车轮踏面磨耗对车轮动力学性能的影响分析

车轮踏面磨耗对车轮动力学性能的影响分析

在高速列车的运行过程中，不可避免地会发生车轮磨损。车轮磨损会改变坐架的形状，相应的锥形和车轮直径差会发生变化，从而影响高速列车的动态性能。目前,国内外对轮轨关系的研究大多将轮轨损伤与轮轨几何接触关系分开进行,而对于由于车轮踏面磨耗引起的轮轨非对称接触对车辆系统动力学性能的变化研究比较少。轮轨接触关系大多假设为对称接触,但在很多情况下,例如左右车轮磨耗量不同会引起轮轨非对称接触现象,导致轮轨动态接触力和轮轨磨耗的加剧,降低轮轨使用寿命,进一步还会影响车辆的动力学性能。因此,为了解决由于轮对磨耗不均形成的轮轨非对称接触问题,必须在既有对称的车辆/轨道模型基础上,建立新的考虑轮轨非对称接触的车辆轨道模型。轮轨关系是轨道车辆运行的根本所在,机车车辆动力学是机车车辆实际运行行为的反应,只有将两者结合起来进行研究,才能真正找到轮轨非对称接触的危害和形成轮轨非对称接触的根本原因。1轮对轮径差引起的轮对冲角车轮踏面磨耗会引起踏面形状的改变从而会引起车轮轮径差的变化,实际中其表现形式多种多样,但它们都可以分解为图1所示的四种最基本的形式。图1(a)为转向架等值同相轮径差,图1(b)为等值反向轮径差,图1(c)为后轮对轮径差,图1(d)为前轮对轮径差。如果轮对存在轮径差,车辆在运行过程中就会使轮对的纯滚线偏离轨道中心线,进而改变轮轨接触关系,影响车辆系统的动力学性能。由于轮径差的存在,会引起轮对横移量的变化。当左右车轮通过过盈配合与车轴压装在一起时,车辆运行过程中左右车轮的转动角速度是相同的,因此如果出现轮径差,为了保证左右车轮走行距离的相同,车轮就会通过踏面锥度来调整车轮的滚动圆直径,使轮对中心线偏离轨道中心线向轮径小的一侧移动,直至左右车轮达到平衡,因此轮对中心线就会相对于轨道中心线有一定的横移量。令车轮踏面锥度为一定值λe(即踏面等效锥度),当车轮左侧直径小于右侧直径时,轮对中心就会离开轨道中心线向左移动yw,则两侧车轮的实际滚动圆半径分别为RL=r0+λeyw(1)RR=r0-λeyw(2)令轮径差为:ΔD=DL-DR(3)则由式(1)～式(3)可以得到:yw=ΔD/4λe(4)式中,r0,RL,RR分别为车轮名义滚动圆半径、左右轮的实际滚动圆半径;ΔD,DL,DR分别为车轮轮径差、左右轮实际滚动圆直径。由式(4)可以看出,轮对纯滚线偏离轨道中心线的距离随着轮径差的增大而增大,随着等效锥度的增大而减小。根据式(4)可以进一步分析在不同形式的轮径差下转向架的运动状态:当转向架具有如图1(a)所示的等值同相轮径差时,前后轮对的轮径差等值同号,则使前后轮对纯滚线偏离轨道中心线的距离等值同相,这样不会使转向架发生较大幅度的偏转,因此前后轮对的冲角也比较小;当转向架具有如图1(b)所示的等值反相轮径差时,前后轮对的轮径差等值异号,必然引起前后轮对向相反的方向移动,从而导致转向架发生较大幅度的转动,势必引起前后轮对之一具有较大的冲角;当转向架具有如图1(c)所示的后轮对轮径差和图1(d)所示的前轮对轮径差时,只有一个轮对的纯滚线偏离轨道中心线,因此它们引起的轮对冲角应该介于图1(a)和图1(b)两种工况之间。以上公式在推导过程中是忽略了轮径差引起的侧滚对等效锥度的影响,因此式(4)只是轮径差引起的轮对横移的近似公式。图2分别为不同形式的轮径差引起的轮对冲角的变化图,由图中可以看出:具有等值同相轮径差的轮对冲角最小,而具有等值反相轮径差的轮对冲角最大,其他两种情况引起的轮对冲角介于以上两种工况之间。