鐵路輪軌磨耗仿真分析

鐵路輪軌磨耗仿真分析

影響車輪磨損的因素很多，而且往往復(fù)雜。因此，可以從多個(gè)方面考慮減少車輪磨損。曲線上的減磨措施,從線路設(shè)計(jì)及養(yǎng)護(hù)維修的角度上講,一般可通過對(duì)一些主要影響參數(shù)的控制來降低輪軌磨耗,如車輛通過速度、曲線超高、軌底坡、輪軌間的摩擦系數(shù)(通過在鋼軌上涂油來實(shí)現(xiàn))等。基于此,本文對(duì)于輪軌磨耗影響參數(shù)的仿真分析也主要針對(duì)以上幾個(gè)主要參數(shù)。1輪軌接觸關(guān)系通過建立車輛/軌道動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行輪軌磨耗的計(jì)算分析。鑒于SIMPACK可用于建立鐵路車輛和線路系統(tǒng)的詳細(xì)模型,且其求解器性能較為優(yōu)異,故選用此技術(shù)進(jìn)行建模和仿真計(jì)算。車輛模型參照長春高速車的參數(shù)進(jìn)行建模,如圖1所示,由1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架、4個(gè)輪對(duì)共7個(gè)體組成,每個(gè)體均考慮縱向、橫向和垂向的運(yùn)動(dòng)及繞這3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng),并考慮了橫向止擋、蛇行減振器等非線性因素的影響,由于SIMPACK中默認(rèn)的輪軌接觸關(guān)系為歐洲的輪軌關(guān)系,而輪軌接觸關(guān)系對(duì)輪軌磨耗有很大影響。為使所建模型對(duì)輪軌磨耗的仿真分析與我國鐵路的實(shí)際情況更加符合,運(yùn)用其拓展功能制作了CHN60鋼軌斷面及LM車輪踏面文件并導(dǎo)入到計(jì)算模型中,以代替SIMPACK中默認(rèn)的歐洲輪軌關(guān)系模型進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于鐵路曲線上輪軌磨耗的評(píng)價(jià),參照傳統(tǒng)輪軌磨耗的評(píng)價(jià)方法,采用輪對(duì)磨耗功、輪軌橫向力及沖角3個(gè)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)。此外,在保證列車通過曲線時(shí)輪軌磨耗較低的同時(shí),車輛的安全性和舒適度也應(yīng)滿足一定要求,車輛的安全性用脫軌系數(shù)和輪重減載率來評(píng)價(jià),舒適度則用車體橫、垂向的Sperling指標(biāo)值來評(píng)價(jià)。2車輛通過速度1參照線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),仿真計(jì)算中采用的線路參數(shù)設(shè)定為曲線半徑400m,圓曲線長200m,緩和曲線長90m,曲線超高為120mm,軌底坡為1∶40。對(duì)于車輛通過速度,若最大欠超高取75mm,則由此曲線條件決定的最高行車速度為80km·h-1,在此按70km·h-1考慮。以下討論中,除依據(jù)討論內(nèi)容的不同對(duì)個(gè)別參數(shù)有特別說明外,其他參數(shù)均統(tǒng)一按此取值。2.1車輛速度k車輛速度的討論以所假定線路條件決定的最高速度為基礎(chǔ),選取適當(dāng)?shù)淖兓秶M(jìn)行討論。仿真計(jì)算得到的車輛速度對(duì)所考察的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的影響情況列于表1。(1)由表1可見,車輛通過曲線時(shí),隨著車輛速度的增加,輪軌磨耗功有較大增加,沖角則有較大降低,本計(jì)算中車輛速度從50km·h-1增加到90km·h-1,輪對(duì)磨耗功增加到原來的1.7倍,沖角降低了14%。輪軌橫向力則隨著速度的增加呈現(xiàn)先有較大降低,而后又急劇增加的趨勢(shì)。