基于轮轨损伤的快捷货车线路适应性分析

王超 王开云 凌亮 高贤波

西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都610031

我国电商行业的兴起与经济的快速发展促使具备高时效、高附加价值货物运输量急剧增长，传统货运列车的运行速度难以满足运输需求。我国铁路运输模式为客货共线，在既有线路和提速线路增设快捷货车成为货运发展的主要趋势。我国已对160 km/h速度等级的快捷货车开展了大量研究［1-2］。快捷货车大幅提速对货车轮轨低动力作用设计提出较大挑战。刘林［3］对我国某型快捷货车转向架悬挂参数开展优化研究，实现货车轮轨低动力作用优化设计。韩正彦［4］通过刚柔耦合动力学仿真模型开展快捷货车转向架焊接结构载荷疲劳评估，为快捷货车转向架的抗疲劳设计提供理论依据。快捷货车研制技术的日益成熟为快捷货车的开行提供了技术支撑，开展快捷货车在不同线路条件下的曲线适应性分析成为了当前的研究重点。

快捷货车研制过程中应充分考虑客货共线运行工况与现有货运线路运行环境。我国幅员辽阔，线路条件复杂，快捷货车通过小半径曲线工况难以避免，而小半径曲线段是引发车轮磨耗与裂纹损伤的主要原因。由于快捷货车车辆定距较传统货车大，其车轮服役环境更恶劣，更易产生轮轨磨耗与疲劳裂纹。

国内外诸多学者已对轮轨磨耗与疲劳损伤开展了深入研究。金学松等［5-6］研究了轮轨接触疲劳的起因与发展过程，论述了抑制车轮磨耗的若干种对策。Auciello等［7］提出一种用以预测车轮磨损廓形演变的预测模型。Hossein等［8］采用遗传算法对车轮廓形进行优化，成功缓解了北欧重载铁路机车车轮的滚动疲劳问题。李伟等［9］运用NUCARS动力学软件分析重载铁路小半径曲线几何参数对钢轨磨耗的影响研究。陶功权等［10］采用安定图与车轮损伤函数对25G型客车车轮踏面损伤原因开展分析，指出车轮频繁经过小半径曲线是导致车轮踏面外侧裂纹和剥离的主要原因。周坤等［11］运用UM动力学软件对40 t轴重重载货车通过不同半径曲线的车轮损伤情况开展了研究，为40 t轴重重载铁路曲线半径设计提供理论支撑。

我国干线铁路一般铺设60 kg/m钢轨（简称60轨），部分重载铁路铺设75 kg/m钢轨（简称75轨）。本文以最新研制的18 t轴重160 km/h快捷货车为研究对象，对LM型车轮踏面分别与60轨、75轨匹配运行的磨耗情况开展仿真分析，研究快捷货车运行在不同半径曲线线路上的适应性，以期为快捷货车运行曲线半径的选取提供理论参考。

1 快捷货车动力学模型

当前研制的18 t轴重快捷货车未采用现役传统货车的三大件式转向架，而采用研制的HZ160C3式转向架（图1）。该转向架选用U形焊接构架，主要包括轮对、轴箱转臂、一系悬挂系统、二系悬挂系统、制动单元、牵引拉杆等。一系悬挂系统采用轴箱转臂定位结构，安装钢弹簧、隔振垫和垂向液压减振器；为满足快捷货运的运行速度与平稳性要求，二系悬挂系统采用橡胶弹簧，并安装二系横向液压减振器与抗蛇行减振器，同时设置二系横向橡胶止档。

图1 HZ160C3转向架结构

运用多体动力学软件SIMPACK，建立了160 km/h快捷货车动力学计算模型，如图2所示。建模时，轮对、构架、牵引拉杆以及车体均视为6自由度刚体，轴箱转臂仅有1个点头自由度，共计62个自由度。车轮廓形选用LM踏面。主要车辆参数见表1。

