基于LMA型面磨耗车轮与60N钢轨匹配的高铁车辆动力学性能分析
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第 ３ ９卷 ，第 １期 ２ ０ １ ８年 １月
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ ＩＮＡ ＲＡ ＩＬＷ ＡＹ ＳＣＩＥＮＣＥ
ＶＯ１．３９ Ｎｏ．１
Ｊａｎｕａｒｙ， ２０１８
文 章 编 号 ： １００１—４６３２ 【２０１８） ０１—００９３—０７
基 于 ＬＭＡ型 面 磨 耗 车轮 与 ６０Ｎ钢 轨 匹配 的 高铁 车辆 动 力 学 性 能分 析
２００，６０，１６和 ８ ｍｍ 。
Ｃ，ｒ－４９ｋＮ ｍ ：Ｋ，￣ ５０Ｎ·ｍ‘ｌ ｃ￣－９４ ｌ ·ｓ－Ｉｎ＂ ；墨产５０ Ｎ．ｍ‘
图 ４ 轨 道 柔 性 基 础
第 ３９卷
董
蘧
型
横 向坐标／ｍｍ
图 １ 实测车轮型面
藿
车辆模 型 中包 括有 车体 、转 向架 、轮对 等 刚体 以及 连接 各部 分刚 体所 需 的 悬挂 单 元 等 ，ＣＲＨ：型 高速列车的车辆参数见文献 ［１ｏ］，车辆通过速度 为 ２５０ ｋｍ ·ｈ一 。轨道 模 型 中 ２种钢 轨 的轨 头廓形 分别采 用 ６Ｏ和 ６０Ｎ廓 形 。轮 轨 接触 计 算 中 ，采 用 赫兹接触理论计算轮轨法 向力 ，采用 ＦＡＳＴＳＩＭ 算 法 解决 切 向 问题 。 １．３ 车辆 动 力评价 方法
马 晓 川１，２，王 平 ，ｕ，徐 井 芒 ，王 健 ，胡辰 阳
（１．华东 交通 大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究 中心 ，江西 南 昌 ３３００１３； ２．西南交通大学 高速铁路线路 工程 教育部重点实验室 ，四川 成都 ６１００３１； ３．西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 ６１００３１）
收稿 日期 ：２０１７—０３—２０；修订 日期 ：２０１７—０８—０４ 基金项 目：国家 自然科学 基金资 助项 目 （５１４２５８０４，５１６０８４５９，Ｕ１２３４２０１，Ｕ１７３４２０７）；中国铁路总公 司科技研 究开发 计划重 点项 目
（２０１５Ｇ００６一Ｃ，２０１６Ｇ００８一Ｄ）；西南交通大学优秀博 士学位论文培育项 目 （西交校研 ［２ｏ１５］８５号） 第一作者 ：马晓川 （１９９Ｏ一 ），男，山东潍坊人 ，博士研究生 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｘｃ ｒｗ￣ １６３．ｃｏｍ
１ 计 算 模 型
速 列 车 的 车 轮 型 面进 行 追 踪
测 试 Ｊ，得 到 ＬＭＡ型 面车 轮运 行 ５万 ，１０万 ，１５ 万 ，２０万 和 ２５万 ｋｍ 后 的 型 面如 图 １中所 示 。 由 图 １可 见 ：随着 运行 里程 的增加 ，车轮 型面 的磨 耗 程 度逐 渐增 大 ，主要表 现 为车轮踏 面 的凹磨 ，最大 磨耗深 度约 为 ３．６ ｍｍ，轮缘 位置 的磨耗深 度较
—
通讯作者 ：徐井芒 （１９８７一 ），男 ，河北邢 台人 ，讲师 ，博士 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｎｇ０８０８８７＠１６３．ｔｏｍ
