王超 王開云 凌亮 高賢波

西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，成都610031

我國電商行業(yè)的興起與經(jīng)濟的快速發(fā)展促使具備高時效、高附加價值貨物運輸量急劇增長，傳統(tǒng)貨運列車的運行速度難以滿足運輸需求。我國鐵路運輸模式為客貨共線，在既有線路和提速線路增設(shè)快捷貨車成為貨運發(fā)展的主要趨勢。我國已對160 km/h速度等級的快捷貨車開展了大量研究［1-2］。快捷貨車大幅提速對貨車輪軌低動力作用設(shè)計提出較大挑戰(zhàn)。劉林［3］對我國某型快捷貨車轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)開展優(yōu)化研究，實現(xiàn)貨車輪軌低動力作用優(yōu)化設(shè)計。韓正彥［4］通過剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真模型開展快捷貨車轉(zhuǎn)向架焊接結(jié)構(gòu)載荷疲勞評估，為快捷貨車轉(zhuǎn)向架的抗疲勞設(shè)計提供理論依據(jù)?？旖葚涇囇兄萍夹g(shù)的日益成熟為快捷貨車的開行提供了技術(shù)支撐，開展快捷貨車在不同線路條件下的曲線適應(yīng)性分析成為了當(dāng)前的研究重點。

快捷貨車研制過程中應(yīng)充分考慮客貨共線運行工況與現(xiàn)有貨運線路運行環(huán)境。我國幅員遼闊，線路條件復(fù)雜，快捷貨車通過小半徑曲線工況難以避免，而小半徑曲線段是引發(fā)車輪磨耗與裂紋損傷的主要原因。由于快捷貨車車輛定距較傳統(tǒng)貨車大，其車輪服役環(huán)境更惡劣，更易產(chǎn)生輪軌磨耗與疲勞裂紋。

國內(nèi)外諸多學(xué)者已對輪軌磨耗與疲勞損傷開展了深入研究。金學(xué)松等［5-6］研究了輪軌接觸疲勞的起因與發(fā)展過程，論述了抑制車輪磨耗的若干種對策。Auciello等［7］提出一種用以預(yù)測車輪磨損廓形演變的預(yù)測模型。Hossein等［8］采用遺傳算法對車輪廓形進行優(yōu)化，成功緩解了北歐重載鐵路機車車輪的滾動疲勞問題。李偉等［9］運用NUCARS動力學(xué)軟件分析重載鐵路小半徑曲線幾何參數(shù)對鋼軌磨耗的影響研究。陶功權(quán)等［10］采用安定圖與車輪損傷函數(shù)對25G型客車車輪踏面損傷原因開展分析，指出車輪頻繁經(jīng)過小半徑曲線是導(dǎo)致車輪踏面外側(cè)裂紋和剝離的主要原因。周坤等［11］運用UM動力學(xué)軟件對40 t軸重重載貨車通過不同半徑曲線的車輪損傷情況開展了研究，為40 t軸重重載鐵路曲線半徑設(shè)計提供理論支撐。

我國干線鐵路一般鋪設(shè)60 kg/m鋼軌（簡稱60軌），部分重載鐵路鋪設(shè)75 kg/m鋼軌（簡稱75軌）。本文以最新研制的18 t軸重160 km/h快捷貨車為研究對象，對LM型車輪踏面分別與60軌、75軌匹配運行的磨耗情況開展仿真分析，研究快捷貨車運行在不同半徑曲線線路上的適應(yīng)性，以期為快捷貨車運行曲線半徑的選取提供理論參考。

