基于车体失稳的轮轨型面匹配研究.pdf

第 43 卷第 4 期2023 年 8 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CARVol.43 No.42023Aug.基于车体失稳的轮轨型面匹配研究许自强1，黄继林2，成健2，张明巧3，梁海啸4（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081；2 中国铁路南宁局集团有限公司 车辆部，南宁 530000；3 中国铁路南宁局集团有限公司 南宁车辆段，南宁 530001；4 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）摘 要 动车组的车体低频晃动（以下简称“晃车”）问题将降低乘坐舒适性，晃车在不同的高铁线路、不同型号动车组上都时有出现，是困扰服役动车组的难题。文中通过对动车组与线路的轮轨调研测试，采用仿真的手段分析了不同轮轨型面匹配对晃车的影响。研究发现：基于 60N 钢轨设计廓形，建议廓形的偏差程度应控制在-0.2 mm 以内，防止钢轨廓形负偏差过大引起的晃车；钢轨负偏差较钢轨不对称对晃车影响更大，建议左右轨都按正偏差打磨控制。当车轮出现异常磨耗将导致轮轨匹配等效锥度过低易引起晃车，服役动车组应尽量避免车轮踏面的异常磨耗，并及时旋修消除踏面异常磨耗。关键词 车轮踏面；钢轨廓形；晃车；等效锥度；仿真分析中图分类号：U266.2 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2023.04.04车体异常振动主要原因之一是轮轨型面匹配异常1。国内外一般采用等效锥度来表征轮轨匹配特性2，当轮轨匹配等效锥度过高容易发生构架蛇行失稳或车体抖车，当轮轨匹配等效锥度过低容易发生车体蛇行失稳即晃车3-4。近年来车体晃车问题在个别线路常有出现，一般在车轮新旋修后或钢轨新打磨后出现。新旋修车轮踏面或新打磨钢轨廓形时未充分考虑轮轨型面的匹配关系，导致轮轨维护后轮轨型面相互匹 配 不 良，等 效 锥 度 过 低，进 而 引 起 了 车 体 晃 车问题5-8。文中针对某线路的车体晃车问题进行了轮轨型 面 测 试，从 轮 轨 型 面 匹 配 角 度 分 析 晃 车 原 因。通过输入不同的轮轨匹配等效锥度型面，研究轮轨型面匹配对晃车的影响，并对轮轨型面匹配限值进行研究。1 晃车的轮轨匹配分析 1.1钢轨廓形线路调研发现晃车区段钢轨存在光带宽窄交替变化的情况，实际钢轨照片如图 1 所示，同一左侧 钢 轨 光 带 在 K84+817 为 16 mm，而 在 K84+877光带宽度变化为 30 mm，光带交替变化波长约为80 m，与晃车波长接近。图 1实际钢轨调研照片文章编号：1008-7842（2023）04-0023-06引用格式：许自强,黄继林,成 健,等.基于车体失稳的轮轨型面匹配研究J.铁道机车车辆,2023,43(4):23-28.基金项目：中 国 铁 道 科 学 研 究 院 集 团 有 限 公 司 科 研 项 目（2020YJ129）；中 国 国 家 铁 路 集 团 有 限 公 司 科 技 研 究 开 发 计 划（N2021J027）作者简介：许自强（1984-）男，副研究员（修回日期：2021-09-30）铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 将光带交替变化区段实测廓形与打磨设计廓形 60N 的垂向偏差进行对比，结果如图 2 所示。对比发现同一区段的左右侧钢轨廓形不对称，光带宽度也不同，K84+817 区段左右轨光带宽度分别为 16 mm 与 30 mm；同侧钢轨的前后一致性存在偏差，打磨后廓形与 60N 负偏差越大，其光带越窄。左 右 轨 的 不 对 称 度 也 较 为 明 显，横 坐 标 0+10 范 围 K84+817、K84+877 的 偏 差 量 最 大 值 分别 为 0.043、0.041 mm，横 坐 标+10+25 范 围K84+817、K84+877 的 偏 差 量 最 大 值 分 别 为0.332、0.138 mm。1.2车轮踏面外形对旋修初期发生晃车的动车组车轮踏面进行调研，部分动车组车轮在旋修后的等效锥度偏低，导致在部分线路区段出现晃车。这种情况在其他线路也出现过，通过推行新设计的薄轮缘系列旋修外形，旋修后车轮等效锥度偏低的现象得到了有效控制9-10。