幾類輪軌接觸幾何關系的研究

張全　付凱兵　李婉清

摘? 要：高速鐵路的發展帶來了新的挑戰，輪軌的磨耗增加，不僅增加維修成本，而且也影響了列車的安全性。因此，對輪軌幾何關系的研究尤為重要。影響高速列車輪軌幾何關系的因素很多。該文以中國鐵路的LMA踏面、日本新干線JR-ARC踏面和歐洲標準S1002踏面以及鋼軌斷面為例，對踏面曲線函數進行研究，比較3種輪軌關系的幾何參數差異，分析踏面曲線。

關鍵詞：高速鐵路? ?車輛動力學? ?輪軌接觸幾何關系? ?車輪踏面

中圖分類號：U211.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）09（b）-0025-03

Study on Several Kinds of Wheel Rail Contact Geometric Relations

ZHANG Quan? ?FU Kaibing? ?LI Wanqing

（Changchun Normal University， Changchun， Jilin Province， 130000 China）

Abstract： The development of high-speed railway has brought us new challenges. The increase of wheel rail wear not only increases the maintenance cost， but also affects the safety of the train. Therefore， it is particularly important to study the wheel rail geometric relationship. There are many factors affecting the wheel rail geometric relationship of high-speed train. Taking LMA tread of China railway， JR-ARC tread of Shinkansen in Japan， S1002 tread of European standard and rail section as examples， this paper studies the tread curve function， compares the geometric parameter differences of three wheel rail relationships， and analyzes the tread curve.

Key Words： High speed railway; Vehicle dynamics; Wheel rail contact geometry; Wheel tread

高速鐵路的發展給人們的生活帶來了便利，縮短了城市之間的距離，但也帶來了很多復雜問題。隨著速度的增加，輪軌的磨耗也隨之增加，對車輛的結構造成的破壞也會越來越嚴重。不僅增加維修成本，而且對列車的安全性構成威脅。輪軌幾何關系的研究對快速軌道列車的發展起著重要的作用，是輪軌接觸幾何關系中的基本內容[1-6]。其研究為高速鐵路的發展提供了理論基礎。列車的穩定性與曲線的通過能力相關，隨著速度的增加，車輛和輪軌的結構會造成嚴重的破壞。

高速列車研發開始至今，日本、歐洲和其他國家采用了不同形狀的車輪和鋼軌，高速鐵路的多年研究經和實際情況表明，不同的車輪踏面曲線和輪對內側距會呈現出不同的輪軌接觸幾何關系，導致輪軌之間的作用不同，從而高速列車的動力學性能也會不同。因此，輪軌接觸幾何關系的研究是各國高速鐵路研究中的一個重要課題[7-9]。

1? 各國鐵路車輪踏面

該文主要選取中國鐵路的LMA踏面、日本新干線JR-ARC踏面和歐洲標準S1002踏面進行比較，利用車輪踏面曲線和輪軌的接觸幾何基本參數，對3種踏面進行比較，根據踏面曲線的連續性匹配最佳的鋼軌。

2? 輪軌接觸幾何的基本參數

該文基于中國鐵路的LMA踏面、日本新干線的JP-ARC踏面和歐洲標準車輪踏面S1002數據進行分析，鋼軌的數據是橫斷面CHN60和UIC60，具體數據見表1。

3? 鋼軌橫斷面的幾何特點

3種踏面曲線的形狀大致相同，都是由直線和圓弧構成，區別有如下幾方面（見圖1）。

（1）LMA和S1002踏面與鋼軌的接觸區域在車輪內側面與踏面中部大約70 mm處的圓弧區間。

（2）JP-ARC踏面與鋼軌的接觸區域在車輪內側面大踏面中部約65 mm處的圓弧區間。

（3）LMA和S1002用兩條直線連接外側與中部圓弧。

（4）JP-ARC用半徑為1 000 mm的圓弧連接外側與中部圓弧。

（5）JP-ARC踏面的輪輞比其他踏面寬度小10 mm。

文獻[8]給出了LMA踏面曲線（見圖2）的分段函數：

除第4、8、9、10為直線段外，其余均為圓弧段。對這些函數求導可知LLMA曲線在x=100 mm和x=130 mm處不連續，其余部分都連續。根據圖1可知3種曲線的差別，用同樣的方法得到JP-ARC和S1002的曲線不連續的點，在不連續的接觸點處鋼軌的形狀一定是光滑的。所以不同型號的輪軌踏面應該選取耦合良好的鋼軌，避免鋼軌在接觸點處非光滑。

4? 結語

輪軌幾何參數的研究給高速列車的發展提供了理論依據。采用先進的輪軌關系，可以在提高列車的速度的同時保證列車的穩定性，這個課題的研究具有重要的意義。通過計算結果可知，在設計合理的車輪踏面時，輪軌接觸點處越是光滑，磨耗越小。從而可以保證列車高速運行時的穩定性和安全性。

參考文獻

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作者簡介：張全（1999—），男，本科在讀，研究方向為大數據。

符凱兵（2000—），男，本科在讀，研究方向為大數據。

李婉清（2001—），女， 本科在讀，研究方向為大數據。