周 揚 丁軍君 余浩偉 李 燕

(1. 西南交通大學機械工程學院 四川 成都 610031；2. 中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東 青島 266100；3. 中鐵二院工程集團有限公司科學技術研究院 四川 成都 610031)

輪軌系統(tǒng)是鐵路交通的獨有特點，而輪軌動態(tài)作用直接決定了鐵道機車車輛運行的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和安全性。輪軌動態(tài)作用可以通過輪軌作用力和振動加速度等指標進行衡量，一般采用現(xiàn)場測試或者動力學仿真的方法獲得。

輪軌作用力的測試方法根據(jù)不同的測試原理可以分為地面測試方法和車載測試方法[1]，其中，地面測試方法根據(jù)不同的測試原理可以分為剪力法、軌底彎矩差法與軌腰彎矩差法等[2]。J?nsson等人提出輪軌作用力地面測試方法的理論基礎，該理論以連續(xù)平移旋轉理論和拉索夫薄壁梁理論為基礎，并采用有限單元法驗證了該理論的合理性[3]。中國鐵道科學研究院開發(fā)了一套車輛運行狀態(tài)地面安全監(jiān)測系統(tǒng)，采用雙向板式傳感器同時檢測輪軌垂向力與橫向力，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性[4]。在動力學仿真方面，李怡然等通過動力學仿真手段研究了小半徑曲線鋼軌型面對輪軌動力學的影響[5]；楊逸航研究了鋼軌打磨對小半徑曲線車輛動力學特性的影響[6]；張訓全研究了鋼軌打磨對地鐵車輛動力學性能的影響[7]。

本文以曲線線路為研究對象，利用地面測試設備對輪軌動作用力及鋼軌振動加速度數(shù)據(jù)進行采集，并與動力學仿真的結果進行比較。

1 輪軌動作用力的測試原理及方法

1.1 測試原理

輪軌動作用力測試采用基于剪力法的地面測試方法，即通過在鋼軌上安裝應變片，檢測鋼軌的變形來獲得輪軌作用力。

測試輪軌垂向力的組橋方案如圖1所示，A1和A2、A3和A4、B1和B2、B3和B4均為應變花。將應變花以鋼軌的中心軸為對稱軸粘貼在鋼軌軌腰，距離為220 mm，粘貼方向為縱向45°，AC端對應電壓輸入，BD端對應信號輸出[8]。

圖1 測量垂向力的組橋示意圖

測量橫向力的組橋方案如圖2所示。應變花以距離軌底邊緣25 mm處為中心成對粘貼在軌道底部，相距220 mm，AC端對應電壓輸入，BD端對應信號輸出。

圖2 測量橫向力的組橋示意圖

通過應變花測得鋼軌的應變，根據(jù)鋼軌應力-應變的關系，從而得到輪軌動作用力。

1.2 輪軌力的標定

為了得到輪軌作用力和鋼軌應變的關系，設計專用的鋼軌標定加壓系統(tǒng)，包含液壓缸、千斤頂、壓力傳感器與A/D轉換卡等。將標定裝置安裝在鋼軌上，通過液壓千斤頂對鋼軌施加壓力，如圖3所示。

圖3 標定示意圖

液壓千斤頂加載的壓強為0～30 MPa，間隔5 MPa加載1次，得到對應壓強下的鋼軌應變，并擬合得出鋼軌壓強與應變的函數(shù)關系為：

Y=αX

(1)

式中：Y為鋼軌應變；X為壓強；α為壓強-應變系數(shù)。擬合得到的鋼軌壓強-應變曲線如圖4所示。

圖4 鋼軌壓強與應變的關系

根據(jù)液壓千斤頂中壓強與壓力的關系，最終得到輪軌作用力與應變的關系：

F=βY

(2)

式中：F為輪軌作用力；β為應力-應變系數(shù)。

2 輪軌動力學測試結果

2.1 測量線路和工況

以國內某線路的曲線區(qū)段作為試驗線路。該曲線半徑為400 m，緩和曲線長度為60 m，超高為95 mm。在試驗過程中，對該曲線的鋼軌進行了打磨。打磨前后的廓形圖如圖5所示。

圖5 鋼軌打磨前后的廓型

在試驗中通過在鋼軌上面安裝應變花檢測鋼軌的變形來獲得輪軌作用力，同時為了分析鋼軌的振動情況，在鋼軌上布置垂向和橫向加速度傳感器，分別布置在軌底和軌腰位置上，如圖6所示。

圖6 應變片和加速度傳感器裝置

試驗采集得到的數(shù)據(jù)包括：輪軌垂向力、輪軌橫向力、鋼軌橫向和垂向振動加速度。同時利用輪軌垂向力和輪軌橫向力還可獲得車輛的脫軌系數(shù)和輪重減載率。

由于該試驗區(qū)段是客貨混跑，因此對貨運列車和旅客列車通過該曲線時的動態(tài)作用力均進行了測試，同時為了分析輪軌間摩擦因數(shù)對輪軌動態(tài)作用力的影響，在打磨后對鋼軌噴水并進行測試。

