學松等［5-6］研究了輪軌接觸疲勞的起因與發展過程，論述了抑制車輪磨耗的若干種對策。Auciello等［7］提出一種用以預測車輪磨損廓形演變的預測模型。Hossein等［8］采用遺傳算法對車輪廓形進行優化，成功緩解了北歐重載鐵路機車車輪的滾動疲勞問題。李偉等［9］運用NUCARS動力學軟件分析重載鐵路小半徑曲線幾何參數對鋼軌磨耗的影響研究。陶功權等［10］采用安定圖與車輪損傷函數對25G型客車車輪踏面損傷原因開展分析，指出車輪頻繁經過小半徑曲線是導致車輪踏面外側裂紋和剝離的主要原因。周坤等［11］運用UM動力學軟件對40 t軸重重載貨車通過不同半徑曲線的車輪損傷情況開展了研究，為40 t軸重重載鐵路曲線半徑設計提供理論支撐。

我國干線鐵路一般鋪設60 kg/m鋼軌（簡稱60軌），部分重載鐵路鋪設75 kg/m鋼軌（簡稱75軌）。本文以最新研制的18 t軸重160 km/h快捷貨車為研究對象，對LM型車輪踏面分別與60軌、75軌匹配運行的磨耗情況開展仿真分析，研究快捷貨車運行在不同半徑曲線線路上的適應性，以期為快捷貨車運行曲線半徑的選取提供理論參考。

1 快捷貨車動力學模型

當前研制的18 t軸重快捷貨車未采用現役傳統貨車的三大件式轉向架，而采用研制的HZ160C3式轉向架（圖1）。該轉向架選用U形焊接構架，主要包括輪對、軸箱轉臂、一系懸掛系統、二系懸掛系統、制動單元、牽引拉桿等。一系懸掛系統采用軸箱轉臂定位結構，安裝鋼彈簧、隔振墊和垂向液壓減振器；為滿足快捷貨運的運行速度與平穩性要求，二系懸掛系統采用橡膠彈簧，并安裝二系橫向液壓減振器與抗蛇行減振器，同時設置二系橫向橡膠止檔。

圖1 HZ160C3轉向架結構

運用多體動力學軟件SIMPACK，建立了160 km/h快捷貨車動力學計算模型，如圖2所示。建模時，輪對、構架、牽引拉桿以及車體均視為6自由度剛體，軸箱轉臂僅有1個點頭自由度，共計62個自由度。車輪廓形選用LM踏面。主要車輛參數見表1。

圖2 快捷貨車動力學模型

表1 快捷貨車主要參數

2 評價指標

2.1 磨耗評價指標

國內外學者提出了多種磨耗指數計算方法，在一定程度上反映輪軌間磨耗情況。傳統的Heumann磨耗指數應用最為廣泛，但該計算方法忽略接觸點具體位置，且輪軌磨耗與輪對沖角成線性關系的描述與實際情況不符。Marcotte磨耗指數計算方法體現輪軌兩點接觸位置，但實際應用中須計算輪軌空間接觸位置，計算量與誤差均較高。英國鐵路部門提出以輪軌接觸斑處所消耗的摩擦功作為輪軌評價指標，忽略自旋蠕滑的影響，即Elkins磨耗指數［12］，表達式為W=Fxεx+Fyεy。其中：W為磨耗指數，N；Fx、Fy分別為縱向、橫向蠕滑力，N；εx、εy分別為縱向、橫向蠕滑率。

Elkins磨耗指數考慮車輪蠕滑率，能較好地反應輪軌磨耗程度。北美鐵道協會運輸試驗中心所進行的現場試驗也證實輪軌磨耗與接觸斑處消耗的摩擦功有較好的線性關系。因此，本文選取Elkins磨耗指數作為評價指標。

2.2 損傷函數預測模型

預測車輪踏面剝離的損傷函數由鋼軌損傷函數技術發展而來，將動力學模型輸出的輪軌接觸結果引入損傷函數，進一步預測車輪是否萌生滾動接觸疲勞。損傷函數考慮磨耗對疲勞損傷的影響，損傷函數曲線見圖3。圖中，損傷函數正值表示疲勞損傷，負值表示磨耗損傷，總損傷量為兩者之和，即車輪每滾動一圈所產生的相對疲勞損傷。由圖3可以得出損傷函數特征參數：疲勞損傷、磨耗損傷起始值分別為20、100 N，發展速率分別為3.6×10-6、-5.4×10-6r/N。

圖3 損傷函數曲線

考慮到輪軌接觸作用時的裂紋閉合效應及液體疲勞裂紋擴展的影響，僅有作用在車輪上的縱向蠕滑力方向與列車運行方向相反時才計算疲勞損傷［11］。

3 快捷貨車曲線適應性分析

車輛通過曲線線路時，導向輪的動力學指標與磨耗情況往往明顯大于其他輪對，因此主要對導向輪對開展分析。LM踏面分別與60軌、75軌匹配，取曲線半徑R=400、600、800、1 000、1 200 m，快捷貨車運行速度均取80 km/h，超高統一設置為均衡超高。磨耗指數取圓曲線段磨耗指數的有效值（均方根）。

3.1 LM踏面與60軌匹配

LM踏面與60軌匹配時，第一對輪對的車輪磨耗指數隨曲線半徑的變化曲線見圖4。可知：在小半徑曲線工況下，以外軌側車輪磨耗為主；隨著曲線半徑的增加，輪對內外軌側車輪磨耗指數均呈明顯下降趨勢，且內外側車輪逐漸趨于均勻磨耗。R=400 m時外軌側車輪磨耗指數為249.59 N，R=600、800 m時分別為161.23、113.15 N，分別降低了35%和55%，內外軌磨耗指數的差值分別降低了31%和51%；之后隨曲線半徑的逐漸增大，磨耗指數變化幅度趨于平緩，內外軌側車輪磨耗指數差值變化趨于平穩。

