轮轨磨耗对地铁车辆非线性临界速度的影响研究

轮轨磨耗对地铁车辆非线性临界速度的影响研究

为分析车轮和钢轨磨耗对地铁车辆非线性临界速度的影响，在北京地铁 6 号线选取典型车辆和区段分别开展了车轮踏面外形和钢轨廓形测试，并在Simpack 软件中建立地铁B 型车拖车动力学仿真模型。研究结果表明：车轮磨耗存在偏磨现象，且轮缘磨耗严重；等效锥度与车轮磨耗正相关，随着车轮磨耗的增大而增大，与钢轨磨耗负相关，随着钢轨磨耗的增大而减小；等效锥度小于0.07 时，车辆非线性临界速度随着等效锥度的增大而增大；等效锥度大于0.5 时，车辆非线性临界速度随着等效锥度的增大而减小；等效锥度在0.08～0.12 时，车辆的非线性临界速度最高，其稳定性裕度最大。

标签：地铁车辆；车轮磨耗；钢轨磨耗；临界速度；等效锥度

0 引言

截至2017年末，北京市轨道交通网规模达685.1 km，大幅领先全国。城市轨道交通的快速发展给城市居民的出行带来了极大便利，同时随着城市人口的增长，轨道交通的压力也越来越大。由于城市轨道交通具有载客量大、线路复杂、小半径曲线多、频繁加速减速等特点，使得地铁车轮磨耗和线路的钢轨磨耗不断加剧。剧烈的轮轨磨耗将会影响车辆运行安全，增加车辆脱轨的风险。为保证运营安全，需定期对车轮进行镟修，对钢轨进行打磨[1]。

国内外的诸多研究人员对地铁车轮磨耗及小半径曲线钢轨磨耗问题进行了研究。文献[2]研究了上海地铁 3 号线车轮踏面出现的沟槽、剥离、闸瓦粘着等异常磨耗现象，使得车轮寿命降低2～3 年，认为空气制动介入点速度过高、轮缘“虚假”增厚等是造成车轮异常磨耗的主要原因，并提出了降低电制动消失点速度等措施用以缓解车轮异常磨耗。文献[3-4]分别针对南京地铁和哈尔滨地铁 1 号线车轮踏面的沟状磨耗问题进行研究，认为制动方式的不合理是造成踏面沟状磨耗的主要因素。文献[5]通过建立车轮磨耗的数值预测仿真模型，分析地铁车轮踏面异常磨耗的影响因素，认为车轮踏面的异常磨耗主要由闸瓦制动引起。文献[6]研究了摩擦控制技术在北京地铁8 号线小半径曲线的应用情况，轨面摩擦控制能够在不影响列车制动与牵引的前提下，有效地将轨面摩擦系数控制在0.35 左右，外轨侧磨速率可降低50%。文献[7]研究了动车所小半径曲线钢轨磨耗问题，通过实测钢轨磨耗变化，结合车辆动力学仿真计算，分析了曲线半径、轨距加宽和轮轨摩擦系数对钢轨侧磨的影响。文献[8]在日本新干线选择了半径400 m 和半径900 m 的2 条曲线开展了为期2 年的钢轨磨耗现场试验，分析钢轨侧磨后轮轨横向力、冲角及钢轨变形的变化。

本文针对北京地铁 6 号线开展车轮踏面和钢轨外形测试，对比分析车轮和钢轨磨耗情况，分析不同轮轨匹配时的等效锥度。在多体动力学软件Simpack 中建立地铁B 型车动力学仿真模型，分析车轮和钢轨磨耗对车辆非线性临界速度的影响，获取等效锥度与非线性临界速度之间的关系。

1 轮轨磨耗测试

北京地铁 6 号线西起海淀五路居，东至潞城，是横贯北京市区的一条东西向地铁线路。线路运营总里程为42.8 km，车站26 座。车辆采用8 节编组方式的B 型车，供电方式为DC1500 V 接触网供电，最高运行速度100 km/h。钢轨材质为U71Mn，钢轨廓形为60 kg/m ，车轮踏面为LM 标准踏面，如图 1 所示。

由图 1 可知，60 kg/m 钢轨轨顶中部主要由半径为300 mm、80 mm 和13 mm 的3 段圆弧组成。LM 车轮外形的踏面部分由一段半径为100 mm、一段半径为500 mm、一段半径为220 mm 的反圆弧（圆心处于车轮内侧）和一段斜度为1 ：8 的直线段相切而成；轮缘部分则由 3 段半径分别为18 mm、12 mm 和24 mm 的圆弧相切组成；踏面和轮缘之间通过一段半径为14 mm 的圆弧过渡连接。标准轮缘厚度32 mm，轮缘高度27 mm，轮缘角70°。

