轨道不平顺与车轮磨耗对地铁车辆动力响应的影响

邓晓宇，涂 丹，夏 源

(四川城市职业学院，四川 成都 610031)

0 引言

目前国内外学者对轮轨磨耗机理的研究还处于不断发展的阶段，且侧重于研究钢轨、车轮的磨耗产生机理[1-4]，而综合考虑车辆和轨道整体分析的较少。此外，在实际运用中，钢轨的保养打磨及车轮的镟修周期等问题还在不断探索中。而这些问题有必要结合地铁车辆和轨道系统的动力学响应特性进行整体分析。

地铁的轨道养护策略目前仍以幅值超限统计的方式来评价轨道的不平顺状态，这种方式并没有考虑轮轨关系以及钢轨不平顺激励下车辆和轨道系统实际动力响应的影响。本文基于多体动力学分析软件SIMPACK建立了国内某型地铁车辆动力学模型，并在模型中将地铁实测轨道不平顺作为激励，探究车辆在车轮不同磨损状态下的动力响应，再以此对钢轨保养与车轮维护提出合理建议。

1 模型建立

利用多体动力学分析软件SIMPACK建立了某型地铁车辆的动力学模型[5-7]，如图1所示，模型包括车体、构架、轮对、电机、齿轮箱、大小齿轮和轴箱转臂等31个刚体。其中，电机通过架悬方式安装在构架上；车体、构架、电机各有6个自由度，每个轴箱转臂各有一个自由度，轮对有4个独立自由度，轮对的沉浮和侧滚自由度由轮轨非线性接触几何关系约束。轮对和构架采用转臂节点定位，并配有一系垂向弹簧和液压减振器，同时车体和构架之间除空气弹簧以外还有横向减振器、横向止挡、牵引拉杆以及抗侧滚扭杆等，考虑其中的非线性因素，其拓扑关系如图2所示。图2中,7表示SIMPACK中普通轮轨约束,2表示旋转约束。

图1 地铁车辆模型

图2 地铁车辆模型拓扑图

2 实测轨道不平顺

在线路的平直轨道区段，钢轨并不是呈理想平直状态，两根钢轨在高低和左右方向相对于理想的平直轨道呈现出某种波状变化而产生偏差，这种几何参数的偏差就称为轨道不平顺。本文选取地铁某线路实测轨道谱作为模型中的钢轨不平顺激励，轨道谱的左轨和右轨不平顺分别如图3所示，轨道激励主要是垂向不平顺和横向不平顺。图3中，a为加速度，v为速度。

图3 实测地铁轨道谱

3 实测车轮磨耗

为了研究车轮踏面在磨损过程中对车辆振动的影响，选取第一次镟轮前的5组不同运行里程下的车轮踏面实测数据，并以此定义模型中车轮的外形尺寸。其对应的工况和磨损情况如表1所示。

表1 实测车轮磨耗情况表

利用5种不同磨耗工况下的踏面外形实测值，绘出各种工况下的踏面轮廓图如图4所示，在图上可以很清楚地看出踏面外形轮廓磨耗前后的差异以及车轮踏面磨耗的过程。

图4 车轮踏面外形磨损情况对比

由图4可以看出：随着运行里程的增加，车轮踏面的轮廓磨耗加剧，导致车轮外形朝着车轮半径减小的方向变化，以此造成的轮径差也会同时影响车辆的动力学响应[8]。

4 仿真分析

模型建立完成后，通过实测的某地铁轨道谱对模型轨道施加激励，并根据实际情况按车辆运行速度为80 km/h进行计算，通过时间积分得到不同车轮磨耗状态下对应车辆测点的动态响应特性。限于篇幅，在此探究车轮在运行12万公里的工况1和运行20.3万公里的工况5两种车轮磨耗状态下，以振动最剧烈的轴箱动力响应特性为例，对仿真结果的时域特性进行分析，结果如图5、图6所示。

图5 踏面磨损对轴箱横向振动的影响

图6 踏面磨损对轴箱垂向振动的影响

由图5可以很明显地看出：踏面磨损对轴箱的横向振动响应有较大影响；在工况1的踏面外形情况下，车轮磨耗后轴箱的横向振动加速度已整体大于标准踏面对应的加速度值；而这一结果在工况5与标准踏面振动加速度对比中更加明显，相当一部分时间里，车轮在工况5的磨耗状态下，轴箱的横向振动加速度值达到了标准踏面的两倍，这说明此时踏面的损伤已经造成了车辆振动特性的恶化，将对车辆运行的平稳性以及安全性产生较大影响。所以在多数情况下，地铁车辆在运行20万公里之后进行镟修是相当必要的[9]。

车轮磨耗对车辆横向振动影响较大的原因在于：车轮磨损之后，车轮的轮缘高度、轮缘锥度、踏面锥度、轮径以及同轴轮径差都将发生改变，磨耗后的车轮其踏面锥度的改变将影响到车辆在行驶过程中车体相对于两侧钢轨自动对中的性能，并使得车辆在受到横向激扰之后的振动响应加剧；而同一轮对两侧车轮踏面磨耗程度的差异将导致车轮产生轮径差，进而导致车辆在直线运行过程中也将产生横向位移，加大横向振动加速度，并在此过程中更多地迫使车轮轮缘接触钢轨，受到钢轨对车辆的横向约束力作用，使横向振动加剧；同时，车轮轮径差将加速车轮轮缘的磨损，使车轮的间距与钢轨的间距加大，导致车辆的横向振动范围加大，加剧车辆的横向振动。

对比图5和图6的轴箱振动响应结果可以看出：踏面磨损对车辆垂向振动的影响较小，而对车辆横向振动的影响较大。产生这一现象的主要原因在于：在踏面的主要缺陷形式中，对车辆垂向振动影响最大的是踏面的局部损伤以及踏面剥离，在存在这两种缺陷的情况下，车辆将在垂向产生周期性的激励，加剧车辆的垂向振动。而在本文的研究中，主要研究目的在于探究车轮踏面外形轮廓磨损的改变对车辆振动的影响，所以假设车轮磨耗前后车轮每个截面的外形都是一样的，也就是说假设磨耗是均匀的。所以这种形式的踏面损伤对车辆垂向振动的影响是有限的。

5 结论

(1)随着车轮磨耗的加剧，轮径减小，车辆轴箱的横向振动随之加剧，并在车轮运行20万公里左右时振动加速度幅值增长明显，有必要进行镟修。

(2)在车轮均匀磨耗的假设下，仅考虑车轮磨耗时，其对列车横向振动的影响大于对垂向振动的影响。

(3)仿真结果印证了车轮磨耗对车辆振动影响的机理，为进一步探究车轮踏面其他损伤形式对车辆振动的影响奠定了基础。