2.2 現(xiàn)場測試結果

貨運列車和旅客列車通過試驗區(qū)段的曲線時，對機車和車輛的輪軌動態(tài)響應進行了區(qū)分。由于小半徑曲線上股鋼軌的載荷條件較下股鋼軌更為惡劣，因此本文僅分析了上股鋼軌上的測試數(shù)據(jù)。

列車通過曲線時，鋼軌打磨前、鋼軌打磨后、鋼軌打磨后+噴水工況下，機車和車輛對應的輪軌作用力如圖7所示。

圖7 輪軌作用力試驗結果

鋼軌打磨后，機車和車輛輪軌垂向力的平均值都較鋼軌打磨前有所降低，而鋼軌噴水后輪軌垂向力又有所下降。鋼軌打磨和噴水對貨車車輛輪軌垂向力的降低最為明顯，分別降低了8.2%和16.9%。輪軌橫向力的變化趨勢與輪軌垂向力的趨勢比較接近，貨車車輛在鋼軌打磨后輪軌橫向力降低了26.7%。整體來看，鋼軌打磨對降低輪軌作用力有較好的效果。

客運列車和貨運列車通過曲線時，不同工況下機車和車輛的運行安全性如圖8所示。鋼軌打磨后，機車和車輛的脫軌系數(shù)均有所下降，下降幅度為16.6%～18.2%。鋼軌噴水后對脫軌系數(shù)的影響規(guī)律不一致，甚至會出現(xiàn)脫軌系數(shù)增加的現(xiàn)象。機車車輛的輪重減載率的變化趨勢與脫軌系數(shù)基本一致，打磨后最大降低幅值達到35.7%，但鋼軌噴水后車輛的輪重減載率均增大，而機車的略有減小。

圖8 運行安全性測試結果

不同工況下機車和車輛通過時鋼軌的振動加速度如圖9所示。僅打磨的情況下：貨運機車對應的鋼軌橫向振動加速度有明顯降低，但客運機車和客車對應的鋼軌橫向加速度有所增加；各種車型對應的鋼軌垂向振動加速度均有所下降。打磨并噴水后：各種車型對應的鋼軌橫向振動加速度均有所降低；除了貨運機車，其余車型對應的鋼軌垂向振動加速度均有所下降，但下降幅度不及僅打磨工況。整體來看，鋼軌打磨能一定程度降低鋼軌的橫向和垂向振動加速度。

圖9 鋼軌振動加速度測試結果

3 車輛-軌道動力學模型及仿真

3.1 貨車動力學仿真模型

在現(xiàn)場試驗中，觀測到貨運列車中貨車車型以C70型敞車(以下簡稱C70貨車)為主，因此本文以C70貨車為對象建立車輛-軌道動力學模型并進行仿真分析。

C70貨車采用轉K6型轉向架，主要結構有搖枕、側架、軸箱、交叉支撐裝置等部件。軸箱一系懸掛采用內八字橡膠彈性剪切墊，二系懸掛采用帶變摩擦減振器的中央枕簧懸掛系統(tǒng)，側架之間加裝彈性下交叉支撐裝置。根據(jù)C70貨車的結構在多體動力學軟件中建立車輛-軌道動力學模型。

在動力學模型中，線路參數(shù)與試驗線路一致，車輪型面為LM型，鋼軌型面采用圖5中所示的實測鋼軌廓形?，F(xiàn)場試驗中貨運列車的運行速度通常分布在55～65 km/h之間，因此動力學仿真中車輛的運行速度設置為60 km/h。

3.2 動力學仿真結果

鋼軌打磨前后C70貨車空車和重車工況下的輪軌垂向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率的仿真結果如表1～表4所示。

表1 輪軌垂向力仿真結果

表2 輪軌橫向力仿真結果

表3 脫軌系數(shù)仿真結果

表4 輪重減載率仿真結果

仿真結果表明，鋼軌打磨可以降低車輛在曲線上運行的輪軌垂向力與輪軌橫向力，降低幅度分別達到3.9%和17.1%；鋼軌打磨后，脫軌系數(shù)和輪重減載率較打磨前明顯降低，降低幅度分別為42.7%和23.9%。

由于試驗過程中車型和裝載條件較為復雜，導致動力學仿真結果中各指標的變化幅值與試驗結果略有偏差，但整體變化趨勢一致，因此采用動力學仿真的方法能較好反映鋼軌廓形狀態(tài)對輪軌動作用力及運行安全性的影響。

4 結論

(1)采用地面測試方法對鋼軌打磨前、打磨后、打磨后噴水工況下的輪軌動作用力和鋼軌振動加速度進行了測試，結果表明鋼軌打磨對降低輪軌作用力有較好的效果，能提高車輛運行安全性，同時能一定程度降低鋼軌的橫向和垂向振動加速度。

(2)車輛動力學仿真結果的變化趨勢與試驗結果一致，能較好地反映鋼軌廓形狀態(tài)對車輛動力學性能的影響。