張冰玉

(天津鐵道職業(yè)技術學院， 天津 300240)

輪對磨耗對高速列車服役性能影響探究

張冰玉

(天津鐵道職業(yè)技術學院， 天津 300240)

受高速列車服役條件的影響，高速輪對隨列車服役周期會產生較大狀態(tài)變化，同時影響高速列車動力學性能。文章對高速列車結構進行分析，考慮對車輛系統(tǒng)動力學影響較大的因素，分析各結構間鉸接關系和力的傳遞方式及作用位置，基于多體動力學理論建立高速列車模型，分別探究高速輪對服役中產生的磨耗及輪徑差兩個因素對高速列車振動性能的影響。通過分別對比磨耗型面與原始型面及磨耗型面在有、無輪徑差時的輪軌接觸力和車輛各關鍵部件的橫、垂向加速度，得出如下結論：(1)輪對磨耗對車輛橫向振動影響較大，使輪軌橫向力及各關鍵部件橫向加速度明顯增大，而車輛垂向振動性能對輪對磨耗不敏感；(2)當左右側實際輪徑差較小時，輪徑差的存在對振動性能的影響比磨耗的影響小，以磨耗對車輛振動的影響為主。

高速列車； 多體動力學； 磨耗； 輪徑差

高速列車在服役過程中會受到運行線路、制動、車輪鏇修以及輪軌參數(shù)等各種因素的影響，輪對作為車輛系統(tǒng)與線路直接作用的部件，其型面及輪徑差會隨列車服役周期產生較大變化，而作為輪軌接觸的核心，高速列車動力學性能受輪對影響很大。劉林芽等人通過建立輪軌系統(tǒng)高頻振動模型，分析輪軌相互作用關系，給出了車輪及鋼軌的高頻振動功率譜計算式[1]。李艷等人針對動車組的1節(jié)車輛，利用WP-D車輪外形測量儀定期實測每個車輪的外形與輪徑，得到5組車輪型面磨耗工況，并結合所選車輛的結構參數(shù)和運行線路特點，利用多體動力學軟件進行了車輛動力學仿真，分析了車輛在不同磨耗工況下的動力學特性[2-3]。此外，國內外其他學者對輪對磨耗的研究也取得了較大成果[4-10]。本文通過對高速列車機械結構及多體動力學理論的描述，建立高速列車系統(tǒng)動力學模型，分別研究列車服役過程中產生的輪對磨耗及輪徑差對高速列車動力學的影響，分別探究磨耗及輪徑差對列車服役性能的影響。

1 高速列車動力學建模

在動車組轉向架機械結構基礎上，考慮影響高速列車服役動力學的各關鍵零部件及相互間作用關系，在多體動力學軟件SIMPACK中以CRH2型車為基礎，建立高速列車模型對其服役動力學性能指標進行評價。在SIMPACK中按照動車組單節(jié)車自軌道向上建立模型，體對象依次為輪對、軸箱、轉向架構架和車體。輪對為車輛系統(tǒng)與軌道直接接觸的部件，通過輪軌間的接觸最終產生牽引力和制動力，實現(xiàn)車輛在鋼軌上的平移，輪軌關系是軌道交通工具區(qū)別于其他機械產品的根本，也是車輛系統(tǒng)動力學的根源。軸箱作為輪對與轉向架構架之間的連接裝置和活動關節(jié)，能夠實現(xiàn)將車輪的滾動轉化為車體的平動，其懸掛參數(shù)以及定位方式將直接影響車輛曲線通過性能與行車穩(wěn)定性，不同的車型又具有不同的軸箱定位方式。構架為整個轉向架的“骨架”，為各部件提供安裝基礎，同時還是主要承力部件，車輛各個方向的力都離不開構架的傳遞作用，故在高速運行下對其強度和剛度有較高的要求。車體是最終承載旅客的空間，主要包括底架、端墻、側墻及車頂?shù)炔课唬捎谲圀w是旅客的乘坐空間，直接影響到乘客乘坐體驗，因此動力學中各項平穩(wěn)性指標和蛇行運動評判都需要從車體入手。

建模過程中考慮影響動車組服役的主要機械結構，忽略牽引電動機和制動系統(tǒng)等對正常服役狀態(tài)動力學性能影響較小的結構。根據(jù)結構體之間的鉸接關系建立個體之間聯(lián)系，并根據(jù)力的傳遞方式和減振器的減振方式，按照軟件中自帶的力源屬性建立對應的鉸接關系。模型中參數(shù)參照某動車組設置，如表1所示。

表1 車體動力學模型部分參數(shù)