1 快捷貨車動力學(xué)模型

當(dāng)前研制的18 t軸重快捷貨車未采用現(xiàn)役傳統(tǒng)貨車的三大件式轉(zhuǎn)向架，而采用研制的HZ160C3式轉(zhuǎn)向架（圖1）。該轉(zhuǎn)向架選用U形焊接構(gòu)架，主要包括輪對、軸箱轉(zhuǎn)臂、一系懸掛系統(tǒng)、二系懸掛系統(tǒng)、制動單元、牽引拉桿等。一系懸掛系統(tǒng)采用軸箱轉(zhuǎn)臂定位結(jié)構(gòu)，安裝鋼彈簧、隔振墊和垂向液壓減振器；為滿足快捷貨運的運行速度與平穩(wěn)性要求，二系懸掛系統(tǒng)采用橡膠彈簧，并安裝二系橫向液壓減振器與抗蛇行減振器，同時設(shè)置二系橫向橡膠止檔。

圖1 HZ160C3轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

運用多體動力學(xué)軟件SIMPACK，建立了160 km/h快捷貨車動力學(xué)計算模型，如圖2所示。建模時，輪對、構(gòu)架、牽引拉桿以及車體均視為6自由度剛體，軸箱轉(zhuǎn)臂僅有1個點頭自由度，共計62個自由度。車輪廓形選用LM踏面。主要車輛參數(shù)見表1。

圖2 快捷貨車動力學(xué)模型

表1 快捷貨車主要參數(shù)

2 評價指標(biāo)

2.1 磨耗評價指標(biāo)

國內(nèi)外學(xué)者提出了多種磨耗指數(shù)計算方法，在一定程度上反映輪軌間磨耗情況。傳統(tǒng)的Heumann磨耗指數(shù)應(yīng)用最為廣泛，但該計算方法忽略接觸點具體位置，且輪軌磨耗與輪對沖角成線性關(guān)系的描述與實際情況不符。Marcotte磨耗指數(shù)計算方法體現(xiàn)輪軌兩點接觸位置，但實際應(yīng)用中須計算輪軌空間接觸位置，計算量與誤差均較高。英國鐵路部門提出以輪軌接觸斑處所消耗的摩擦功作為輪軌評價指標(biāo)，忽略自旋蠕滑的影響，即Elkins磨耗指數(shù)［12］，表達式為W=Fxεx+Fyεy。其中：W為磨耗指數(shù)，N；Fx、Fy分別為縱向、橫向蠕滑力，N；εx、εy分別為縱向、橫向蠕滑率。

Elkins磨耗指數(shù)考慮車輪蠕滑率，能較好地反應(yīng)輪軌磨耗程度。北美鐵道協(xié)會運輸試驗中心所進行的現(xiàn)場試驗也證實輪軌磨耗與接觸斑處消耗的摩擦功有較好的線性關(guān)系。因此，本文選取Elkins磨耗指數(shù)作為評價指標(biāo)。

2.2 損傷函數(shù)預(yù)測模型

預(yù)測車輪踏面剝離的損傷函數(shù)由鋼軌損傷函數(shù)技術(shù)發(fā)展而來，將動力學(xué)模型輸出的輪軌接觸結(jié)果引入損傷函數(shù)，進一步預(yù)測車輪是否萌生滾動接觸疲勞。損傷函數(shù)考慮磨耗對疲勞損傷的影響，損傷函數(shù)曲線見圖3。圖中，損傷函數(shù)正值表示疲勞損傷，負(fù)值表示磨耗損傷，總損傷量為兩者之和，即車輪每滾動一圈所產(chǎn)生的相對疲勞損傷。由圖3可以得出損傷函數(shù)特征參數(shù)：疲勞損傷、磨耗損傷起始值分別為20、100 N，發(fā)展速率分別為3.6×10-6、-5.4×10-6r/N。

圖3 損傷函數(shù)曲線

考慮到輪軌接觸作用時的裂紋閉合效應(yīng)及液體疲勞裂紋擴展的影響，僅有作用在車輪上的縱向蠕滑力方向與列車運行方向相反時才計算疲勞損傷［11］。

3 快捷貨車曲線適應(yīng)性分析

車輛通過曲線線路時，導(dǎo)向輪的動力學(xué)指標(biāo)與磨耗情況往往明顯大于其他輪對，因此主要對導(dǎo)向輪對開展分析。LM踏面分別與60軌、75軌匹配，取曲線半徑R=400、600、800、1 000、1 200 m，快捷貨車運行速度均取80 km/h，超高統(tǒng)一設(shè)置為均衡超高。磨耗指數(shù)取圓曲線段磨耗指數(shù)的有效值（均方根）。