图2 快捷货车动力学模型

表1 快捷货车主要参数

2 评价指标

2.1 磨耗评价指标

国内外学者提出了多种磨耗指数计算方法，在一定程度上反映轮轨间磨耗情况。传统的Heumann磨耗指数应用最为广泛，但该计算方法忽略接触点具体位置，且轮轨磨耗与轮对冲角成线性关系的描述与实际情况不符。Marcotte磨耗指数计算方法体现轮轨两点接触位置，但实际应用中须计算轮轨空间接触位置，计算量与误差均较高。英国铁路部门提出以轮轨接触斑处所消耗的摩擦功作为轮轨评价指标，忽略自旋蠕滑的影响，即Elkins磨耗指数［12］，表达式为W=Fxεx+Fyεy。其中：W为磨耗指数，N；Fx、Fy分别为纵向、横向蠕滑力，N；εx、εy分别为纵向、横向蠕滑率。

Elkins磨耗指数考虑车轮蠕滑率，能较好地反应轮轨磨耗程度。北美铁道协会运输试验中心所进行的现场试验也证实轮轨磨耗与接触斑处消耗的摩擦功有较好的线性关系。因此，本文选取Elkins磨耗指数作为评价指标。

2.2 损伤函数预测模型

预测车轮踏面剥离的损伤函数由钢轨损伤函数技术发展而来，将动力学模型输出的轮轨接触结果引入损伤函数，进一步预测车轮是否萌生滚动接触疲劳。损伤函数考虑磨耗对疲劳损伤的影响，损伤函数曲线见图3。图中，损伤函数正值表示疲劳损伤，负值表示磨耗损伤，总损伤量为两者之和，即车轮每滚动一圈所产生的相对疲劳损伤。由图3可以得出损伤函数特征参数：疲劳损伤、磨耗损伤起始值分别为20、100 N，发展速率分别为3.6×10-6、-5.4×10-6r/N。

图3 损伤函数曲线

考虑到轮轨接触作用时的裂纹闭合效应及液体疲劳裂纹扩展的影响，仅有作用在车轮上的纵向蠕滑力方向与列车运行方向相反时才计算疲劳损伤［11］。

3 快捷货车曲线适应性分析

车辆通过曲线线路时，导向轮的动力学指标与磨耗情况往往明显大于其他轮对，因此主要对导向轮对开展分析。LM踏面分别与60轨、75轨匹配，取曲线半径R=400、600、800、1 000、1 200 m，快捷货车运行速度均取80 km/h，超高统一设置为均衡超高。磨耗指数取圆曲线段磨耗指数的有效值（均方根）。

3.1 LM踏面与60轨匹配

LM踏面与60轨匹配时，第一对轮对的车轮磨耗指数随曲线半径的变化曲线见图4。可知：在小半径曲线工况下，以外轨侧车轮磨耗为主；随着曲线半径的增加，轮对内外轨侧车轮磨耗指数均呈明显下降趋势，且内外侧车轮逐渐趋于均匀磨耗。R=400 m时外轨侧车轮磨耗指数为249.59 N，R=600、800 m时分别为161.23、113.15 N，分别降低了35%和55%，内外轨磨耗指数的差值分别降低了31%和51%；之后随曲线半径的逐渐增大，磨耗指数变化幅度趋于平缓，内外轨侧车轮磨耗指数差值变化趋于平稳。

图4 60轨工况下车轮磨耗指数随曲线半径的变化曲线

60轨工况下导向轮对内外侧车轮损伤随曲线半径的变化曲线见图5。

图5 60轨工况下导向轮对车轮损伤随曲线半径的变化曲线

由图5可知：①外轨侧车轮损伤主要形式为磨耗损伤，发生在名义滚动圆内侧-23～-37 mm处；车轮磨耗损伤随曲线半径的增大而急剧减小，与磨耗指数的变化规律一致；曲线半径由400 m增至800 m时外轨侧车轮损伤值明显下降，从800 m增至1 200 m时损伤值逐渐趋于稳定。②内轨侧车轮损伤主要形式为疲劳损伤，发生在车轮名义滚动圆-6～29 mm处；R=600 m时车轮疲劳损伤最大，之后随着曲线半径的增大，车轮损伤值逐渐降低。这是因为曲线半径的增大过程中磨耗指数呈明显的降低趋势，而损伤函数存在损伤起始值。R=600 m时内轨侧车轮的磨耗指数为101.06 N，表明其磨耗指数位于磨耗损伤起始值附近，而R=400 m时其磨耗指数远超过磨耗损伤起始值，说明磨耗损伤能够有效抑制疲劳损伤的发展（参见图4）。曲线半径大于600 m后磨耗指数逐渐降低，内轨侧车轮的疲劳损伤情况有所改善，即曲线半径越接近600 m，内轨侧车轮的疲劳损伤越大。

