周黃標(biāo),丁軍君,王軍平,李 芾,胡靜濤

(1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031；2.中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司,北京 100036)

輪軌磨耗是影響列車運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素。輪軌磨耗變形不僅會使車輛運(yùn)行平穩(wěn)性變差,而且也會導(dǎo)致臨界速度下降[1]。造成輪軌嚴(yán)重磨耗的因素很多,線路參數(shù)設(shè)置不當(dāng)是主要原因之一。在曲線區(qū)段通常設(shè)置超高,當(dāng)曲線半徑小于一定值時還需要對軌距進(jìn)行加寬,其目的在于提高車輛曲線通過性能,減小輪軌磨耗和保持線路穩(wěn)定。但是軌距加寬也會導(dǎo)致輪軌游間過大,對行車的平穩(wěn)性和輪軌磨耗不利。針對上述問題已有大量專家學(xué)者對標(biāo)準(zhǔn)軌距線路進(jìn)行過研究[2-9],但尚未有米軌線路方面的研究。米軌線路具有曲線半徑小和曲線多的特點(diǎn)[10],目前中國企業(yè)在海外大量修建米軌鐵路并出口米軌機(jī)車車輛。本文以米軌鐵路為研究對象,對米軌鐵路超高和軌距變化對C0-C0機(jī)車輪軌磨耗的影響進(jìn)行研究。

1 動力學(xué)仿真計算模型

采用SIMPACK軟件,以我國某企業(yè)出口泰國米軌機(jī)車為例建立機(jī)車多剛體動力學(xué)模型。該機(jī)車采用C0-C0軸式,軸重為16 t,最高運(yùn)行速度為120 km/h,動力學(xué)模型由1個車體、2個轉(zhuǎn)向架、2個牽引銷、6個輪對、6個電機(jī)和12個軸箱共29個剛體組成。機(jī)車模型自由度見表1。各個剛體之間通過力元或鉸聯(lián)接,車輪和鋼軌型面分別采用S1002和UIC54。車軸命名及輪軌接觸關(guān)系如圖1所示。圖中L代表機(jī)車運(yùn)行方向的左側(cè)(曲線外側(cè)),R代表右側(cè)(曲線內(nèi)側(cè)),WSi代表i(i=1～6)號輪對。

表1 機(jī)車模型自由度

圖1 車軸命名及輪軌接觸關(guān)系

2 仿真分析和評價指標(biāo)

仿真分析中設(shè)置2種線路半徑,分別為200,400 m,線路實設(shè)超高均為50 mm,依據(jù)文獻(xiàn)[11]可算出機(jī)車對應(yīng)的平衡速度分別為34.6,49.0 km/h。超高率為計算超高與實設(shè)超高之差占實設(shè)超高的百分比,其變化范圍為-20%～20%(其中負(fù)值為欠超高,正值為過超高)。

評價機(jī)車車輛通過曲線時輪軌磨耗程度的指標(biāo)很多,其中使用較多的有如下幾種[12]：①磨耗因數(shù)。其定義為輪緣橫向力與沖角的乘積,表征輪緣與鋼軌側(cè)面的能量損耗；②踏面磨耗指標(biāo)。其定義為輪重與合成蠕滑率的乘積；③輪軌接觸斑處所消耗的功。其定義為蠕滑力與蠕滑率的數(shù)量積,表征沿軌道運(yùn)行每單位長度所消耗的摩擦功；④輪軌接觸斑處所消耗的功率(以下簡稱磨耗功率)。其定義為輪軌接觸斑處所消耗功與車輛運(yùn)行速度的乘積,表征沿軌道運(yùn)行每單位時間所消耗的摩擦功。

磨耗功率既包含了蠕滑率及沖角的影響,又包含了運(yùn)行速度,能很好地表達(dá)出輪軌磨耗狀態(tài),故本文中采用磨耗功率的大小來表征輪軌磨耗的劇烈程度。

