扁疤条件下CRH2动车组的轮轨冲击载荷分析

李文全　赵永翔

摘  要：扁疤是轮轨接触滑移在踏面产生的车轮不圆损伤，对轨道车辆动力学性能具有相对较强影响。考虑轮轴材料的动载弹塑性，运用商业动力学软件建立了车辆-轨道-车轮扁疤长度的耦合动力学模型，研究获得了扁疤长度-CRH2型动车组的轮轨冲击载荷关系。结果表明，扁疤长度对轮轨接触冲击力具有显著影响，主要随着扁疤长度的增加冲击力变大，在商业应用速度范围，扁疤长度小于20mm才能保证轮轨载荷不超过管理范围。文章研究有助于指导轨道车辆的运用安全管理。

关键词：CRH2型动车组;车轮扁疤;动力学仿真;轮轨力

中图分类号：U211 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）17-0006-05

Abstract： Wheel flat is the wheel out-of-round damage caused by wheel-rail contact slip on the tread， which has a relatively strong influence on the dynamic performance of rail vehicles. Considering the dynamic elastoplasticity of axle material， the coupling dynamic model of vehicle-rail-wheel flat length is established by using commercial dynamics software， and the wheel-rail impact load relationship between flat length and CRH2 EMU is obtained. The results show that the flat length has a significant effect on the wheel-rail contact impact force， which mainly increases with the increase of the flat length. In the speed range of commercial application， the flat length is less than 20mm to ensure that the wheel-rail load does not exceed the management range. The research in this paper is helpful to guide the safety management of rail vehicles.

Keywords： CRH2 EMU; wheel flat; dynamic simulation; wheel-rail contact force

引言

由于现有轨道交通采用车轮金属硬度弱于轨道的接触方案，在车辆运行期间，轮轨接触因动态接触应力大于材料的循环应力-应变关系的屈服点而产生塑性变形累积，加上随机出现的轮轨接触相对滑动而产生的摩擦磨损，以及硬质外物造成的踏面硌伤等是轨道交通固有的损伤形态，车轮踏面损伤可统称为扁疤损伤。鉴于车轮出现扁疤，将影响列车运行的动力学性能和相关零部件所承受的动载荷条件，分析扁疤长度与列车动力学性能及动载荷条件的关系，科学地管控扁疤长度，确保列车运行具有良好的动力学性能和可接受的动载，是轨道交通的主要科技问题之一。

Newton-Clark[1]在进行扁疤冲击研究中，将扁疤冲击等效为轨道低接头冲击，提出了如下扁疤深度与扁疤长度的描述方程：

f（x）=d/2[1-cos（2πx/L）] d=L2/16R （1）

其中x为扁疤上某一点位置，0

翟婉明等[2-3]将扁疤等效为轨道低接头冲击，建立了扁疤冲击速度、扁疤长度、车辆运行速度等关系，借助VICT程序对扁疤冲击进行了模拟，结果显示严重时车轮扁疤所引起的高频冲击力可为正常轮载的3～4倍。

王建斌-邬平波-唐兆[4]也将扁疤冲击等效为轨道低接头冲击，采用Koettgen虚应力方法结合Neuber缺口应力修正算法求解车轴危险截面的应力-应变历程，结果显示危险截面等效应力可达到无扁疤激扰时的2倍。

Dukkipati-Dong[5]采用与Newton-Clark[1]相同的数学模型描述扁疤深度-长度关系，探究了车轴载荷、速度、轨道定位刚度等因素对轮轨垂向冲击载荷的影响，说明了轮轨冲击力不仅与扁疤尺寸相关，同时也受车辆悬挂参数、车轴载荷、车速及轨道参数等影响。

王忆佳-曾京-高浩等[6]研究了扁疤长度与垂向轮轨力的关系，新扁疤及旧扁疤轮廓采用与Newton-Clark相同的数学模型[1]，分析结果显示：在较高的速度下，旧扁疤引起的轮轨垂向力大于新扁疤;当车速在200～250km/h时，车轮扁疤长度应?35mm，当车速?250km/h，扁疤长度应?30mm。

王晨、秦玉东、张大伟等[7-9]也对扁疤冲击进行了一定的分析研究，得出的基本规律较为一致：扁疤损伤越长，引起的轮轨冲击力越大，扁疤冲击与速度、一系悬挂刚度、轴重等相关。同时扁疤损伤还会引起转臂、构架等结构不同程度的振动。

以上文献在计算扁疤引起的轮轨冲击力时，大多未考虑轮对柔性，这可能导致轮轨力计算结果与实际情况有较大差异。杨光、陈新华、李笑等学者[10-12]建立了刚柔耦合动力学模型，并对动力学仿真中结构柔性对动力学性能的影响进行了研究，研究表明：在低速工况，刚性轮对与柔性轮对动力学性能相近，但在高速时，轮对柔性影响较大，考虑轮对的柔性非常有必要。

3 结论

通过建立弹塑性轮对模型及CRH2车辆-轨道耦合动力学模型、扁疤模型，模拟分析了扁疤对车辆舒适性、脱轨系数、轮轨冲击力的影响。得出以下结论：

（1）车轮踏面扁疤损伤引起的冲击，对轮轨横向力、垂向力均有影响，在100～375km/h速度范围内，随着速度及扁疤长度增加，扁疤引起的轮轨横向、垂向冲击力均有增加。

（2）在车轮踏面存在扁疤损伤时，在实际运行速度范围内，推荐扁疤长度限定在20mm以内。对大于20mm长的扁疤损伤，不同长度对应不同速度限值：当扁疤长度达到25mm时，车运行速度建议降至250km/h;当扁疤长度达到30mm时，建议车速降至100km/h左右;当扁疤长度达到35mm时，建议车速降至80～100km/h;当扁疤长度达到40mm，建议车速降至60～80km/h;当扁疤长度大于等于45mm时，降速至50～60km/h回站旋修。

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