3.2 LM踏面与75轨匹配

LM踏面与75轨匹配时，第一对轮对的车轮磨耗指数随曲线半径的变化曲线见图6。可知：轮对内外侧车轮磨耗指数差值较大；随着曲线半径的逐渐增大，外轨侧车轮磨耗指数急剧降低；R=1 000、1 200 m时轮对内外轨侧车轮磨耗指数降低趋势趋于平缓，内外轨侧磨耗指数差值分别为45.08、32.78 N，轮对内外侧车轮趋于均匀磨耗。

图6 75轨工况下车轮磨耗指数随曲线半径的变化曲线

75轨工况下导向轮对内外侧车轮损伤随曲线半径的变化曲线见图7。

图7 导向轮对车轮损伤随75轨曲线半径的变化曲线

由图7可知：①外轨侧车轮在-38 mm处出现明显磨耗损伤，损伤值比相应的60轨增大数倍；R=400 m时损伤最大值达到703.49×10-6；随着曲线半径增大，外轨侧车轮损伤值急剧降低，R=600 m时降至171.01×10-6，降低76%；曲线半径超过800 m后外轨侧损伤值趋于稳定，与磨耗指数变化规律一致。②内轨侧车轮损伤值变化规律与60轨工况计算结果基本一致。R=600 m时磨耗指数处于磨耗损伤起始值附近，导致R=600 m的损伤值最大；曲线半径增至1 000 m后磨耗指数趋于稳定，与文献［13］指出的两种钢轨匹配的内轨磨耗程度接近这一结论吻合。

LM踏面与75轨匹配时在轮缘与轨头侧会产生接触点，且接触区域较窄，磨耗范围集中［13］。75轨工况下，第一对轮对外轨侧车轮接触点在曲线段的分布情况见图8。可知：外轨侧车轮轮缘接触点在车轮名义滚动圆-38 mm处；R=400 m时，轮对外轨侧车轮在圆曲线段内基本全程保持轮缘接触，这是导致外轨侧车轮损伤出现较大损伤值的直接原因；随着曲线半径的增大，外轨侧车轮轮缘接触的持续时间与接触频率逐渐降低，曲线半径由800 m增至1 000 m时外轨侧车轮轮缘接触频率明显下降；R=1 200 m时，外轨侧接触点基本不再出现轮缘接触现象。由此可见，外轨侧车轮产生轮缘接触是导致磨耗指数与损伤值大幅增大的根本原因。为减缓车轮损伤与磨耗，快捷货车运行中应尽量避免出现轮缘接触现象。

图8 75轨工况下外轨侧车轮接触点在曲线段分布

4 结论与建议

1）在小半径曲线工况下，车辆通过60轨与75轨线路时均以外轨侧车轮磨耗为主；随着曲线半径的增加，轮对内外轨侧车轮磨耗指数均明显下降，且内外侧车轮逐渐趋于均匀磨耗。

2）对于不同半径曲线，车辆通过60轨与75轨线路时外轨侧车轮均以磨耗损伤为主，内轨侧车轮均以疲劳损伤为主。

3）60轨与75轨的内轨侧疲劳损伤规律相近。曲线半径为600 m时，60轨与75轨内轨侧磨耗指数均处于磨耗损伤起始值附近。

4）对于60轨，曲线半径超过800 m后外轨侧轮轨磨耗趋于稳定；对于75轨，半径曲线为800 m时外轨侧仍存在频繁的轮缘接触，外轨侧磨耗指数显著大于60轨，曲线半径达到1 000 m时轮缘接触情况有所改善，疲劳损伤趋于缓和。在开行快捷货车时应尽可能避免出现轮缘接触现象。

综合考虑磨耗指数与车轮滚动接触疲劳情况，快捷货车在60轨线路上开行时线路最小曲线半径不宜低于800 m；在75轨线路上开行时线路最小曲线半径建议取1 200 m，困难情况下不宜低于1 000 m。