部 分 动 车 组 运 行 一 段 时 间 才 出 现 晃 车 或 晃车越发明显，调研发现这部分动车组车轮踏面存在异常磨耗，接触区域集中在 6580 mm，滚动圆70 mm 处踏面斜率小于标准外形，匹配等效锥度偏小，如图 3 所示。异常车轮踏面的最大磨耗区域在 踏 面 90110 mm 区 域，磨 耗 区 域 相 对 滚 动 圆70 mm 已经偏离超过 20 mm（轮轨横移量最大约为15 mm），非实际轮轨接触区域。对比异常磨耗踏面、LMA标准踏面与 60N 钢轨廓形的轮轨接触特性，如图 4 所示，车轮踏面异常磨耗后，轮轨接触点集中于轨顶4 mm 范围内，由于接触范围窄随着车轮横移轮径差变化小，轮轨匹配等效锥度仅 0.024；而 LMA踏面与 60N 匹配在钢轨轨顶6 mm 范围，等效锥度 0.031，显著大于异常磨耗踏面。图 2实测钢轨廓形与 60N 垂向偏差对比图 3车轮踏面异常磨耗特性24第 4 期基于车体失稳的轮轨型面匹配研究2 动力学模型与验证 2.1建立动力学模型采用动力学软件 Simpack 建立 CRH2A 动车组模型，此模型由 1 个车体、2 个构架、4 条轮对和 8 个轴箱组成；车体、构架、轮对均为 6 个自由度，轴箱为 一 个 转 动 自 由 度，各 刚 体 通 过 悬 挂 装 置 连 接。仿真中将车体、轮对、转向架视为刚体，悬挂部分中 的 空 气 弹 簧 和 减 振 器 等 元 件 采 用 弹 簧 阻 尼 模拟，建模过程中充分考虑横向止挡等非线性特性元件。2.2晃车的动力学仿真验证采用实测轮轨型面输入动力学模型中进行模型验证，轨道不平顺采用了国内某高铁线路不平顺与美国 AAR5 级谱，实测数据与仿真数据对比如图 5 所示。采用高铁不平顺的仿真结果与实测数据 有 较 好 的 一 致 性，车 体 平 稳 性 最 大 值 接 近，而AAR 谱不平顺较差，仿真结果显示车体平稳性较差，达到了 2.9。实 测 晃 车 的 主 频 率 为 0.7 Hz，主 频 幅 值 为0.19 m/s2，仿真结果的晃车频率 0.81 Hz，主频幅值与实测结果基本接近。由于 AAR5 下车体在频率 210 Hz 的振动幅值较大，导致车体平稳性幅值偏大。通过实测结果与仿真结果对比，采用某动车组线路不平顺作为输入，仿真数据与实际测试数据相似，仿真模型可用。3 轮轨型面匹配仿真 实际调研发现钢轨廓形存在 2 类情况：左右股钢轨廓形对称性良好，但钢轨工作边廓形与打磨廓形存在偏差；左右股钢轨对称性较差。这 2 类问题都将影响动车组晃车问题，下面分别对这 2 种情况的影响进行仿真研究。图 4轮轨接触特性图 5仿真数据与实测数据对比25铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 3.1钢轨廓形偏差影响研究为了研究不同钢轨廓形偏差对动车组晃车的影响，依据打磨标准廓形 60N 构造不同偏差值钢轨进行仿真分析。以钢轨横向+20+30 mm 区域为基准，偏差量范围为-0.4+0.8 mm，共构造了 10个不同偏差程度的钢轨廓形，如图 6 所示。当 LMA踏 面 与 不 同 偏 差 程 度 的 钢 轨 廓 形 匹配，车体平稳性、车体横向振动主频幅值以及名义等效锥度值变化规律如图 7 所示。随着钢轨由负偏差发展为正偏差，名义等效锥度不断增加，车体平稳性、车体横向振动主频幅值不断降低。当钢轨廓形为负偏差-0.4 mm，车体发生了明显晃车，横向平稳性达到 2.5，振动加速度主频幅值为 0.082 m/s2，等效锥度为 0.026；LMA与 60N匹配，横向平稳性降为 2.3，振动加速度主频幅值为 0.070 m/s2，等效锥度为 0.030 4；当钢轨廓形为正偏差+0.4 mm，车体平稳性降为 2.22。为了进一步分析等效锥度对晃车的影响，以60N 计算结果为基准，分析了不同廓形偏差变化率，如图 8 所示。当钢轨为负偏差-0.4 mm，等效锥度降低 14.1%，平稳性增加 7.8%，主频幅值增加16.8%；当钢轨为正偏差+0.4 mm，等效锥度增加5.8%，平稳性降低 5.7%，主频幅值降低 17.2%，随着等效锥度的增加，晃车主频幅值显著降低。综上所述，钢轨廓形负偏差将导致轮轨匹配等效锥度降低，车体 1 Hz 以内的晃车主频幅值显著 增 加，造 成 乘 坐 舒 适 性 下 降。