3.1 LM踏面與60軌匹配

LM踏面與60軌匹配時，第一對輪對的車輪磨耗指數(shù)隨曲線半徑的變化曲線見圖4?？芍涸谛“霃角€工況下，以外軌側(cè)車輪磨耗為主；隨著曲線半徑的增加，輪對內(nèi)外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)均呈明顯下降趨勢，且內(nèi)外側(cè)車輪逐漸趨于均勻磨耗。R=400 m時外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)為249.59 N，R=600、800 m時分別為161.23、113.15 N，分別降低了35%和55%，內(nèi)外軌磨耗指數(shù)的差值分別降低了31%和51%；之后隨曲線半徑的逐漸增大，磨耗指數(shù)變化幅度趨于平緩，內(nèi)外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)差值變化趨于平穩(wěn)。

圖4 60軌工況下車輪磨耗指數(shù)隨曲線半徑的變化曲線

60軌工況下導(dǎo)向輪對內(nèi)外側(cè)車輪損傷隨曲線半徑的變化曲線見圖5。

圖5 60軌工況下導(dǎo)向輪對車輪損傷隨曲線半徑的變化曲線

由圖5可知：①外軌側(cè)車輪損傷主要形式為磨耗損傷，發(fā)生在名義滾動圓內(nèi)側(cè)-23～-37 mm處；車輪磨耗損傷隨曲線半徑的增大而急劇減小，與磨耗指數(shù)的變化規(guī)律一致；曲線半徑由400 m增至800 m時外軌側(cè)車輪損傷值明顯下降，從800 m增至1 200 m時損傷值逐漸趨于穩(wěn)定。②內(nèi)軌側(cè)車輪損傷主要形式為疲勞損傷，發(fā)生在車輪名義滾動圓-6～29 mm處；R=600 m時車輪疲勞損傷最大，之后隨著曲線半徑的增大，車輪損傷值逐漸降低。這是因為曲線半徑的增大過程中磨耗指數(shù)呈明顯的降低趨勢，而損傷函數(shù)存在損傷起始值。R=600 m時內(nèi)軌側(cè)車輪的磨耗指數(shù)為101.06 N，表明其磨耗指數(shù)位于磨耗損傷起始值附近，而R=400 m時其磨耗指數(shù)遠超過磨耗損傷起始值，說明磨耗損傷能夠有效抑制疲勞損傷的發(fā)展（參見圖4）。曲線半徑大于600 m后磨耗指數(shù)逐漸降低，內(nèi)軌側(cè)車輪的疲勞損傷情況有所改善，即曲線半徑越接近600 m，內(nèi)軌側(cè)車輪的疲勞損傷越大。

3.2 LM踏面與75軌匹配

LM踏面與75軌匹配時，第一對輪對的車輪磨耗指數(shù)隨曲線半徑的變化曲線見圖6。可知：輪對內(nèi)外側(cè)車輪磨耗指數(shù)差值較大；隨著曲線半徑的逐漸增大，外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)急劇降低；R=1 000、1 200 m時輪對內(nèi)外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)降低趨勢趨于平緩，內(nèi)外軌側(cè)磨耗指數(shù)差值分別為45.08、32.78 N，輪對內(nèi)外側(cè)車輪趨于均勻磨耗。

