曲线几何参数对车辆轮轨磨耗的影响

第２期（总第１７７期）

２０１３年４月机械工程与自动化

ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．２

Ａｐ

ｒ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１３）０２－００３３－０

３曲线几何参数对车辆轮轨磨耗的影响

魏家沛，李国芳

（兰州交通大学，甘肃　兰州　７３００７０

）摘要：运用ＳＩＭＰＡＣＫ动力学软件，从曲线段线路设计出发，对曲线轨道上曲线半径、曲线超高及轨底坡对轮轨磨耗的影响进行仿真计算和分析。结果表明：为降低轮轨磨耗及保证行车安全，应尽量减少小半径曲线；在规定范围内调整曲线超高可有效降低轮轨磨耗，但调整的过高或过低反而会增大磨耗；适当调整轨底坡可起到降低轮轨磨耗的作用，但效果不是太明显，且过大的轨底坡会加剧轮轨的磨耗。关键词：轮轨磨耗；曲线通过；几何参数；动力学仿真中图分类号：Ｕ２６０．３３１ 文献标识码：Ａ

收稿日期：２０１２－１１－０５；修回日期：２０１２－１１－２

５作者简介：魏家沛（１９８４－）

，男，甘肃兰州人，在读硕士研究生，研究方向：车辆系统动力学。０　引言

随着中国高速铁路的发展，高速列车的动力学问题日渐突出。尤其是车辆过曲线时，轮轨间的作用力及磨耗也相应增加，对车辆的安全性和经济性造成了一定的影响。影响轮轨磨耗的因素有很多，主要有曲线半径、

曲线超高、轨底坡等。基于此，本文从这几个主要方面对曲线上轮轨的磨耗情况进行了仿真分析。１　研究方法及评价指标

本文利用多刚体动力学软件ＳＩＭＰＡＣＫ对装有ＣＷ－２００ｋ型转向架的２５Ｔ型客车进行相关仿真计算。ＳＩＭＰＡＣＫ中的车辆模型如图１所示。

图１　ＳＩＭＰＡＣＫ中的车辆模型

由于车轮踏面外形是轮轨系统的关键因素之一，

轮轨接触关系对轮轨磨耗有很大影响，而ＳＩＭＰＡＣＫ中轮轨型面为欧洲标准。我国铁路一般使用ＬＭ磨耗型踏面，为了使ＣＷ－２００ｋ型转向架模型仿真符合我国铁路实情，通过文件导入ＬＭ磨耗型车轮踏面参数。

轮轨磨耗机理十分复杂，国内外尚无公认的评定标准。传统轮轨磨耗的评价方法一般采用轮对磨耗功率、

最大轮轨横向力、冲角及蠕滑力４个动力学性能指标来分析。对于曲线上轮轨磨耗的仿真，参照以上标

准来进行分析。另外，在保证列车通过曲线时轮轨磨

耗较低的同时，列车的平稳性和安全性也应达到相关的要求。

２　曲线半径对车辆轮轨磨耗的影响

曲线半径是影响轮轨磨耗的最主要几何参数，研究不同曲线半径下车辆的磨耗具有重要意义。仿真分析时，结合我国线路情况及有关标准规定，曲线设置为：直线段长３０ｍ，缓和曲线长７５ｍ，圆曲线长３００ｍ，超高８０ｍｍ，轨底坡为１／４０。为了能更清楚地比较曲线半径对车辆过曲线磨耗的影响，轨道不加激励。图２～图５为车辆以７０ｋｍ／ｈ的速度通过不同半径曲线时各磨耗指标变化的计算结果。

图２　曲线半径Ｒ对磨耗功率的影响曲线

由仿真结果可知，车辆通过曲线时，随着曲线半径

的增加，磨耗功率、最大轮轨横向力、轮轨冲角及蠕滑力均有一定程度的减少。当曲线半径小于５００ｍ时，磨耗功率和最大轮轨横向力急剧增加；５００ｍ曲线半径时的轮轨磨耗功率是８００ｍ曲线半径时的３．０８倍，５００ｍ曲线半径时的最大轮轨横向力较８００ｍ曲线半径时增加了３．０２倍；当曲线半径大于８００ｍ时，磨耗功率和最大轮轨横向力曲线变化较为平缓。导向轮对