９４
中 国 铁 道 科 学
小 ，说 明轮缘 处仅 有轻微 磨 耗 。 高速铁路 ６ｏ钢轨与 ６０Ｎ钢轨的廓形对 比如图
２所示 。由图 ２可见 ：６Ｏ钢轨的轨头廓形 由 ３段圆 弧组成 ，半径分别为 ３００，８０和 １３ ｍｍ，６０Ｎ钢 轨 的 轨 头 廓 形 则 由 ４段 圆 弧 组 成 ，半 径 分 别 为
文献 Ｅ７］针对 ６０Ｎ钢轨与 ４种典型车轮型面 的匹配，研究各种车轮型面与 ６０Ｎ钢轨 匹配时对
车 辆直 向运行 稳定 性和 曲线通 过性 能 的影 响 。但 是 上述 研究 均是 基于 车轮磨 耗前 的车 轮型 面 （简称 标 准型面）进 行 的 轮 轨 匹 配研 究 。因此 ，本 文 以 ＬＭ 车轮型 面的磨耗 车轮 与 ６０Ｎ 钢轨 的匹配 为 例 ，分别 从车辆 通 过直线 和 曲线 两方 面研究 不 同磨 耗程 度 的车 轮 与 ６０Ｎ 钢 轨 匹 配 时车 辆 的 动 力 学 性 能 ，并与 ６０钢 轨对 比和分 析 。
关键词 ：高速铁路 ；轮轨关系 ；磨耗车轮 ；钢轨廓形 ；动力 分析 ；车辆动力学性能
中图分类号 ：Ｕ２１１．５；Ｕ２６０．１１１ 文献标识 码 ：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４６３２．２０１８．０１．１３
伴 随我 国高速铁 路建设 及 运营 里程 的增加 ，不 同类 型车轮 和钢 轨 的使 用不 可避 免地 导致 轮轨 匹 配 的一 系列 问题 ，轮轨 型面 的 匹配关 系是影 响车 辆 动 力 学性 能 、轮轨 动力 相互作 用 、轮轨 磨耗 及滚 动接 触 疲劳 等伤 损 的重 要 因素 ，是 高速铁 路技 术研 究 的 重 要 内容 Ｌ１≈］。文 献 ［４］研 究 了 ＬＭＡ，Ｓ１００２ＣＮ， ＸＰ５５和 ＬＭ 等 ４种型面车轮与 ６ｏ钢轨的轮轨接触 特征 ，为实际线路车轮磨耗跟踪试验和磨耗行为研 究提供了参考。文献 ｒｓ］比较 了不同类 型车轮 型 面对 高速 列 车动力 学性 能 的影 响 ，发 现须从 车 轮 与 钢轨接触关系的变化出发 ，综合评估车辆动力学性 能 ，并确定合适 的车轮型面。文献 ［６３在对 比分 析 ４种典型车轮型面与钢轨的匹配特性基础上 ，提 出了最佳 轮轨 匹配 的五 原则 ，可在 一定 程度 上指 导 轮轨 廓形 的优化 设计 。
摘 要 ：建立车辆一 轨道耦合动力学模型 ，计算和分析 ＬＭ．型 面的车轮在不 同磨耗程度下与 ６０Ｎ钢轨匹配 时高铁车辆直线运行中车轮的等效锥度和轮轨动态 接触 点位置及 平稳性 指标 ，以及 曲线通 过时的脱轨 系数 、轮 重减载率 、轮轨横向力 、轮对横移量和磨耗功均方根值及车轮表 面滚动接触疲 劳系数均 方根值 ，并与 ６Ｏ钢 轨对 比。结 果表明 ：ＬＭａ型面的磨耗 车轮与 ６０Ｎ钢轨匹配时 ，在车辆运行里程达到 ２５万 ｋｍ后 ，直线运行条件 下轮 轨 动态接触 点的横向分布宽度仅为 ８．２ ｍｍ，仅约为 ６Ｏ钢轨的一半 ，车辆运行的稳定性优 于采用 ６ｏ钢 轨时 ；车 辆曲线通过时的轮轨横 向力 、车轮抗磨耗和疲 劳性能 也均优 于采用 ６ｏ钢 轨时 ；总之 ，相 比 ６Ｏ钢轨 ，不 同磨 耗 程度的车轮与 ６０Ｎ钢轨匹配均能保持较好 的车辆动力学性能 。
