高速列车轮轨滚动接触

【摘 要 】随着我国铁路客运不断地发展,列车运行速度越来越高,其安全性变得愈发的重要.高速列车车轮踏面磨耗之后,各动力学性能也会不同程度地下降,进而影响列车的安全运行.为了提高列车运行的安全性和舒适性,研究高速列车轮轨接触磨损是十分必要的.本文分析和总结了高速列车轮轨接触磨损的研究现状,利用SIMPACK软件在特定的轮轨接触下的高速列车的临界速度,计算结果表明,现有轮轨参数满足设计要求.

【关 键 词 】高速列车；轮轨关系；磨损；滚动接触

我国高铁的发展带动了沿线城市及周边地区的经济与贸易交往,给国民经济持续快速发展注入了活力.同时,列车运行速度越来越高,其安全性变得愈发的重要.高速列车轮对在高速运行过程中承受负荷的大幅波动,非常容易造成踏面损伤.高速列车车轮踏面磨耗之后,各动力学性能也会不同程度地下降,进而影响列车的安全运行.为了提高列车运行的安全性和舒适性,减小的轮轨磨耗是十分必要的.

高效快速的高铁,由于车辆运行速度提高至 200 至350km/h,轮轨间的动力学问题突显.除运行安全性的脱轨和横向运动稳定性的蛇行之外,与运行耐久性有关的轮轨磨耗即是一个突出的、且涉及振动冲击和材料性能的实际问题.高铁运行过程中,车轮踏面容易发生异常剥离,一旦车轮踏面发生剥离,轮轨之间的相互关系将开始恶化,直接的作用结果就是车轮失圆和轨顶波磨.

轮轨滚动接触疲劳是目前国内外理论界比较关注的问题.近期的研究表明,车轮踏面非正常磨耗和剥离与轮轨滚动接触的早期损伤机制有关[1].基于常规的疲劳强度理论,设计的车轮踏面的疲劳寿命通常保证运行30-40 万km 以上,而实际上踏面局部出现凹形磨耗多在5～8 万km.当车轮几何形状发生改变,轮轨之间产生一定的振动激扰,影响高速列车的纵向、垂向和横向动态响应.这种宽带高频激扰的频率随着车速或轮速的变化而改变,在一定条件下可与转向架行走系统非线性耦合,激发出参数或自激共振,使车辆行走系统的振动环境恶化[2].

高速列车运行过程中的起停、加速和减速等,轮轨间的相互作用力发挥着关键作用.为克服不断增大的空气阻力与滚动阻力,高速列车必须向列车施加强大的牵引动力,以保持高速运行状态.在高速工况下,牵引力的大部分通过轮轨间的附着力实现功率平衡.这些作用力（即轮轨纵向和横向蠕滑力以及自旋蠕滑力矩）的精确表述已有深入的研究,例如Carter 给出的蠕滑力定律[3]、Kalker 的蠕滑力线性理论[4]、沈志云等提出的非线性理论、Polach 进一步提出了计算静动摩擦条件可变的蠕滑力近似公式[5].这些经典理论研究成果已在国内外高铁工程实践中得到了广泛应用.

本文基于系统动力学建模与仿真采用多体动力学分析软件SIMPACK来进行数值仿真.考虑到高速列车转向架的构造特点以及几何体质量、大小等因素,将车体、转向架和轮对视为刚体,将连杆装置、减振弹簧、一系橡胶垫用弹簧单元来模拟.并在SIMPACK中,充分考虑各种非线性特性.其中轮轨接触等建模详述如下.

高速列车采用的是LMA磨耗型踏面轮对.参照TB/T449-2003《机车车辆车轮用轮缘踏面外形》的要求,在SIMPACK中生成轮对的踏面文件,轨道踏面根据TB/T2341.3-1993《60kg/m钢轨形式尺寸》的要求设置,而轮轨接触采用单点接触,轮轨力的计算采用接触理论.轮轨的接触关系如图1所示.

车辆在运行过程中,由于受到轨道不平度的随机激励,引起车辆产生振动.非平稳的轮轨作用力是导致车辆及其转向架产生各种动态响应的主要原因,对行车稳定性、舒适性、车辆部件疲劳寿命以及环境噪声等都有重要影响.

对于随机过程的轨道不平度,需要用数理统计的方法来加以描述,功率谱密度函数（PSD）则是其中最重要和最常用的统计函数,可以用来表达沿线轨道的不平度.轨道不平度的功率谱密度为单位频宽内的不平度的均方根,以谱密度为纵坐标,以频率或波长为横坐标,可以反映不平度大小是频率的连续变化曲线.

利用车辆系统动力学的模型,可以进行车辆稳定与失稳状态的动态仿真,并预测其临界速度.在5000 m的直轨道上加一段150 m长的随机激励,然后计算轮对在不同速度下的横向位移响应,通过在轨道上施加随机激励,观察轮对的横向位移的变化是否发散,从而来确定车辆模型的临界速度.通过仿真计算可以得到,当前的车辆模型轮对横向位移动态响应如图2所示.可以从2看出,车辆的临界速度分别为437 km/h.

本文首先基于参考文献,分析和总结了高速列车轮轨接触的研究现状,然后利用SIMPACK软件在特定的轮轨接触下的高速列车的临界速度,计算结果表明,现有轮轨参数下,高速列车的最高速度达到437km/h,说明轮轨参数满足高速设计要求.