当 钢 轨 偏 离-0.2 mm，晃车主频幅值将增加 10%，建议钢轨廓形+25 mm 的偏差控制在-0.2 mm 以内。3.2钢轨对称性偏差影响左轨廓形分别为正偏差+0.4 mm、60N 廓形、负偏差-0.4 mm 共 3 种廓形；右轨廓形从正偏差+0.8 mm 变化至负偏差-0.4 mm，共 7 个钢轨廓形。廓形偏差对车体平稳性与振动加速度主频幅值的影响如图 9 所示。图 6构造的不同偏差钢轨廓形图 7不同钢轨偏差的变化规律图 8基于 60N 结果的变化率特性26第 4 期基于车体失稳的轮轨型面匹配研究如 果 左 侧 廓 形 固 定，右 轨 由 负 偏 差 向 正 偏差 变 化，车 体 平 稳 性 呈 线 性 降 低。左 轨 廓 形 由负 偏 差 向 正 偏 差 变 化，车 体 平 稳 性 也 明 显 降低。从 车 体 晃 车 主 频 幅 值 来 说，当 左 轨 达 到 负偏 差-0.4 mm，车体出现晃车，此时右轨廓形变化影响较小，当右侧钢轨为正偏差+0.4 mm 时，平稳性与主频幅值也未明显改善；而左轨为 60N 或正偏差+0.4 mm，随着右轨廓形由负偏差变化为正偏差，晃车频率幅值显著降低。综合仿真结果，针对 LMA踏面，钢轨负偏差的影响较钢轨不对称的影响更大，为防止晃车钢轨左右股廓形建议按正偏差打磨。3.3车轮异常磨耗对晃车影响仿真分 析 车 轮 踏 面 对 晃 车 的 影 响，选 取 了 标 准LMA踏面，正常磨耗 5 万 km 外形以及实测异常磨耗外形（第 1 章实测异常磨耗外形）进行对比，不同踏面外形对晃车影响如图 10 所示。LMA踏面与负偏差钢轨廓形匹配时，车体平稳性较差出现晃车问题；当车辆运行 5 万 km 后，随着车轮磨耗车体平稳性幅值下降，晃车问题消失；当车轮出现异常磨耗，不论钢轨廓形是正偏差还是负偏差，车体平稳性与晃车频率幅值都显著大于正常情况。仿真结果与第 1 章的轮轨匹配分析有较好的一致性，车轮异常磨耗后轮轨接触点集中于钢轨顶面，等效锥度过低引起晃车，此时钢轨廓形偏差对晃车影响较小。所以应尽量避免车轮踏面异常磨耗，并及时旋修消除踏面异常磨耗。4 结论 晃车是由于轮轨匹配异常引起的，通过改善轮轨接触关系即提高轮轨匹配等效锥度可以有效地改善晃车问题。文中针对 CRH2 型动车组晃车问题，从轮轨型面匹配角度仿真对比了钢轨廓形偏差、钢轨对称性、车轮磨耗对晃车的影响。通过图 9左右钢轨廓形对称性影响仿真图 10不同车轮踏面影响仿真27铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 测试与仿真分析提出建议如下：从钢轨廓形角度来说，钢轨打磨时建议向 60N正偏差廓形打磨。如果钢轨打磨后为 60N 负偏差，偏差程度应控制在-0.2 mm 以内，钢轨廓形负偏差过大容易引起晃车；针对 LMA踏面，钢轨负偏差的影响较钢轨不对称的影响更大，建议左右轨都按正偏差打磨控制。车轮出现异常磨耗将导致轮轨接触点集中于钢轨顶面，等效锥度过低引起晃车，应尽量避免车轮踏面的异常磨耗，并及时旋修消除踏面异常磨耗。下一步将深入分析车轮踏面异常磨耗原因，从源头控制异常磨耗的产生。参考文献1 POLACH O.Influence of Wheel/Rail Contact Geometry on the Behaviour of a Railway Vehicle at Stability LimitC/Proceedings of the ENOC-2005.Eindhoven：Eindhoven University of Technology，2005：2203-2210.2 International Union of Railways.Method for Determining the Equivalent conicity：UIC 519S.Paris：International Union of Railways，2004.3 孟 葳.动车组车体蛇行失稳机理与影响因素试验研究J.铁道机车车辆，2021，41（2）：28-32，69.4 李凡松，王建斌，石怀龙，等.动车组车体异常弹性振动原因及抑制措施研究J.机械工程学报，2019，55（12）：178-188.5 叶一鸣，贡照华.机车晃车原因分析及其预防J.铁道学报，2003，25（1）：113-117.6 何旭升，吴会超，高 峰.高速动车组晃车机理试验研究J.