模型中一系懸掛為一系彈簧和垂向減震器，采用轉臂式軸箱定位。二系懸掛包括空氣彈簧、抗蛇行減振器和橫向減振器。模型中考慮垂向減震器和抗蛇行減震器的非線性因素。

將車輛視為多剛體系統(tǒng)，并考慮多剛體之間的鉸接關系及力元相互作用關系，通過各剛體間的拓撲關系建立車輛系統(tǒng)動力學方程，其統(tǒng)一形式可以表示為：

式中：M、C、K、P——車輛系統(tǒng)的質量、阻尼、剛度矩陣、外部激擾矩陣。

2 型面磨耗對高速列車振動性能的影響

車輛在服役過程中變化最大的狀態(tài)量即為輪對的磨耗，尤其對高速列車而言，列車服役中減速、制動及曲線通過均會對高速輪對產生磨耗磨損。而高速列車系統(tǒng)對車輪的型面敏感度較高，即輪對型面的改變會引起車輛動力學性能較大程度的改變。不同型面與線路軌道的匹配性能差異很大，而輪軌接觸關系是連接車輛單元與軌道的紐帶，車輪產生磨耗后，會直接影響輪軌接觸幾何關系的改變，進而通過輪軌接觸力的變化引起車輛系統(tǒng)動力學響應的變化。因此，本文通過計算輪軌接觸力的變化，進而考慮車輛輪對、構架及車體橫、縱向加速度在原始型面和磨耗型面之間的動力學響應差異，研究高速輪對磨耗對車輛服役性能的影響。

在本文的計算中，對某高速線路服役的動車組進行型面檢測，在動車組入庫時測量其型面及輪徑，并使用記錄的型面值計算其振動性能。給定相同線路激擾，分別使用磨耗型面及車輛原始型面計算輪軌接觸力，所得橫向和豎向輪對作用力對比結果，如圖1、圖2所示。從兩圖中可以發(fā)現(xiàn)，磨耗型面與原始型面的輪軌橫向力差異明顯，原始型面計算所得的輪軌橫向力幅值在2 kN附近，而磨耗型面計算所得輪軌橫向力幅值大幅增大，在10 kN左右；磨耗型面的輪軌垂向力與原始型面相比略微有所增大，但差異較小。由此可以判定，車輛磨耗對車輛橫向運動會產生較大影響。

由前述高速列車機構可知，輪軌接觸作用力在傳遞到車體時，首先經由軸箱中一系彈簧的減振作用，再經過構架與車體之間二系空簧的減振作用，最終傳遞到車體。高速列車在保證安全服役的前提下，另一重要指標應為乘客的乘坐舒適度，而乘客所感知的部位最終反應到高速列車車體上。本文按照輪軌力的傳遞路徑，依次分析輪對、構架及車體上的橫、垂向加速度，分析磨耗對高速列車振動性能的影響。

以磨耗型面及車輛原始型面計算所得的輪軌力傳遞過程中各關鍵部位(包括輪對，構架，車體)的橫、垂向加速度，如圖3、圖4所示。

圖1 磨耗型面與原始型面的橫向輪軌作用力對比

圖2 磨耗型面與原始型面的垂向輪軌作用力對比

圖3 磨耗型面與原始型面關鍵部位的橫向加速度響應對比

圖4 磨耗型面與原始型面關鍵部位的垂向加速度響應對比

當車輛輪對發(fā)生磨耗后，輪對橫向加速度振動幅值從±2 m/s2增加到±10 m/s2，由于輪軌橫向力直接作用于高速輪對，因此輪對橫向加速度的變化幅度與橫向力相似。構架橫向加速度振動幅值從±1 m/s2增加到±5 m/s2，即經過一系彈簧的減振作用，構架加速度幅值出現(xiàn)下降，但當型面產生磨耗后，橫向加速度增大幅值仍較大。車體橫向加速度振動幅值從±0.2 m/s2增大到±0.5 m/s2，雖仍出現(xiàn)增大，但幅值變化的比例較之輪對和構架減小。從各部位垂向加速度振動幅值對比可以看出，型面出現(xiàn)磨耗后，垂向加速度變化幅值不大，輪對垂向加速度振動幅值為±10 m/s2，構架垂向加速度振動幅度約為±2 m/s2，車體垂向振動加速度振動幅值約為±0.1 m/s2，一、二系減振機構對垂向加速度傳遞的減振作用大致以10 m/s2為數(shù)量級在減小。

通過對磨耗型面及原始型面的車輛輪軌力及車輛關鍵部件橫、垂向加速度進行對比分析可以看出，輪對磨耗對車輛橫向振動影響較大，輪對產生磨耗后，輪軌橫向力及各關鍵部件橫向加速度增大幅值明顯，而車輛垂向振動性能對輪對磨耗不敏感。