圖6 75軌工況下車輪磨耗指數(shù)隨曲線半徑的變化曲線

75軌工況下導(dǎo)向輪對內(nèi)外側(cè)車輪損傷隨曲線半徑的變化曲線見圖7。

圖7 導(dǎo)向輪對車輪損傷隨75軌曲線半徑的變化曲線

由圖7可知：①外軌側(cè)車輪在-38 mm處出現(xiàn)明顯磨耗損傷，損傷值比相應(yīng)的60軌增大數(shù)倍；R=400 m時損傷最大值達到703.49×10-6；隨著曲線半徑增大，外軌側(cè)車輪損傷值急劇降低，R=600 m時降至171.01×10-6，降低76%；曲線半徑超過800 m后外軌側(cè)損傷值趨于穩(wěn)定，與磨耗指數(shù)變化規(guī)律一致。②內(nèi)軌側(cè)車輪損傷值變化規(guī)律與60軌工況計算結(jié)果基本一致。R=600 m時磨耗指數(shù)處于磨耗損傷起始值附近，導(dǎo)致R=600 m的損傷值最大；曲線半徑增至1 000 m后磨耗指數(shù)趨于穩(wěn)定，與文獻［13］指出的兩種鋼軌匹配的內(nèi)軌磨耗程度接近這一結(jié)論吻合。

LM踏面與75軌匹配時在輪緣與軌頭側(cè)會產(chǎn)生接觸點，且接觸區(qū)域較窄，磨耗范圍集中［13］。75軌工況下，第一對輪對外軌側(cè)車輪接觸點在曲線段的分布情況見圖8?？芍和廛墏?cè)車輪輪緣接觸點在車輪名義滾動圓-38 mm處；R=400 m時，輪對外軌側(cè)車輪在圓曲線段內(nèi)基本全程保持輪緣接觸，這是導(dǎo)致外軌側(cè)車輪損傷出現(xiàn)較大損傷值的直接原因；隨著曲線半徑的增大，外軌側(cè)車輪輪緣接觸的持續(xù)時間與接觸頻率逐漸降低，曲線半徑由800 m增至1 000 m時外軌側(cè)車輪輪緣接觸頻率明顯下降；R=1 200 m時，外軌側(cè)接觸點基本不再出現(xiàn)輪緣接觸現(xiàn)象。由此可見，外軌側(cè)車輪產(chǎn)生輪緣接觸是導(dǎo)致磨耗指數(shù)與損傷值大幅增大的根本原因。為減緩車輪損傷與磨耗，快捷貨車運行中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)輪緣接觸現(xiàn)象。

圖8 75軌工況下外軌側(cè)車輪接觸點在曲線段分布

4 結(jié)論與建議

1）在小半徑曲線工況下，車輛通過60軌與75軌線路時均以外軌側(cè)車輪磨耗為主；隨著曲線半徑的增加，輪對內(nèi)外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)均明顯下降，且內(nèi)外側(cè)車輪逐漸趨于均勻磨耗。

2）對于不同半徑曲線，車輛通過60軌與75軌線路時外軌側(cè)車輪均以磨耗損傷為主，內(nèi)軌側(cè)車輪均以疲勞損傷為主。

3）60軌與75軌的內(nèi)軌側(cè)疲勞損傷規(guī)律相近。曲線半徑為600 m時，60軌與75軌內(nèi)軌側(cè)磨耗指數(shù)均處于磨耗損傷起始值附近。

4）對于60軌，曲線半徑超過800 m后外軌側(cè)輪軌磨耗趨于穩(wěn)定；對于75軌，半徑曲線為800 m時外軌側(cè)仍存在頻繁的輪緣接觸，外軌側(cè)磨耗指數(shù)顯著大于60軌，曲線半徑達到1 000 m時輪緣接觸情況有所改善，疲勞損傷趨于緩和。在開行快捷貨車時應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)輪緣接觸現(xiàn)象。

綜合考慮磨耗指數(shù)與車輪滾動接觸疲勞情況，快捷貨車在60軌線路上開行時線路最小曲線半徑不宜低于800 m；在75軌線路上開行時線路最小曲線半徑建議取1 200 m，困難情況下不宜低于1 000 m。