同时仿真结果也可与以上的理论分析结果相一致。另外,根据klingel公式,车轮的蛇形运动频率与踏面等效锥度满足如下关系:f=12πλebr0−−−√v(5)f=12πλebr0v(5)式中:f为蛇行运动频率;λe为踏面等效锥度;b为左右轮轨接触点横向距离的一半;r0为车轮滚动圆半径;v为车轮运行速度。由(5)式可以看出,踏面等效锥度越大,车轮的蛇形运动频率也越大,车轮的稳定性反而会降低。2结果表明，车轮磨损数据的测量以及车轮之间非对称接触的几何关系2.1调查轮对左右车轮磨耗效果的测试图3为车辆各位车轮磨耗量的实测图,从图中可以清楚的看到第5位车轮的磨耗最大,6位车轮磨耗最小,其形成的非对称接触关系最严重。本文选取由5、6位车轮组成的轮对作为研究对象,并测量其左右车轮的磨耗数据,分别选取其运行14万公里与20万公里两组数据,图4为实测同一轮对左右车轮的踏面状态,其中“S1L”、“S1R”、“S2L”和“S2R”分别代表第一次测试左右轮、第二次测试左右轮的踏面外形。图5为车轮磨耗曲线及磨耗量的实测曲线可以看到左右车轮的磨耗并不一致,从表1也可以看出左右车轮的磨耗量及轮径差。2.2轮轨接触点分布从上边实测的踏面外形及其磨耗数据,可以得出不同磨耗工况下轮轨接触几何关系。从图6(a)可以看出标准踏面外形和标准钢轨外形匹配时,左右侧轮轨接触点分布完全对称,而从图6(b)和图6(c)可以看出在轮对有磨耗的工况下轮轨呈现明显的非对称几何接触关系。其中G0对应于无磨耗工况,G1、G2分别对应于磨耗14万公里与磨耗20万公里时的工况。2.3车轮等效锥度随踏面磨耗的变化图7为3种不同工况下车轮等效锥度随轮对横移量的变化曲线,由图可见,随着踏面磨耗的加剧,车轮的等效锥度增大,并且磨耗越严重,车轮等效锥度随轮对横移量的变化也越大。根据公式(5)等效锥度越大,车辆的稳定性越差。3面磨耗对车辆临界速度和平稳性的影响根据以上实测数据可以看出车辆在运行一段时间后,车轮的踏面外形和和轮径均发生了明显的变化,从而使轮轨形成了非对称几何接触关系。为了进一步研究在轮轨非对称接触情况下车辆动力学性能的变化情况,本文以某型高速列车为例,在SIMPACK软件中建立其动力学仿真模型,并给模型施加德国高干扰轨道谱。表2是踏面磨耗对车辆临界速度和平稳性的影响,从表中可以看出随着运行里程的增加,踏面磨耗越来越严重,使得轮轨呈现明显的非对称接触,从而导致车辆的临界速度越来越低,最大下降了123km/h,从而也验证了前边的公式(5),等效锥度越大,车辆的蛇形稳定性越低。另外,从表2中也可以看出,随着磨耗量的增大,车辆的横向平稳性越来越差,而垂向平稳性恶化不明显。导致横向平稳性下降的原因主要是因为磨耗后的车轮利用踏面进行轮对横移和摇头位置的调整,使轮对接触位置发生改变,进而使轮对的等效发生改变;垂向平稳性变化不明显的原因是本文假设车轮在磨耗后没有出现车轮不圆的情况。图8(a)、(b)、(c)、(d)分别为在不同速度下车轮磨耗引起的非对称接触对车辆脱轨系数、轮轴横向力、摩擦功率和轴箱处横向加速度的影响。从图中可以看出,以上各指标均随磨耗量的增加而增加,并且可以看出,在G2工况时,车辆的各项动力学指标已经非常恶化了,因此在车辆实际运用中,应尽量避免如G2工况这样的强轮轨非对称接触情况的出现。4等效锥度与轮径差的关系(1)通过分析车轮磨耗引起的踏面外形变化对轮对运动的影响表明:当车轮具有等值同相轮径差时轮对形成的冲角最小,具有等值反相轮径差时轮对形成的冲角最大,前轮对轮径差和后轮对轮径差轮对