苗壯 左安國(guó) 馬骙骙

摘要：

為探究小半徑曲線鋼軌軌底坡對(duì)車輪磨耗的影響規(guī)律，建立長(zhǎng)春市輕軌3號(hào)線70%低地板輕軌列車車輪磨耗預(yù)測(cè)分析模型，包括獨(dú)立旋轉(zhuǎn)輪對(duì)的車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型、輪軌接觸模型和Archard材料磨耗模型，并采用這些模型分析輕軌列車通過(guò)小半徑曲線軌道時(shí)軌底坡對(duì)車輪磨耗的影響。分析結(jié)果表明：輕軌列車通過(guò)小半徑曲線軌道時(shí)，動(dòng)車輪對(duì)的磨耗程度比拖車輪對(duì)更嚴(yán)重，動(dòng)車輪對(duì)總磨耗量為拖車輪對(duì)總磨耗量的159%;從輪對(duì)自身來(lái)看，內(nèi)側(cè)車輪的磨耗均比外側(cè)車輪的磨耗嚴(yán)重，內(nèi)側(cè)車輪總磨耗量為外側(cè)車輪總磨耗量的165%;鋼軌軌底坡對(duì)車輪磨耗的影響顯著，車輪踏面最大磨耗量出現(xiàn)位置隨軌底坡變化的規(guī)律較為復(fù)雜，車輪輪緣磨耗量在軌底坡為1/20時(shí)最小。

關(guān)鍵詞：

輕軌; 輪對(duì); 耦合動(dòng)力學(xué); 軌底坡; 磨耗

中圖分類號(hào)：? U260.3111; TP391.99

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? B

Influence of rail cant on wheel wear

in Changchun light rail line 3

MIAO Zhuang1， ZUO Anguo1， MA Kuikui2

（

1. Operation Business Department， Changchun Railway Traffic Group Co.， Ltd.， Changchun 130000， China;

2. Shanghai Key Laboratory of Rail Infrastructure Durability and System Safety， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract：

To study the influence of rail cant of small radius curve track on wheel wear， the prediction and analysis models for wheel wear of 70% low floor light rail train of Changchun light rail line 3 are established， which include the vehicletrack coupling dynamic calculation model with independent rotating wheelset， wheelrail contact model and Archard material wear model. These models are used to analyze the influence of rail cant on wheel wear when light rail train passes through small radius curve track. The simulation results show that when the light rail train passes through small radius curve track， the wear of motor car wheelset is more serious than that of trailer wheelset， and the total wear amount of motor car wheelset is 159% of that of trailer wheelset. From the view of wheelset itself， the wear of the inside wheel is more serious than that of the outside wheel， and the total wear of the inside wheel is 165% of that of the outside wheel. The influence of rail cant on wheel wear is significant， and the variation of the maximum wheel tread wear and the rail cant is? complex， and the wheel flange wear is the minimum while the rail cant is 1/20.