3 輪徑差對高速列車振動性能的影響

在高速列車入庫輪徑差檢測時，會偶爾發(fā)現(xiàn)左右側輪徑差過大的情況，對出現(xiàn)過大輪徑差的數(shù)值進行記錄，并應用該輪徑差進行分析計算。高速列車服役過程在引起輪對型面曲線變化的同時，對輪對的另一個附加作用即同時改變了車輪的輪徑，左右側車輪服役狀態(tài)的差異不僅使輪對型面磨耗不同，還使得左右側車輪輪徑差產生變化。因此，在研究磨耗對高速列車振動性能的影響時，左右側輪徑差的作用不可忽視。本節(jié)通過對磨耗型面在無輪徑差及輪徑差為1 mm時的輪軌接觸力及車輛振動性能進行對比，探究輪徑差對高速列車振動的影響。

無輪徑差和輪徑為1 mm時輪軌橫向和垂向作用力對比如圖5和圖6所示，從圖中可以看出，當左右輪存在1 mm的輪徑差時，車輛兩個方向的作用力均出現(xiàn)不同程度的增加，但增加幅度并不顯著。圖7為有、無輪徑差時車輛關鍵部件(包括輪對，構架，車體)橫向加速度的對比，從圖中可以看出，輪對橫向加速度對輪徑差變化較為敏感，但車體橫向加速度經過兩級減振機構的減振作用，其所受影響較小。圖8為有、無輪徑差時車輛關鍵部件(包括輪對，構架，車體)垂向加速度的對比，從圖中可以看出，車輛各關鍵部件的垂向加速度受輪徑差影響不大。

圖5 有無輪徑差時輪軌橫向力作用力對比

圖6 有無輪徑差時輪軌垂向力作用力對比

圖7 有無輪徑差時關鍵部位橫向加速度響應對比

圖8 有無輪徑差時關鍵部位垂向加速度響應對比

因此，當研究高速輪對對車輛振動性能的影響時，若左右側實際輪徑差變化較小，輪徑差對振動性能的影響比磨耗的影響小，以磨耗對車輛振動的影響為主。

4 結論

本文對高速列車各關鍵零部件的作用進行了描述，并通過多體動力學理論建立了高速列車動力學模型，根據(jù)高速列車在線路上的實際服役狀態(tài)進行仿真分析，分別研究輪對磨耗及輪徑差的作用對高速列車振動性能的影響，得出主要結論如下：

(1)通過對磨耗型面及原始型面的車輛輪軌力及車輛關鍵部件橫、垂向加速度的對比分析看出，輪對磨耗對車輛橫向振動影響較大，輪對產生磨耗后，輪軌橫向力及各關鍵部件橫向加速度增大幅值明顯，而車輛垂向振動性能對輪對磨耗不敏感。

(2)在研究高速輪對對車輛振動性能的影響時，若左右側實際輪徑差變化較小，輪徑差的存在對振動性能的影響比磨耗的影響小，以磨耗對車輛振動的影響為主。

(3)考慮到高速動車組型面磨耗與輪徑差對車輛振動特性及動力學特征的影響，應加強在動車入庫時對輪對型面的檢測，并通過在線振動加速度監(jiān)測等手段對型面磨耗進行判斷。在入庫檢修時對已產生磨耗或輪徑差的型面進行修型，盡量降低其對列車服役特性的影響。

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Study on the Effect on Service Performance of High-speed Trains by Wheel Wear

ZHANG Bingyu

(Tianjin Railway Technical and Vocational College, Tianjin 300240， China)

Affected by the on-service conditions of the high-speed trains, the status of wheelset is changing greatly. At the same time, vehicle system dynamics performances are also influenced. The structure of high-speed train is analyzed in this paper. The articulated relationships and force transfer modes between each key component are analyzed with considerations of the factors which affect the performances of high-speed trains greatly. Vehicle system model is established based on the theory of multi-body dynamics theory. The differences of wheel wear and wheel diameter that changed as service conditions are studied respectively. The wheel/rail contact forces and lateral/vertical accelerations of the key components of the high-speed train are calculated and compared on the conditions of worn profile and normal profile. The conclusions are:1. wheel wear has greater effect on the lateral vibration of the train and the wheel/rail lateral force is increased greatly, while the vertical vibration is not so sensitive. 2. while the wheel diameter difference is small, the influence on vehicle system dynamics performances is mainly caused by wheel wear.

high-speed train; multi-body dynamics; wheel wear; wheel diameter difference

2016-01-11

張冰玉(1989-)，女，助教。

1674—8247(2016)03—0011—05

U270.1+1

A