基于SIMPACK 探究车轮型面演化对列车曲线通过性能的影响

王子

（辽宁铁道职业技术学院，辽宁 锦州 121000）

前言

当列车通过曲线线路时，轮轨间的作用力比通过直线时要更加的复杂，会使车轮和钢轨间的磨耗加重。列车通过曲线时，轮轨间的相互作用力越小、越平稳，曲线通过性能越好，反之则曲线通过性能就越差。本文主要仿真分析轮轨横向力、脱轨系数两个动力学指标。

一、模型建立与工况设置

跟踪选择测试某型运行速度为200 km/h 动车组。在完整的车轮镟修周期内，共进行了10 次车轮型面测试。根据运行里程选取1 号车其中6 次车轮型面测量数据并编号。如表1 所示。

表1 车轮不同演化阶段编号

本章设置工况：直线300 m，入缓和曲线800 m，圆曲线800 m（半径5500 m），出缓和曲线800 m，直线300 m。列车运行速度为180 km/h，外轨超高设置为30 mm，该工况属于欠超高工况。

以上工况均考虑无激励的情况和有激励的情况，计算采样频率为200 Hz。

动车车辆系统包括车体和转向架两个重要组成部分，它们之间通过弹性悬挂装置进行连接。具有弹簧悬挂系统的动车车辆是一个具有多种自由度的振动系统，车辆会随着运行的过程中产生纷繁复杂的振动现象。

本文利用SIMPACK 软件对国内某型号高速动车组进行车辆动力学建模，并对其进行多体系统动力学仿真分析，得出动车车轮踏面在不同演化阶段对车辆动力学的影响，如车辆的平稳性、稳定性、曲线通过性能等等。

在建立车辆模型的时候，对其影响较大的各种因素尽可能的按照实际情况进行模拟处理。而对于影响较小的因素可以适当的进行简化处理。车辆模型系统中除一系、二系弹簧悬挂装置外，各个部件如车体、转向架构架、车轮轮对等都视为刚体，把轴箱、弹性悬挂、驱动、制动等系列装置的质量合并到转向架构架上，轮对、构架和车体的质量和转动惯量通过Body 来定义，把一系、二系弹簧悬挂装置简化成弹簧和阻尼器的布置方式，各个参数数据均按照实际的参数数据编入，模型中弹簧减振器采用力元（Force Elements）的形式定义，一系弹簧悬挂装置和空气弹簧均采用05 号力元（Spring-Damper Parallel Cmp），抗蛇行减振器、垂向减振器和横向减振器均采用06 号力元（Spring-Damper Serial PtP），轴箱定位采用43 号力元（Bushing Cmp），抗蛇行减振器、垂向减振器、横向减振器阻尼的非线性特征通过定义函数来表示，为了在调用子结构时方便车体与转向架的连接，转向架上设置了一个虚体摇枕，使其与车体零自由度固接，在车辆模型中共有34 个自由度：即车体和每个构架分别有个6 自由度，每个轮对有4 个自由度，所有部件的连接方式采用铰接Joint 形式连接。

二、轮轨横向力

随着车轮磨耗的增加各个车轮在通过圆曲线阶段的轮轨横向力均有了不同程度的增加，且前转向架的各个车轮的轮轨横向力要大于后转向架各个车轮的轮轨横向力。以1W1 型面为例，其中1 位轮对的横移量最大，达到了11.4 mm，在通过曲线时发生了车轮轮缘与钢轨接触，这是因为前转向架的前导轮对在车辆通过曲线时起着导向的作用，其所受到的轮轨横向力最大，而3 位和4 位轮对的轮对横移量较小，所以车轮所受到的轮轨横向力较小。

各个车轮在进入缓和曲线时其轮轨横向力呈先增大后减小的趋势，出缓和曲线时其轮轨横向力呈现出先减小后增大再减小的趋势。出现这种现象的原因是由于各轮对的摇头角在通过曲线时发生了变化。仍以1W1 型面为例，各个轮对在通过缓和曲线时轮对摇头角呈先增大后减小，在通过圆曲线时保持不变，出缓和曲线时呈先减小后增大再减小的趋势。

在工况条件下，可以得出前转向架各个车轮的最大轮轨横向力随着车轮踏面磨耗的增大而增大，2 号车轮和4 号车轮的最大轮轨横向力大于其同轴的1 号车轮和3 号车轮，这是因为工况属于欠超高工况，需要2 号车轮轮缘与钢轨发生接触来提供未平衡的离心力，又因为2 号车轮起着导向作用，所以在前导转向架四个车轮中，2 号车轮的轮轨横向力最大。在线路上施加激励后，各个车轮的轮轨横向力都有了显著地提升，但都小于额定的最大轮轨横向力，如图1、图2 所示。

图1 通过圆曲线最大轮轨横向力（无激励）

图2 通过圆曲线最大轮轨横向力（有激励）

三、脱轨系数

随着车轮磨耗的增加各个车轮在通过圆曲线阶段的脱轨系数也随之增大如表2 所示。

表2 不同演化阶段脱轨系数

对轨道施加激励后，各个车轮通过曲线时的脱轨系数都有了不同程度的增加，但都小于0.8。通过1 号车在不同演化阶段通过圆曲线时前导转向架的各个车轮脱轨系数可以得出，前导转向架的前导轮对的脱轨系数要大于其它轮对，这是因为前导轮对在通过曲线时起着导向的作用，工况相较于其它轮对恶劣，轮轨横向作用力较大，所以其脱轨系数高。

四、结束语

本章主要模拟分析了车辆在车轮不同演化阶段的曲线通过性能：轮轨横向力、脱轨系数。曲线通过速度为180 km/h，曲线半径为5500 m，设置欠超高工况。以上工况均考虑无激励的情况和有激励的情况。并得出以下结论：

（一）两种工况中，轮对横移量、轮轨横向力、脱轨系数均随着车轮磨耗演化的增加而增大，其中在磨耗后期增幅最大。1 位轮对作为前导轮对所受到的轮轨横向力和脱轨系数最大。

（二）不同的超高工况对车辆的动力学性能有直接的影响。在欠超高工况下，需要外侧车轮来平衡离心力，所以同轴外侧车轮的轮轨横向力要大一些。有激励曲线与无激励曲线各指标变化规律相似，各指标均在安全限度内。

随着我国成功开展“动车组技术引进消化吸收再创新”，我国进入全新的高速铁路阶段，对于车轮踏面演变的研究，以及踏面镟修策略的研究对为分析动车组运动学的变化，减轻轮轨损伤，改善车辆动力学性能，提高铁路运输的经济效益和社会效益具有重要意义[1]。