曲線通過時,由于機(jī)車6個輪對中WS1(導(dǎo)向輪對)對機(jī)車系統(tǒng)動力學(xué)性能的影響最大,故在分析輪對沖角和輪軌橫向力時選其為分析對象；輪軸橫向力、踏面磨耗功率和輪緣磨耗功率則選取轉(zhuǎn)向架1上所有輪對為分析對象；平均磨耗功率為12個車輪磨耗功率的平均值。以下分析中,輪對沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力取圓曲線部分所得最大值,磨耗功率則取圓曲線部分的平均值。

2.1 曲線超高對動力學(xué)性能和輪軌磨耗的影響

本文以輪對沖角、輪軌橫向力、輪軸橫向力和磨耗功率為評價指標(biāo),分析曲線超高對機(jī)車通過曲線時動力學(xué)性能和輪軌磨耗的影響。

2.1.1 對沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響

曲線超高率對機(jī)車輪對沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響如圖2所示。可知當(dāng)超高率由-20%增大到20%時,在半徑200 m和400 m的曲線上,沖角分別增大了0.7%和2.1%，輪軌橫向力分別增大了2.0%和-0.6%。

圖2 超高率對輪對沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響

當(dāng)超高率由-20%增大到20%時,在半徑為200 m的曲線上,只有中間輪對WS2的輪軸橫向力增加了16.1%,其余輪對均逐漸減??；在半徑為400 m的曲線上,輪軸橫向力較半徑200 m時小，且數(shù)值變化不大。由此可知,超高變化對沖角和輪軌橫向力影響很小,對小半徑曲線上的輪軸橫向力影響較大。

2.1.2 對磨耗功率的影響

由于在半徑分別為200 m和400 m時,輪軌磨耗功率變化趨勢基本相同,因此只列出半徑為200 m時的磨耗功率,見圖3,其中超高率由-20%增加到20%。

圖3 超高率對磨耗功率的影響

由圖3(a)可知,WS1和WS2的外側(cè)車輪踏面磨耗功率均逐漸減小,內(nèi)側(cè)逐漸增大；WS3則與之相反,但WS3的踏面磨耗功率最小。

由圖3(b)可知,曲線內(nèi)側(cè)所有車輪踏面磨耗功率之和(以下簡稱曲線內(nèi)側(cè)之和)逐漸增大,外側(cè)與之相反,但總和幾乎不變。

由圖3(c)可知,車輪輪緣磨耗功率之和略有增加。在仿真計算過程中,只有曲線外側(cè)車輪發(fā)生輪緣接觸。輪緣磨耗功率之和的增加是由導(dǎo)向輪對輪軌橫向力隨著超高率的增加而增大所導(dǎo)致的。由圖3(c)還可知，平均磨耗功率增幅為2.1%。由前面分析可知,增加的主要是輪緣磨耗功率,這不僅會導(dǎo)致車輪提前磨耗到限,同時也會導(dǎo)致嚴(yán)重的鋼軌側(cè)磨,故應(yīng)適當(dāng)減小實設(shè)超高,使列車通過時處于適當(dāng)?shù)那烦郀顟B(tài),這與文獻(xiàn)[13]中的分析結(jié)果相同。

2.2 軌距變化對動力學(xué)性能和輪軌磨耗的影響

采用與2.1節(jié)相同的評價指標(biāo),分析軌距變化對機(jī)車通過曲線時動力學(xué)性能和輪軌磨耗的影響規(guī)律。在本次仿真分析中,軌距的變化范圍為-5～15 mm。超高根據(jù)2.1節(jié)的分析結(jié)果,設(shè)置為40 mm,即欠超高狀態(tài),其余線路條件不變。

2.2.1 對沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響

機(jī)車輪對沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力隨軌距加寬的變化規(guī)律如圖4所示,其中軌距加寬量由-5 mm 增大到15 mm。

