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）

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；500 m 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120 mm 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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