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ ＩＮＡ ＲＡ ＩＬＷ ＡＹ ＳＣＩＥＮＣＥ
ＶＯ１．３９ Ｎｏ．１
Ｊａｎｕａｒｙ， ２０１８
文 章 编 号 ： １００１—４６３２ 【２０１８） ０１—００９３—０７
基 于 ＬＭＡ型 面 磨 耗 车轮 与 ６０Ｎ钢 轨 匹配 的 高铁 车辆 动 力 学 性 能分 析
２００，６０，１６和 ８ ｍｍ 。
Ｃ，ｒ－４９ｋＮ ｍ ：Ｋ，￣ ５０Ｎ·ｍ‘ｌ ｃ￣－９４ ｌ ·ｓ－Ｉｎ＂ ；墨产５０ Ｎ．ｍ‘
图 ４ 轨 道 柔 性 基 础
第 ３９卷
董
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型
横 向坐标／ｍｍ
图 １ 实测车轮型面
藿
车辆模 型 中包 括有 车体 、转 向架 、轮对 等 刚体 以及 连接 各部 分刚 体所 需 的 悬挂 单 元 等 ，ＣＲＨ：型 高速列车的车辆参数见文献 ［１ｏ］，车辆通过速度 为 ２５０ ｋｍ ·ｈ一 。轨道 模 型 中 ２种钢 轨 的轨 头廓形 分别采 用 ６Ｏ和 ６０Ｎ廓 形 。轮 轨 接触 计 算 中 ，采 用 赫兹接触理论计算轮轨法 向力 ，采用 ＦＡＳＴＳＩＭ 算 法 解决 切 向 问题 。 １．３ 车辆 动 力评价 方法
马 晓 川１，２，王 平 ，ｕ，徐 井 芒 ，王 健 ，胡辰 阳
（１．华东 交通 大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究 中心 ，江西 南 昌 ３３００１３； ２．西南交通大学 高速铁路线路 工程 教育部重点实验室 ，四川 成都 ６１００３１； ３．西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 ６１００３１）
收稿 日期 ：２０１７—０３—２０；修订 日期 ：２０１７—０８—０４ 基金项 目：国家 自然科学 基金资 助项 目 （５１４２５８０４，５１６０８４５９，Ｕ１２３４２０１，Ｕ１７３４２０７）；中国铁路总公 司科技研 究开发 计划重 点项 目
（２０１５Ｇ００６一Ｃ，２０１６Ｇ００８一Ｄ）；西南交通大学优秀博 士学位论文培育项 目 （西交校研 ［２ｏ１５］８５号） 第一作者 ：马晓川 （１９９Ｏ一 ），男，山东潍坊人 ，博士研究生 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｘｃ ｒｗ￣ １６３．ｃｏｍ
１ 计 算 模 型
速 列 车 的 车 轮 型 面进 行 追 踪
测 试 Ｊ，得 到 ＬＭＡ型 面车 轮运 行 ５万 ，１０万 ，１５ 万 ，２０万 和 ２５万 ｋｍ 后 的 型 面如 图 １中所 示 。 由 图 １可 见 ：随着 运行 里程 的增加 ，车轮 型面 的磨 耗 程 度逐 渐增 大 ，主要表 现 为车轮踏 面 的凹磨 ，最大 磨耗深 度约 为 ３．６ ｍｍ，轮缘 位置 的磨耗深 度较
—
通讯作者 ：徐井芒 （１９８７一 ），男 ，河北邢 台人 ，讲师 ，博士 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｎｇ０８０８８７＠１６３．ｔｏｍ
