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　８Ｌ　ＡＵＴ（）ＭＡＴＩ（）Ｎ　ＮＯ．２　

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文章编号：１６７２—６４１３（２０１３）０２—００３３—０３　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　

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一２００ｋ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ｌ　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３０　ｍ，缓和曲线长７５　ｍ，圆曲线长３００　ｍ，超　高８０　ｍｍ，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７０　ｋｍ／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。　

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ｔ／ｓ　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５００　ｍ时，　磨耗功率和最大轮轨横向力急剧增加；５００　ｒｎ曲线半　径时的轮轨磨耗功率是８００　ｍ曲线半径时的３．０８倍，　５００　ｍ曲线半径时的最大轮轨横向力较８００　ｍ曲线半　径时增加了３．Ｏ２倍；当曲线半径大于８００　ｍ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　

收稿Ｅｌ期；２ｏ１２一ｌ１—０５＃修回日期：２０１２—１１—２５　作者简介：魏家沛（１９８４一），男，甘肃兰州人，在读硕士研究生，研究方向；车辆系统动力学。　・　３４　・　机械工程与自动化　２０１３年第２期　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。　０．Ｏ　Ｏ．５　ｚ一１．０　一１．５　２．０　・厘一２．５　一３．０　—３．５　４．Ｏ　黧　囊囊蘸囊ｉ雾　墓　：　羔　；　譬车　ｊ：：　：：　：：：－－￣＇－－Ｃ　Ｚ　ｎ－ｗｒｙ－　：：　；蔓孚　蔼　舜　辛　ｊ　ｊ　一Ｚ—Ｚ　Ｚ…＿－Ｚ：　：：：Ｆ：；１＝：：Ｆ：　：：；：　ｊ：：ｊ：：；：：　：：　ｔｌｓ　图３　曲线半径Ｒ对轮轨横向力的影响曲线　一　＼　一　一　骧　时　腰　是　ｔｌｓ　图４　曲线半径Ｒ对横向蠕滑力的影响曲线　耄霉兰雾季攀　；　．－Ｚ　Ｉ●●●　，●●　●、？　：：：　：：　１　：　’ Ｉ　，　ｌ　Ｉｌ　Ｉ　Ｉ　、　：：：：：：：胆撇：：辩８∞：：：：：：　０　５　１０　ｌ５　２Ｏ　２５　３Ｕ　ｔｌｓ　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４００　ｍ，曲线超高取８Ｏ　ｍｍ、１００　ｍｍ、　１２０　ｍｍ、１４０　ｍｍ。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。　Ｉ∞　●　且　弓　＼　镁　ｊ：６｝　恤　１．２　１．０　０．８　０．６　Ｏ．４　０．２　０．０　９．８　９．６　７　曲线超高／ｎ　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８０　ｍｍ增至１４０　ｍｍ　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８０　ｍｍ时，最大轮轨横向力为２．５　ｋＮ；超　高为１２０　ｍｍ时，轮轨横向力达到最小值０．３５　ｋＮ，比　超高为８０　ｍｍ时降低了８６．９　；当曲线超高增大到　１４０　ｍｍ时，轮轨横向力再增大为１．７　ｋＮ，又比１２０　ｍｍ时升高了７９．４　９／６。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。　

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曲线超高／ｎ　图７　曲线超高对轮轨横向力的影响曲线　

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曲线超高／ｍ　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、１１２０和１１１０四种轨底坡时　的轮轨磨耗情况，结果如图９～图ｌ１所示。　

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轨底坡　图９轨底坡对磨耗功率的影响　从图９～图１ｌ可以看出，当轨底坡由１／４Ｏ增加　到１／１Ｏ时，冲角降低了７．９　９／６，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　２０１３年第２期　机械工程与自动化　・　３５　・　ｌ／２Ｏ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。　

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轨底坡　图１Ｏ轨底坡对轮轨横向力的影响　轨底坡　图１ｌ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８００　ｍ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。　参考文献：　［１３李亨利．李芾，傅茂海．等．曲线几何参数对货车转向架曲线　通过性能的影响［Ｊ］．中国铁道科学，２００８，２９（１）：７０－７５．　［－２３翟婉明．车辆一轨道耦合动力学［Ｍ］．第２版．北京：中国　铁道出版社，２００２．　［３］陈鹏，高亮，郝建芳．铁路曲线上轮轨磨耗影响参数的仿　真研究［Ｊ］．中国铁道科学，２００７，２８（５）：１９—２２．　［４］任尊松．车辆系统动力学［Ｍ］．北京：中国铁道出版社。　２００７．　［５］张良威．重载货车轮轨磨耗研究［Ｄ］．成都：西南交通大　学，２００８：６３－７２．　［６３　Ｔｏｍａｓ　Ｊｅｎｄｅ１．Ｐｒｅｄｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｈｅｅｌ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｗｅａｒ—　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ　ｗｉｔｈ　ｆｉｅｌｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，２００２，　２５３：８８－９９．　［７］练松良。孙琦，王午生．铁路曲线钢轨磨耗及其减缓措施　［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００１．　

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｃｕｒｖｅ　Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｎ　Ｗｈｅｅｌ－ｒａｉｌ　Ｗｅａｒ　ｏｆ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ＷＥＩ　Ｊｉａ－ｐｅｉ，ＬＩ　Ｇｕｏ－ｆａｎｇ　（Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｊ　ｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００７０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｕｓｅ　ｏｆ　ＳＩＭＰＡＣＫ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｕｒｖｅ　ｔｒａｃｋ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｒａｉｌｗａｙ　ｃｕｒｖｅ　ｒａｄｉｕｓ。ｓｕｐｅｒｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｃｕｒｖｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｎｔ　ｏｆ　ｒａｉｌ　ｂｏｔｔｏｍ　ｏｎ　ｗｈｅｅｌ—ｒａｉｌ　ｗｅａｒ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｉｔ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｗｈｅｅｌ－ｒａｉｌ　ｗｅａｒ　ｂｙ　ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ　ｓｍａｌｌ　ｒａｄｉｕｓ　ｃｕｒｖｅ；Ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｓｃｏｐｅ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｃｕｒｖｅ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｗｈｅｅｌ－ｒａｉｌ　ｗｅａｒ，ｂｕｔ　ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｗｉｌｌ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｗｅａｒ．Ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃａｎｔ　ｏｆ　ｒａｉｌ　ｂｏｔｔｏｍ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｗｈｅｅｌ－ｒａｉｌ　ｗｅａｒ。ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉＳ　ｎｏｔ　ｏｂｖｉｏｕｓ。ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒｓｉｚｅｄ　ｃａｎｔ　ｏｆ　ｒａｉｌ　ｂｏｔｔｏｍ　ｗｉｌｌ　ａｇｇｒａｖａｔｅ　ｔｈｅ　ｗｈｅｅｌ—ｒａｉｌ　ｗｅａｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｈｅｅｌ—ｒａｉｌ　ｗｅａｒ；ｃｕｒｖｅ　ｐａｓｓｉｎｇ；ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