Key words：

light rail; wheelset; coupling dynamics; rail cant; wear

0 引 言

長(zhǎng)春輕軌3號(hào)線是吉林省長(zhǎng)春市第一條輕軌線路，位于城市核心區(qū)域邊緣，圍繞城市核心區(qū)域北、西、南3個(gè)邊呈U形，并向凈月區(qū)組團(tuán)延伸[1]，全長(zhǎng)31.9 km，包含33個(gè)站點(diǎn)。長(zhǎng)春輕軌3號(hào)線的輕軌車輛普遍存在輪緣異常磨耗情況，導(dǎo)致車輛在直線運(yùn)行過(guò)程中橫向擺動(dòng)幅度較大，降低乘客乘車的舒適度，且加劇輪緣與軌道的磨耗。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)車輪磨耗進(jìn)行大量的研究。KALKER[2]開(kāi)發(fā)FASTSim算法用于計(jì)算車輪磨耗，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，其開(kāi)發(fā)的FASTSim算法在計(jì)算精度符合要求的前提下，還可以有效節(jié)省求解時(shí)間，證明FASTSim算法適用于車輪磨耗的求解。該算法至今仍被很多學(xué)者采用。JENDEL[3]采用Archard磨耗模型分析車輪踏面磨耗，基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，認(rèn)為將Archard磨耗模型應(yīng)用于車輪踏面磨耗預(yù)測(cè)是可行的。李霞[4]和LI等[5]采用改進(jìn)的三維非Hertz滾動(dòng)接觸模型計(jì)算輪軌接觸應(yīng)力，并將該接觸應(yīng)力輸入建立的車輪磨耗計(jì)算模型中計(jì)算車輪磨耗，結(jié)合車輪每次通過(guò)接觸斑網(wǎng)格時(shí)輪軌接觸狀態(tài)的改變，可以精確計(jì)算車輪滾動(dòng)時(shí)接觸斑內(nèi)應(yīng)力的變化情況，并且針對(duì)型面平滑方法，首次提出超光平滑（Super）的概念。丁軍君等[6]模擬有軌電車車輪磨耗演變過(guò)程，磨耗模型基于Archard材料模型，輪軌接觸采用可以同時(shí)考慮非橢圓接觸斑和多點(diǎn)接觸的接觸模型，結(jié)果表明車輪輪對(duì)內(nèi)側(cè)距對(duì)磨耗的影響在直線和曲線工況下是相互矛盾的，在一定范圍內(nèi)輪對(duì)內(nèi)側(cè)距越小對(duì)直線工況越有利、對(duì)曲線工況越不利。徐凱等[7]編制輪軌磨耗仿真程序，結(jié)合SIMPACK高速動(dòng)車組模型，針對(duì)一個(gè)鏇修周期內(nèi)的2種動(dòng)車組車輪，分析車輪磨耗特性及其對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。周業(yè)明等[8]以Ri60R2槽型軌為研究對(duì)象，參考車輪磨耗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出輪緣磨耗的推薦最大值。李濤等[9]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究列車車輪輪緣嚴(yán)重磨耗問(wèn)題，分析鋼軌磨耗對(duì)列車運(yùn)行動(dòng)力學(xué)性能的影響。于春廣等[10]對(duì)某地鐵線路的列車車輪磨耗進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，研究輪緣偏磨的機(jī)理，并基于輪軌關(guān)系研究懸掛剛度和輪軌摩擦系數(shù)等因素，提出減緩車輪磨耗的工程建議。楊新文等[11]基于現(xiàn)代有軌電車與槽型軌耦合動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，建立槽型軌磨耗預(yù)測(cè)模型，分析鋼軌軌底坡對(duì)槽型軌磨耗的影響。司道林等[12]和都敏等[13]研究我國(guó)現(xiàn)行鋼軌軌底坡設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)下重載鐵路和地鐵鋼軌的磨耗情況。

目前，我國(guó)輕軌線路小半徑曲線的鋼軌軌底坡設(shè)置暫無(wú)統(tǒng)一規(guī)范，因此有必要探究輕軌列車通過(guò)小半徑曲線軌道時(shí)軌底坡對(duì)車輪磨耗的影響。本文建立輕軌車輛車輪磨耗預(yù)測(cè)分析模型，包括獨(dú)立旋轉(zhuǎn)輪對(duì)的輕軌車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型、輪軌接觸模型和Archard材料磨耗模型。基于這些模型，分析長(zhǎng)春輕軌3號(hào)線列車通過(guò)小半徑曲線軌道時(shí)鋼軌軌底坡對(duì)車輪磨耗的影響。

1 車輪磨耗預(yù)測(cè)模型

1.1 車輪磨耗預(yù)測(cè)流程

車輪磨耗預(yù)測(cè)模型的計(jì)算流程見(jiàn)圖1。

首先，建立輕軌車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，并求解輪軌接觸點(diǎn)所需的動(dòng)力學(xué)參數(shù);然后，通過(guò)Hertz接觸算法求解法向接觸應(yīng)力，利用FASTSim數(shù)值方法求解切向接觸應(yīng)力;最后，基于Archard材料磨耗模型計(jì)算車輪磨耗量。設(shè)定車輪磨耗量達(dá)到0.1 mm后更新車輪踏面并進(jìn)入下一次迭代。

Archard材料磨耗模型表達(dá)式為

式中：Vw為磨耗體積，m3;KA為磨耗系數(shù);N為法向接觸力，N;D為滑動(dòng)距離，m;H為硬度指數(shù)，N/m2。

1.2 有軌電車車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型

利用多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)輪對(duì)的輕軌列車進(jìn)行建模，全車由“動(dòng)車+拖車+動(dòng)車”形式的3個(gè)模塊組成，見(jiàn)圖2。模型基本參數(shù)見(jiàn)表1。

車輛軌道系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，不僅車輛各組件內(nèi)部存在復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相互作用力，而且車輛與軌道也存在復(fù)雜的輪軌關(guān)系。軌道采用50 kg/m鋼軌的有砟軌道模型，施加實(shí)測(cè)的軌道不平順。在建模時(shí)對(duì)軌道和車輛進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化或者假設(shè)：（1）將軸橋輪組、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車體等部件視作剛體，忽略其彈性變形;（2）車體、轉(zhuǎn)向架、

