鄧曉宇，涂 丹，夏 源

(四川城市職業(yè)學院，四川 成都 610031)

0 引言

目前國內外學者對輪軌磨耗機理的研究還處于不斷發(fā)展的階段，且側重于研究鋼軌、車輪的磨耗產生機理[1-4]，而綜合考慮車輛和軌道整體分析的較少。此外，在實際運用中，鋼軌的保養(yǎng)打磨及車輪的鏇修周期等問題還在不斷探索中。而這些問題有必要結合地鐵車輛和軌道系統(tǒng)的動力學響應特性進行整體分析。

地鐵的軌道養(yǎng)護策略目前仍以幅值超限統(tǒng)計的方式來評價軌道的不平順狀態(tài)，這種方式并沒有考慮輪軌關系以及鋼軌不平順激勵下車輛和軌道系統(tǒng)實際動力響應的影響。本文基于多體動力學分析軟件SIMPACK建立了國內某型地鐵車輛動力學模型，并在模型中將地鐵實測軌道不平順作為激勵，探究車輛在車輪不同磨損狀態(tài)下的動力響應，再以此對鋼軌保養(yǎng)與車輪維護提出合理建議。

1 模型建立

利用多體動力學分析軟件SIMPACK建立了某型地鐵車輛的動力學模型[5-7]，如圖1所示，模型包括車體、構架、輪對、電機、齒輪箱、大小齒輪和軸箱轉臂等31個剛體。其中，電機通過架懸方式安裝在構架上；車體、構架、電機各有6個自由度，每個軸箱轉臂各有一個自由度，輪對有4個獨立自由度，輪對的沉浮和側滾自由度由輪軌非線性接觸幾何關系約束。輪對和構架采用轉臂節(jié)點定位，并配有一系垂向彈簧和液壓減振器，同時車體和構架之間除空氣彈簧以外還有橫向減振器、橫向止擋、牽引拉桿以及抗側滾扭桿等，考慮其中的非線性因素，其拓撲關系如圖2所示。圖2中,7表示SIMPACK中普通輪軌約束,2表示旋轉約束。

圖1 地鐵車輛模型

圖2 地鐵車輛模型拓撲圖

2 實測軌道不平順

在線路的平直軌道區(qū)段，鋼軌并不是呈理想平直狀態(tài)，兩根鋼軌在高低和左右方向相對于理想的平直軌道呈現出某種波狀變化而產生偏差，這種幾何參數的偏差就稱為軌道不平順。本文選取地鐵某線路實測軌道譜作為模型中的鋼軌不平順激勵，軌道譜的左軌和右軌不平順分別如圖3所示，軌道激勵主要是垂向不平順和橫向不平順。圖3中，a為加速度，v為速度。

圖3 實測地鐵軌道譜

3 實測車輪磨耗

為了研究車輪踏面在磨損過程中對車輛振動的影響，選取第一次鏇輪前的5組不同運行里程下的車輪踏面實測數據，并以此定義模型中車輪的外形尺寸。其對應的工況和磨損情況如表1所示。

表1 實測車輪磨耗情況表

利用5種不同磨耗工況下的踏面外形實測值，繪出各種工況下的踏面輪廓圖如圖4所示，在圖上可以很清楚地看出踏面外形輪廓磨耗前后的差異以及車輪踏面磨耗的過程。

圖4 車輪踏面外形磨損情況對比

由圖4可以看出：隨著運行里程的增加，車輪踏面的輪廓磨耗加劇，導致車輪外形朝著車輪半徑減小的方向變化，以此造成的輪徑差也會同時影響車輛的動力學響應[8]。

4 仿真分析

模型建立完成后，通過實測的某地鐵軌道譜對模型軌道施加激勵，并根據實際情況按車輛運行速度為80 km/h進行計算，通過時間積分得到不同車輪磨耗狀態(tài)下對應車輛測點的動態(tài)響應特性。限于篇幅，在此探究車輪在運行12萬公里的工況1和運行20.3萬公里的工況5兩種車輪磨耗狀態(tài)下，以振動最劇烈的軸箱動力響應特性為例，對仿真結果的時域特性進行分析，結果如圖5、圖6所示。

圖5 踏面磨損對軸箱橫向振動的影響

圖6 踏面磨損對軸箱垂向振動的影響

由圖5可以很明顯地看出：踏面磨損對軸箱的橫向振動響應有較大影響；在工況1的踏面外形情況下，車輪磨耗后軸箱的橫向振動加速度已整體大于標準踏面對應的加速度值；而這一結果在工況5與標準踏面振動加速度對比中更加明顯，相當一部分時間里，車輪在工況5的磨耗狀態(tài)下，軸箱的橫向振動加速度值達到了標準踏面的兩倍，這說明此時踏面的損傷已經造成了車輛振動特性的惡化，將對車輛運行的平穩(wěn)性以及安全性產生較大影響。所以在多數情況下，地鐵車輛在運行20萬公里之后進行鏇修是相當必要的[9]。

車輪磨耗對車輛橫向振動影響較大的原因在于：車輪磨損之后，車輪的輪緣高度、輪緣錐度、踏面錐度、輪徑以及同軸輪徑差都將發(fā)生改變，磨耗后的車輪其踏面錐度的改變將影響到車輛在行駛過程中車體相對于兩側鋼軌自動對中的性能，并使得車輛在受到橫向激擾之后的振動響應加??；而同一輪對兩側車輪踏面磨耗程度的差異將導致車輪產生輪徑差，進而導致車輛在直線運行過程中也將產生橫向位移，加大橫向振動加速度，并在此過程中更多地迫使車輪輪緣接觸鋼軌，受到鋼軌對車輛的橫向約束力作用，使橫向振動加?。煌瑫r，車輪輪徑差將加速車輪輪緣的磨損，使車輪的間距與鋼軌的間距加大，導致車輛的橫向振動范圍加大，加劇車輛的橫向振動。

對比圖5和圖6的軸箱振動響應結果可以看出：踏面磨損對車輛垂向振動的影響較小，而對車輛橫向振動的影響較大。產生這一現象的主要原因在于：在踏面的主要缺陷形式中，對車輛垂向振動影響最大的是踏面的局部損傷以及踏面剝離，在存在這兩種缺陷的情況下，車輛將在垂向產生周期性的激勵，加劇車輛的垂向振動。而在本文的研究中，主要研究目的在于探究車輪踏面外形輪廓磨損的改變對車輛振動的影響，所以假設車輪磨耗前后車輪每個截面的外形都是一樣的，也就是說假設磨耗是均勻的。所以這種形式的踏面損傷對車輛垂向振動的影響是有限的。

5 結論

(1)隨著車輪磨耗的加劇，輪徑減小，車輛軸箱的橫向振動隨之加劇，并在車輪運行20萬公里左右時振動加速度幅值增長明顯，有必要進行鏇修。

(2)在車輪均勻磨耗的假設下，僅考慮車輪磨耗時，其對列車橫向振動的影響大于對垂向振動的影響。

(3)仿真結果印證了車輪磨耗對車輛振動影響的機理，為進一步探究車輪踏面其他損傷形式對車輛振動的影響奠定了基礎。