９４
中 国 铁 道 科 学
小 ，说 明轮缘 处仅 有轻微 磨 耗 。 高速铁路 ６ｏ钢轨与 ６０Ｎ钢轨的廓形对 比如图
２所示 。由图 ２可见 ：６Ｏ钢轨的轨头廓形 由 ３段圆 弧组成 ，半径分别为 ３００，８０和 １３ ｍｍ，６０Ｎ钢 轨 的 轨 头 廓 形 则 由 ４段 圆 弧 组 成 ，半 径 分 别 为
文献 Ｅ７］针对 ６０Ｎ钢轨与 ４种典型车轮型面 的匹配，研究各种车轮型面与 ６０Ｎ钢轨 匹配时对
车 辆直 向运行 稳定 性和 曲线通 过性 能 的影 响 。但 是 上述 研究 均是 基于 车轮磨 耗前 的车 轮型 面 （简称 标 准型面）进 行 的 轮 轨 匹 配研 究 。因此 ，本 文 以 ＬＭ 车轮型 面的磨耗 车轮 与 ６０Ｎ 钢轨 的匹配 为 例 ，分别 从车辆 通 过直线 和 曲线 两方 面研究 不 同磨 耗程 度 的车 轮 与 ６０Ｎ 钢 轨 匹 配 时车 辆 的 动 力 学 性 能 ，并与 ６０钢 轨对 比和分 析 。
关键词 ：高速铁路 ；轮轨关系 ；磨耗车轮 ；钢轨廓形 ；动力 分析 ；车辆动力学性能
中图分类号 ：Ｕ２１１．５；Ｕ２６０．１１１ 文献标识 码 ：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４６３２．２０１８．０１．１３
伴 随我 国高速铁 路建设 及 运营 里程 的增加 ，不 同类 型车轮 和钢 轨 的使 用不 可避 免地 导致 轮轨 匹 配 的一 系列 问题 ，轮轨 型面 的 匹配关 系是影 响车 辆 动 力 学性 能 、轮轨 动力 相互作 用 、轮轨 磨耗 及滚 动接 触 疲劳 等伤 损 的重 要 因素 ，是 高速铁 路技 术研 究 的 重 要 内容 Ｌ１≈］。文 献 ［４］研 究 了 ＬＭＡ，Ｓ１００２ＣＮ， ＸＰ５５和 ＬＭ 等 ４种型面车轮与 ６ｏ钢轨的轮轨接触 特征 ，为实际线路车轮磨耗跟踪试验和磨耗行为研 究提供了参考。文献 ｒｓ］比较 了不同类 型车轮 型 面对 高速 列 车动力 学性 能 的影 响 ，发 现须从 车 轮 与 钢轨接触关系的变化出发 ，综合评估车辆动力学性 能 ，并确定合适 的车轮型面。文献 ［６３在对 比分 析 ４种典型车轮型面与钢轨的匹配特性基础上 ，提 出了最佳 轮轨 匹配 的五 原则 ，可在 一定 程度 上指 导 轮轨 廓形 的优化 设计 。
摘 要 ：建立车辆一 轨道耦合动力学模型 ，计算和分析 ＬＭ．型 面的车轮在不 同磨耗程度下与 ６０Ｎ钢轨匹配 时高铁车辆直线运行中车轮的等效锥度和轮轨动态 接触 点位置及 平稳性 指标 ，以及 曲线通 过时的脱轨 系数 、轮 重减载率 、轮轨横向力 、轮对横移量和磨耗功均方根值及车轮表 面滚动接触疲 劳系数均 方根值 ，并与 ６Ｏ钢 轨对 比。结 果表明 ：ＬＭａ型面的磨耗 车轮与 ６０Ｎ钢轨匹配时 ，在车辆运行里程达到 ２５万 ｋｍ后 ，直线运行条件 下轮 轨 动态接触 点的横向分布宽度仅为 ８．２ ｍｍ，仅约为 ６Ｏ钢轨的一半 ，车辆运行的稳定性优 于采用 ６ｏ钢 轨时 ；车 辆曲线通过时的轮轨横 向力 、车轮抗磨耗和疲 劳性能 也均优 于采用 ６ｏ钢 轨时 ；总之 ，相 比 ６Ｏ钢轨 ，不 同磨 耗 程度的车轮与 ６０Ｎ钢轨匹配均能保持较好 的车辆动力学性能 。