軸橋輪組等結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱。

2 結(jié)果分析

2.1 線路條件

計(jì)算選取的曲線線路示意見(jiàn)圖3，其中：橫向坐標(biāo)表示沿線路長(zhǎng)度的里程，ZH、HY、QZ、YH、HZ分別為直緩點(diǎn)、緩圓點(diǎn)、曲中點(diǎn)、圓緩點(diǎn)和緩直點(diǎn);A、B和C點(diǎn)均為線路段的中點(diǎn)。設(shè)定車速為v，曲線半徑為R，曲線超高為h。

2.2 鋼軌軌底坡對(duì)輕軌列車車輪磨耗的影響

為研究鋼軌軌底坡對(duì)輕軌列車車輪磨耗的影響，選擇軌底坡分別為1/20、1/40和1/60等3種工況進(jìn)行計(jì)算。為探究曲線軌道對(duì)車輪磨耗的影響，假設(shè)列車持續(xù)往返通過(guò)圖3中的線路，動(dòng)車輪對(duì)為傳統(tǒng)整體輪對(duì)，拖車輪對(duì)為獨(dú)立旋轉(zhuǎn)輪對(duì)。輕軌列車通過(guò)上述小半徑曲線1 000 km后，不同軌底坡工況對(duì)動(dòng)車輪對(duì)和拖車輪對(duì)內(nèi)、外側(cè)車輪型面影響的變化曲線見(jiàn)圖4，其中：x為車輪型面橫向坐標(biāo)，正數(shù)方向?yàn)檩喚墏?cè);z為車輪型面縱向坐標(biāo)。

動(dòng)車輪對(duì)內(nèi)、外側(cè)車輪和拖車輪對(duì)內(nèi)側(cè)車輪的踏面與輪緣均有磨耗，而拖車外側(cè)車輪磨耗位置僅在踏面處。為進(jìn)一步分析車輪磨耗的變化，計(jì)算3種鋼軌軌底坡工況下列車通過(guò)小半徑曲線1 000 km后車輪的磨耗量，見(jiàn)圖5。

在不同鋼軌軌底坡工況下，列車通過(guò)小半徑曲線1 000 km后動(dòng)車輪對(duì)與拖車輪對(duì)內(nèi)、外側(cè)車輪踏面和輪緣磨耗量最大值分別見(jiàn)表2和3。由此可知，動(dòng)車輪對(duì)磨耗程度比拖車輪對(duì)嚴(yán)重，

按照總磨耗量=踏面磨耗量+0.5×輪緣磨耗量計(jì)算，

動(dòng)車輪對(duì)總磨耗量約為拖車輪對(duì)總磨耗量的159%。對(duì)于輪對(duì)自身而言，內(nèi)側(cè)車輪磨耗程度大于外側(cè)車輪，內(nèi)側(cè)車輪總磨耗量約為外側(cè)車輪總磨耗量的165%。

隨著鋼軌軌底坡變化，動(dòng)車輪對(duì)內(nèi)側(cè)車輪踏面磨耗量平均變化率為48.2%，輪緣磨耗量平均變化率為39.0%;動(dòng)車輪對(duì)外側(cè)車輪踏面磨耗量平均變化率為16.2%，輪緣磨耗量平均變化率為53.3%。隨著鋼軌軌底坡的變化，拖車輪對(duì)內(nèi)側(cè)車輪踏面磨耗量平均變化率為22.5%，輪緣磨耗量平均變化率為29.6%;拖車輪對(duì)外側(cè)車輪踏面磨耗量平均變化率為15.2%，輪緣磨耗量平均變化率為0。

3 結(jié) 論

建立輕軌車輛車輪磨耗預(yù)測(cè)分析模型，計(jì)算并分析鋼軌軌底坡對(duì)長(zhǎng)春輕軌3號(hào)線列車通過(guò)小半徑曲線軌道時(shí)車輪磨耗的影響，得出以下結(jié)論：

（1）輕軌列車通過(guò)小半徑曲線時(shí)，動(dòng)車輪對(duì)磨耗程度比拖車輪對(duì)嚴(yán)重，動(dòng)車輪對(duì)總磨耗量約為拖車輪對(duì)總磨耗約量的159%。對(duì)輪對(duì)自身而言，內(nèi)側(cè)車輪磨耗均比外側(cè)車輪嚴(yán)重，內(nèi)側(cè)車輪總磨耗量約為外側(cè)車輪總磨耗量的165%。

（2）鋼軌軌底坡顯著影響車輪磨耗，車輪踏面最大磨耗位置隨軌底坡變化而變化，變化規(guī)律較為復(fù)雜，車輪輪緣磨耗在軌底坡為1/20時(shí)最小。

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（編輯 武曉英）