外侧车轮的横向蠕滑力随着曲线半径的增加，其数值在变小。当曲线半径变小时，轮对所需要的导向力主要由横向蠕滑力提供。

图３　曲线半径Ｒ对轮轨横向力的影响曲线

图４　曲线半径Ｒ对横向蠕滑力的影响曲线

图５　曲线半径Ｒ对轮轨冲角的影响曲线

３　曲线超高对轮轨磨耗的影响

由于曲线超高影响轮轨之间的导向力，曲线超高的大小对钢轨侧磨有很大影响。在分析曲线超高对车辆曲线通过性能的影响时，ＳＩＭＰＡＣＫ中线路设置与前相同，曲线半径设为４００ｍ，曲线超高取８０ｍｍ、１００ｍｍ、１２０ｍｍ、１４０ｍｍ。图６～图８为在不同曲线超高下，导向轮组外侧车轮的各项动力学指标的仿真结果。

图６　曲线超高对磨耗功率的影响曲线

分析可知，当曲线超高由８０ｍｍ增至１４０ｍｍ时，车辆轮对磨耗功和冲角都有不同幅度的增加。当曲线超高为８０ｍｍ时，最大轮轨横向力为２．５ｋＮ；超高为１２０ｍｍ时，轮轨横向力达到最小值０．３５ｋＮ，比超高为８０ｍｍ时降低了８６．９％；当曲线超高增大到１４０ｍｍ时，轮轨横向力再增大为１．７ｋＮ，又比１２０ｍｍ时升高了７９．４％。可见，曲线上超高的变化对于冲角及轮对磨耗功的影响较小，对轮轨横向力影响很大。所以可以通过调整轮轨横向力来降低曲线上的轮轨磨耗。一般情况下，小半径曲线上超高通常偏大，故而适当降低超高有利于降低轮轨磨耗，但不能降得太低，过低的超高反而加剧轮轨磨耗。

图７　曲线超高对轮轨横向力的影响曲线

图８　曲线超高对轮轨冲角的影响曲线

４　轨底坡对于轮轨磨耗的影响

轨底坡对曲线轨道轮轨磨耗有一定的影响，尤其是在小半径曲线上。在国标规定的范围内，适当增大曲线轨道钢轨的轨底坡，能够增大车辆两侧轮对滚动圆半径差，从而提高车辆的曲线通过能力。

本文分析１／４０、１／３０、１／２０和１／１０四种轨底坡时的轮轨磨耗情况，结果如图９～图１１所示。

图９　轨底坡对磨耗功率的影响

从图９～图１１可以看出，当轨底坡由１／４０增加到１／１０时，冲角降低了７．９％，轮对磨耗功增加了１７．９％，轮对横向力则增至原来的４．４倍，虽然冲角会有较大降低，但轮对磨耗功率及轮轨横向力会急剧增大，反而加剧了轮轨的磨耗。当轨底坡由１／４０增加到

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１／２０时，轮对磨耗功降低２．６％，轮轨横向力略有增加，轮轨冲角有较小幅度降低。图１０　轨底坡对轮轨横向力的影响

图１１　轨底坡对轮轨冲角的影响

５　结论

小半径曲线上轮轨磨耗较为严重，曲线半径变大

时，轮轨磨耗有明显降低。当曲线半径大于８００ｍ时，

磨耗指标随曲线半径的变化影响较小。小半径曲线上，在一定的范围内适当降低超高可以降低轮轨磨耗。在规定范围内调整曲线超高可有效降低轮轨磨耗，但超高的设置应该适当，过高或过低反而有可能增大轮轨磨耗。

轨底坡对轮轨磨耗有一定的影响，适当调整轨底

坡可使轮对磨耗功率及冲角有一定降低，

进而起到降低轮轨磨耗的作用，但效果不明显。轨底坡增加过大

会使轮轨磨耗功率及轮轨横向力急剧增大，反而加剧轮轨的磨耗。

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Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｃｕｒｖｅ　Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｎ　Ｗｈｅｅｌ－ｒａｉｌ　Ｗｅａｒ　ｏｆ　

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ｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（上接第３２页）

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