1.1 车轮磨耗分析

分别选取不同运行里程的001 车、005 车和015 车的典型车轮进行测试，分析车轮磨耗变化。3 列车典型车轮磨耗见表1，车轮踏面外形比较如图 2 所示。

由表 1 可知，3 列车的车轮磨耗程度均不一致，001 车的车轮磨耗最大，其次是005 车，磨耗最小的是015 车。

由图 2 可知，001 车左右轮踏面磨耗存在0.43 mm 差异，轮缘磨耗相差1.12 mm。005 车左右轮踏面磨耗存在0.4 mm 差异，轮缘磨耗相差较小，仅为0.16 mm。015车左右轮踏面磨耗相差较小，仅为0.17 mm，轮缘磨耗相差达到2.38 mm。可见，车轮轮缘磨耗剧烈，并且左右车轮轮缘磨耗相差较大，将使得车轮镟修量增大，缩短车轮使用寿命。由于線路的小半径曲线较多，且曲线方向存在差异，因此建议定期换端运行，以改善左右轮偏磨现象。

1.2 钢轨磨耗分析

分别在不同的 3 个区段选取典型位置的钢轨断面进行钢轨廓形测试。3 个区段的典型断面钢轨廓形比较如图 3 所示。

由图 3 可知，3 个区段的钢轨磨耗程度各异：金台路—十里堡区段典型钢轨垂直磨耗量约为 1.6 mm，朝阳门—东大桥区段典型钢轨垂直磨耗量约为 3.3 mm，青年路—褡裢坡区段典型钢轨垂直磨耗量约为5.3 mm。

2 车辆动力学模型建立

建立地铁 B 型车拖车动力学模型，模型中采用两系悬挂，考虑轮轨接触几何关系的非线性、横向止挡的非线性及部分减振器的非线性特性，根据Kalker

非线性蠕滑理论计算轮轨蠕滑力。

拖车动力学仿真模型由 1 个车体、2 个构架、4 个轮对和8 个轴箱组成，共50 个自由度。车辆动力学仿真模型见图4，首先将建立的转向架模型作为子系统，然后通过子系统建模技术组装建立整车动力学仿真模型。3 车辆临界速度计算分析

等效锥度是直接反映轮轨横向运行质量的参数，国际上一般将轮对横移量 3 mm 时的等效锥度定义为名义等效锥度。本文应用UIC 519 定义的方法计算不同轮轨型面匹配的等效锥度。应用车辆动力学仿真模型计算车辆的非线性临界速度[9]，分析车轮磨耗和钢轨磨耗对车辆非线性临界速度的影响，并分析实测车轮和实测钢轨匹配的车辆非线性临界速度变化。

3.1 车轮磨耗对临界速度的影响

标准LM 车轮踏面及 3 种不同磨耗程度实测车轮踏面分别与标准60 kg/m 钢轨（TB60）廓形匹配时的等效锥度和车辆非线性临界速度值见表2，等效锥度与临界速度的对应关系如图 5 所示。为了分析方便，分别将001车、005 车和015 车实测车轮踏面外形表示为W1、W2 和W3。

由表 2 和图 5 可知，随着车轮磨耗的加剧，等效锥度逐渐增大，W1 的磨耗量最大，其等效锥度也最大，其值等于0.34；W3 的磨耗量最小，其等效锥度也最小，但是等效锥度都大于标准没有发生磨耗的LM 踏面的等效锥度。可见，等效锥度与车轮磨耗正相关。另外，随着等效锥度的增大，车辆非线性临界速度逐渐减小。LM 踏面对应的非线性临界速度等于293 km/h，W3 的磨耗最小，等效锥度稍大于LM 等效锥度，其临界速度与LM 踏面相当。W1 的非线性临界速度降低到252 km/h，临界速度降低了约15%。

3.2 钢轨磨耗对临界速度的影响

标准60 kg/m 钢轨廓形及 3 种不同磨耗程度实测钢轨断面廓形分别与标准LM 车轮踏面匹配时的等效锥度和车辆非线性临界速度值见表3，等效锥度与临界速度的对应关系如图 6 所示。分别将“金台路—十里堡”、“朝阳门—东大桥”和“青年路—褡裢坡”3 个典型区段的实测钢轨廓形表示为R1、R2 和R3。

由表 3 和图 6 可知，随着钢轨磨耗的加剧，等效锥度逐渐减小，R3 的磨耗量最大，其等效锥度也最小，其值等于0.07；R1 的磨耗量最小，其等效锥度相对最大，等于0.094，与标准60 kg/m 钢轨的等效锥度相当。可见，等效锥度与钢轨磨耗负相关，钢轨轨距角磨耗越大，相当于轮轨游间增大，从而使得轮轨匹配的等效锥度减小。另外，随着等效锥度的减小，车辆非线性临界速度逐渐增大。R3 对应的车辆非线性临界速度达到356 km/h，大于标准60 kg/m 的293 km/h，临界速度提高了约22%。

3.3 实测轮轨廓形匹配的临界速度变化