圖4 60軌工況下車輪磨耗指數隨曲線半徑的變化曲線

60軌工況下導向輪對內外側車輪損傷隨曲線半徑的變化曲線見圖5。

圖5 60軌工況下導向輪對車輪損傷隨曲線半徑的變化曲線

由圖5可知：①外軌側車輪損傷主要形式為磨耗損傷，發生在名義滾動圓內側-23～-37 mm處；車輪磨耗損傷隨曲線半徑的增大而急劇減小，與磨耗指數的變化規律一致；曲線半徑由400 m增至800 m時外軌側車輪損傷值明顯下降，從800 m增至1 200 m時損傷值逐漸趨于穩定。②內軌側車輪損傷主要形式為疲勞損傷，發生在車輪名義滾動圓-6～29 mm處；R=600 m時車輪疲勞損傷最大，之后隨著曲線半徑的增大，車輪損傷值逐漸降低。這是因為曲線半徑的增大過程中磨耗指數呈明顯的降低趨勢，而損傷函數存在損傷起始值。R=600 m時內軌側車輪的磨耗指數為101.06 N，表明其磨耗指數位于磨耗損傷起始值附近，而R=400 m時其磨耗指數遠超過磨耗損傷起始值，說明磨耗損傷能夠有效抑制疲勞損傷的發展（參見圖4）。曲線半徑大于600 m后磨耗指數逐漸降低，內軌側車輪的疲勞損傷情況有所改善，即曲線半徑越接近600 m，內軌側車輪的疲勞損傷越大。

3.2 LM踏面與75軌匹配

LM踏面與75軌匹配時，第一對輪對的車輪磨耗指數隨曲線半徑的變化曲線見圖6。可知：輪對內外側車輪磨耗指數差值較大；隨著曲線半徑的逐漸增大，外軌側車輪磨耗指數急劇降低；R=1 000、1 200 m時輪對內外軌側車輪磨耗指數降低趨勢趨于平緩，內外軌側磨耗指數差值分別為45.08、32.78 N，輪對內外側車輪趨于均勻磨耗。

圖6 75軌工況下車輪磨耗指數隨曲線半徑的變化曲線

75軌工況下導向輪對內外側車輪損傷隨曲線半徑的變化曲線見圖7。

圖7 導向輪對車輪損傷隨75軌曲線半徑的變化曲線

由圖7可知：①外軌側車輪在-38 mm處出現明顯磨耗損傷，損傷值比相應的60軌增大數倍；R=400 m時損傷最大值達到703.49×10-6；隨著曲線半徑增大，外軌側車輪損傷值急劇降低，R=600 m時降至171.01×10-6，降低76%；曲線半徑超過800 m后外軌側損傷值趨于穩定，與磨耗指數變化規律一致。②內軌側車輪損傷值變化規律與60軌工況計算結果基本一致。R=600 m時磨耗指數處于磨耗損傷起始值附近，導致R=600 m的損傷值最大；曲線半徑增至1 000 m后磨耗指數趨于穩定，與文獻［13］指出的兩種鋼軌匹配的內軌磨耗程度接近這一結論吻合。

LM踏面與75軌匹配時在輪緣與軌頭側會產生接觸點，且接觸區域較窄，磨耗范圍集中［13］。75軌工況下，第一對輪對外軌側車輪接觸點在曲線段的分布情況見圖8。可知：外軌側車輪輪緣接觸點在車輪名義滾動圓-38 mm處；R=400 m時，輪對外軌側車輪在圓曲線段內基本全程保持輪緣接觸，這是導致外軌側車輪損傷出現較大損傷值的直接原因；隨著曲線半徑的增大，外軌側車輪輪緣接觸的持續時間與接觸頻率逐漸降低，曲線半徑由800 m增至1 000 m時外軌側車輪輪緣接觸頻率明顯下降；R=1 200 m時，外軌側接觸點基本不再出現輪緣接觸現象。由此可見，外軌側車輪產生輪緣接觸是導致磨耗指數與損傷值大幅增大的根本原因。為減緩車輪損傷與磨耗，快捷貨車運行中應盡量避免出現輪緣接觸現象。

圖8 75軌工況下外軌側車輪接觸點在曲線段分布

4 結論與建議

1）在小半徑曲線工況下，車輛通過60軌與75軌線路時均以外軌側車輪磨耗為主；隨著曲線半徑的增加，輪對內外軌側車輪磨耗指數均明顯下降，且內外側車輪逐漸趨于均勻磨耗。

2）對于不同半徑曲線，車輛通過60軌與75軌線路時外軌側車輪均以磨耗損傷為主，內軌側車輪均以疲勞損傷為主。

3）60軌與75軌的內軌側疲勞損傷規律相近。曲線半徑為600 m時，60軌與75軌內軌側磨耗指數均處于磨耗損傷起始值附近。

4）對于60軌，曲線半徑超過800 m后外軌側輪軌磨耗趨于穩定；對于75軌，半徑曲線為800 m時外軌側仍存在頻繁的輪緣接觸，外軌側磨耗指數顯著大于60軌，曲線半徑達到1 000 m時輪緣接觸情況有所改善，疲勞損傷趨于緩和。在開行快捷貨車時應盡可能避免出現輪緣接觸現象。

綜合考慮磨耗指數與車輪滾動接觸疲勞情況，快捷貨車在60軌線路上開行時線路最小曲線半徑不宜低于800 m；在75軌線路上開行時線路最小曲線半徑建議取1 200 m，困難情況下不宜低于1 000 m。