圖4 軌距變化對沖角、輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響

由圖4(a)可知,在半徑分別為200 m和400 m時,沖角增幅分別為36.8%和33.8%。這是由于軌距增大,導(dǎo)致輪軌自由間隙和輪對橫移量增大,使輪對搖頭有更大的空間。

由圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)可知,在半徑為200 m 時,輪軌橫向力先緩慢減小后迅速增大,增幅為35.1%,最大輪軸橫向力顯著增大,增幅為98.4%；在半徑為400 m時,輪軌橫向力先有所減小,而后保持不變,輪軸橫向力較穩(wěn)定。

與2.1.1節(jié)的結(jié)論比較可知,相較于超高變化,軌距加寬對小半徑曲線上的輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響更顯著。由此可見,軌距加寬并不能有效降低小半徑曲線通過時的輪軌橫向力和輪軸橫向力,這是由于軌距加寬使輪對沖角增大導(dǎo)致的。

2.2.2 對磨耗功率的影響

在半徑分別為200 m和400 m時,輪軌磨耗功率隨軌距加寬的變化規(guī)律基本相似,因此只列出半徑為200 m時的磨耗功率,如圖5所示,其中軌距加寬量由-5 mm增大到15 mm。

圖5 軌距加寬量對磨耗功率的影響

由圖5(a)可知,WS1踏面磨耗功率先增大后略有減小,且在軌距較小的時候變化更明顯；WS2變化趨勢與WS1相同但變化率更大；WS3變化規(guī)律與WS1相反。

由圖5(b)可知,曲線內(nèi)、外側(cè)磨耗功率之和均先增大后減小,軌距加寬-5 mm時,內(nèi)、外側(cè)磨耗功率總和為21.69 kN·m/s,加寬0,5,10,15 mm時的增幅分別為9.4%,13.8%,18.6%,15.5%。

由圖5(c)可知,輪緣磨耗功率之和先減小后增大,且變化率也逐漸增大。平均磨耗功率先由2.51 kN·m/s 減為2.47 kN·m/s后增為3.09 kN·m/s。這是因為軌距加寬-5 mm時輪緣與鋼軌側(cè)面長時間接觸,導(dǎo)致輪緣磨耗功率增大;而后隨著軌距繼續(xù)加寬,輪對沖角和輪軌橫向力增大,也導(dǎo)致輪緣磨耗功率增大。

軌距加寬0和15 mm時,輪緣磨耗功率分別占整車磨耗功率的20.1%和32.4%,而輪緣磨耗功率主要來自于WS1外側(cè)車輪輪緣,這將使WS1迅速磨耗到限。

與2.1.2節(jié)結(jié)論相比較可知,軌距變化對磨耗功率的影響較超高率更顯著。在曲線區(qū)段,經(jīng)常發(fā)生短期內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重側(cè)磨的情況,這很有可能就是由于軌距在車輪沖擊作用下發(fā)生了較大變化,使得輪緣(鋼軌側(cè)面)磨耗功率上升導(dǎo)致的。

3 結(jié)論

1)輪對沖角對曲線超高率不敏感,而對軌距變化較敏感。當(dāng)軌距加寬量由-5 mm增為15 mm,沖角在半徑為200 m和400 m時的增幅分別為36.8%和33.8%。

2)軌距變化對輪軌橫向力和輪軸橫向力的影響較超高率明顯,小半徑曲線上的軌距加寬不能有效降低輪軌橫向力和輪軸橫向力。

3)列車處于適當(dāng)?shù)那烦郀顟B(tài)能減小輪軌磨耗。磨耗功率對軌距和曲線半徑非常敏感，當(dāng)軌距加寬量由0增為15 mm,在半徑200 m和400 m時平均磨耗功率分別增加了25.0%和4.1%；

4)車輪和鋼軌的磨損是相互伴隨的,在曲線線路維護(hù)方面應(yīng)將軌距變化作為重點(diǎn),同時應(yīng)避免不必要的加寬,防止由于不正常的軌距變化使鋼軌嚴(yán)重磨耗。

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