几类轮轨接触几何关系的研究

张全　付凯兵　李婉清

摘  要：高速铁路的发展带来了新的挑战，轮轨的磨耗增加，不仅增加维修成本，而且也影响了列车的安全性。因此，对轮轨几何关系的研究尤为重要。影响高速列车轮轨几何关系的因素很多。该文以中国铁路的LMA踏面、日本新干线JR-ARC踏面和欧洲标准S1002踏面以及钢轨断面为例，对踏面曲线函数进行研究，比较3种轮轨关系的几何参数差异，分析踏面曲线。

关键词：高速铁路   车辆动力学   轮轨接触几何关系   车轮踏面

中图分类号：U211.5                       文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）09（b）-0025-03

Study on Several Kinds of Wheel Rail Contact Geometric Relations

ZHANG Quan   FU Kaibing   LI Wanqing

（Changchun Normal University， Changchun， Jilin Province， 130000 China）

Abstract： The development of high-speed railway has brought us new challenges. The increase of wheel rail wear not only increases the maintenance cost， but also affects the safety of the train. Therefore， it is particularly important to study the wheel rail geometric relationship. There are many factors affecting the wheel rail geometric relationship of high-speed train. Taking LMA tread of China railway， JR-ARC tread of Shinkansen in Japan， S1002 tread of European standard and rail section as examples， this paper studies the tread curve function， compares the geometric parameter differences of three wheel rail relationships， and analyzes the tread curve.

Key Words： High speed railway; Vehicle dynamics; Wheel rail contact geometry; Wheel tread

高速鐵路的发展给人们的生活带来了便利，缩短了城市之间的距离，但也带来了很多复杂问题。随着速度的增加，轮轨的磨耗也随之增加，对车辆的结构造成的破坏也会越来越严重。不仅增加维修成本，而且对列车的安全性构成威胁。轮轨几何关系的研究对快速轨道列车的发展起着重要的作用，是轮轨接触几何关系中的基本内容[1-6]。其研究为高速铁路的发展提供了理论基础。列车的稳定性与曲线的通过能力相关，随着速度的增加，车辆和轮轨的结构会造成严重的破坏。

高速列车研发开始至今，日本、欧洲和其他国家采用了不同形状的车轮和钢轨，高速铁路的多年研究经和实际情况表明，不同的车轮踏面曲线和轮对内侧距会呈现出不同的轮轨接触几何关系，导致轮轨之间的作用不同，从而高速列车的动力学性能也会不同。因此，轮轨接触几何关系的研究是各国高速铁路研究中的一个重要课题[7-9]。

1  各国铁路车轮踏面

该文主要选取中国铁路的LMA踏面、日本新干线JR-ARC踏面和欧洲标准S1002踏面进行比较，利用车轮踏面曲线和轮轨的接触几何基本参数，对3种踏面进行比较，根据踏面曲线的连续性匹配最佳的钢轨。

2  轮轨接触几何的基本参数

该文基于中国铁路的LMA踏面、日本新干线的JP-ARC踏面和欧洲标准车轮踏面S1002数据进行分析，钢轨的数据是横断面CHN60和UIC60，具体数据见表1。

3  钢轨横断面的几何特点

3种踏面曲线的形状大致相同，都是由直线和圆弧构成，区别有如下几方面（见图1）。

（1）LMA和S1002踏面与钢轨的接触区域在车轮内侧面与踏面中部大约70 mm处的圆弧区间。

（2）JP-ARC踏面与钢轨的接触区域在车轮内侧面大踏面中部约65 mm处的圆弧区间。

（3）LMA和S1002用两条直线连接外侧与中部圆弧。

（4）JP-ARC用半径为1 000 mm的圆弧连接外侧与中部圆弧。

（5）JP-ARC踏面的轮辋比其他踏面宽度小10 mm。

文献[8]给出了LMA踏面曲线（见图2）的分段函数：

除第4、8、9、10为直线段外，其余均为圆弧段。对这些函数求导可知LLMA曲线在x=100 mm和x=130 mm处不连续，其余部分都连续。根据图1可知3种曲线的差别，用同样的方法得到JP-ARC和S1002的曲线不连续的点，在不连续的接触点处钢轨的形状一定是光滑的。所以不同型号的轮轨踏面应该选取耦合良好的钢轨，避免钢轨在接触点处非光滑。

4  结语

轮轨几何参数的研究给高速列车的发展提供了理论依据。采用先进的轮轨关系，可以在提高列车的速度的同时保证列车的稳定性，这个课题的研究具有重要的意义。通过计算结果可知，在设计合理的车轮踏面时，轮轨接触点处越是光滑，磨耗越小。从而可以保证列车高速运行时的稳定性和安全性。

参考文献

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[2] 杨玉青.轮轨复合故障对城轨车辆的动力学影响[D].北京：北京建筑大学，2020.

[3] 胡雅婷，张淑华，尧辉明.基于横向蠕滑特性的轮轨黏着试验研究[J].润滑与密封，2020，45（9）：78-82，112.

[4] 梁德龙，尚小菲.国内外轮轨增黏方式探讨[J].机车车辆工艺，2020（5）：9-11.

[5] YAMAMOTO D，周贤全.用热成像技术改进轮轨接触定位方法[J].国外铁道车辆，2020，57（3）：27-32.

[6] 杨桐.基于图像处理的列车轮轨接触关系研究[D].兰州：兰州交通大学，2020.

[7] 卜庆萌，姚林泉.轮轨接触几何关系探讨[J].苏州大学学报：自然科学版，2011，27（3）：79-84.

[8] 王成国，王永菲，李海涛，等.高速轮轨接触几何关系的比较分析[J].铁道机车车辆，2006（4）：1-5.

[9] 任尊松.车辆系统动力学[M].北京：中国铁道出版社，2007.

作者简介：张全（1999—），男，本科在读，研究方向为大数据。

符凯兵（2000—），男，本科在读，研究方向为大数据。

李婉清（2001—），女， 本科在读，研究方向为大数据。