大连交通大学学报，2017，38（1）：21-25.7 俞 喆，杨 光，王有能，等.钢轨廓形对动车组车体低频横向晃动影响研究J.铁道工程学报，2020（7）：23-28.8 陈经纬，崔 涛，孙建峰，等.基于高速列车异常晃动的 钢 轨 廓 形 打 磨 管 理 J.机 车 电 传 动，2020（5）：128-137.9 董孝卿，王悦明，任尊松，等.CRH3C 型动车组薄轮缘车 轮 外 形 设 计 与 运 用 J.铁 道 学 报，2014，36（2）：11-17.10 金学松，赵国堂，梁树林，等.高速铁路轮轨磨损特征、机理、影响和对策车轮踏面横向磨耗J.机械工程学报，2018，54（4）：3-13.Research on Wheel/Rail Profile Matching Based on Carbody InstabilityXU Ziqiang1，HUANG Jilin2，CHENG Jian2，ZHANG Mingqiao3，LIANG Haixiao4（1 Locomotive&Car Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China；2 China Railway Nanning Group Co.,Ltd.,Vehicle Department,Nanning 530000 Guangxi,China；3 China Railway Nanning Group Co.,Ltd.,Nanning Depot,Nanning 530001 Guangxi,China；4 CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.,Qingdao 266111 Shandong,China）Abstract：Low-frequency carbody swaying of EMUs will decrease ride comfort.Crabody swaying sometimes appears in different high-speed railway lines and different types of EMUs,which is a problem for EMU in service.This paper analyzes the influence of different wheel/rail profile matching on the swaying carbody by means of simulation analysis through the wheel/rail survey.The results show that:based on the 60N rail design profile,it is suggested that the deviation of profile should be controlled within-0.2 mm to prevent the sway caused by excessive negative deviation of rail profile.The negative deviation of rail has a greater impact on the swaying carbody than the rail asymmetry.It is suggested that both the left and right rails should be polished according to the positive deviation.Abnormal wear on wheel will lead to the wheel/rail matching equivalent conicity too low to cause carbody swaying,the EMU in service should avoid abnormal tread wear as far as possible and eliminate abnormal tread wear by rotating in time.Key words：wheel tread；rail profile；carbody swaying；equivalent conicity；simulation analysis28