計(jì)算中速度在70km·h-1左右時(shí)的輪軌橫向力最低,超過或低于70km·h-1時(shí)輪軌橫向力會(huì)急劇增加,這一速度比線路條件決定的最大行車速度略低。(2)分析表1可知,對(duì)于安全性和平穩(wěn)性指標(biāo)而言,車輛速度的提高對(duì)脫軌系數(shù)和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的影響較小,對(duì)輪重減載率和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的影響較大。計(jì)算中當(dāng)車輛速度由50km·h-1增加到90km·h-1后,輪重減載率增加4倍,橫向平穩(wěn)性指標(biāo)增加51%。因此,為降低車輛通過曲線時(shí)的輪軌磨耗,車輛速度應(yīng)比由線路條件決定的最高行車速度略低為宜。速度過高或過低都有可能增加輪軌磨耗。對(duì)于安全性及平穩(wěn)性而言,車輛速度過高會(huì)使輪重減載率及橫向平穩(wěn)性指標(biāo)有較大增加,進(jìn)而影響行車安全和旅客舒適性。2.2超高對(duì)輪軌橫向力的影響仿真計(jì)算得到的曲線超高對(duì)所考察的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的影響情況列于表2。由于我國鐵路曲線的實(shí)設(shè)超高一般不超過150mm,故仿真計(jì)算中超高的最大值取為150mm。(1)對(duì)于輪軌磨耗指標(biāo)而言,隨著超高的增加,輪對(duì)磨耗功和沖角有一定增加,但增幅較小,本計(jì)算中超高由80mm增至150mm后,輪對(duì)磨耗功增加了3%,沖角增加了6%。輪軌橫向力則隨著超高的增加呈現(xiàn)先急劇減小到一定值后,又急劇增加的趨勢(shì)。計(jì)算中超高由80mm增至120mm時(shí),輪軌橫向力達(dá)到最低值,比超高為80mm時(shí)降低了91%,而150mm時(shí)的輪軌橫向力則是120mm時(shí)的6.4倍。(2)超高的適當(dāng)增加對(duì)于安全性和平穩(wěn)性指標(biāo)的影響很小。超高的變化對(duì)于沖角及輪對(duì)磨耗功的影響很小,對(duì)輪軌橫向力影響較大,故而調(diào)整超高以降低輪軌磨耗主要通過降低輪軌橫向力來實(shí)現(xiàn)。由于小半徑曲線上設(shè)置的超高通常偏大,故而適當(dāng)降低超高有利于降低輪軌磨耗,這與文獻(xiàn)的論點(diǎn)一致,但應(yīng)注意超高不能降的過低,過低的超高會(huì)使輪軌橫向力急劇升高,反而加劇輪軌磨耗。2.3軌底坡與輪軌磨耗功的關(guān)系在小半徑曲線上也經(jīng)常通過調(diào)整軌底坡的方式來改善輪軌磨耗。適當(dāng)加大曲線上鋼軌的軌底坡,可使車輛通過曲線時(shí)內(nèi)外輪的滾動(dòng)圓半徑差增大,進(jìn)而提高車輛的曲線通過能力。仿真計(jì)算得到的軌底坡對(duì)所考察的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的影響情況列于表3。(1)對(duì)于輪軌磨耗指標(biāo)而言,軌底坡增加較小時(shí),輪軌磨耗功有所降低,本計(jì)算中軌底坡由1/40增加到1/20時(shí),輪對(duì)磨耗功降低2%;軌底坡的增加對(duì)輪軌橫向力不但無明顯改善,反而略有增加;軌底坡增加幅度較小時(shí),可降低沖角,但降幅較小,本計(jì)算中軌底坡由1/40增加到1/30時(shí),沖角降低1%。當(dāng)軌底坡增加較大時(shí),雖然沖角會(huì)有較大降低,但輪對(duì)磨耗功及輪軌橫向力會(huì)急劇增大,計(jì)算中軌底坡由1/40增加到1/10后,沖角雖然降低9%,但輪對(duì)磨耗功增加了20%,輪對(duì)橫向力則增至原來的5倍,反而加劇了輪軌的磨耗。(2)適當(dāng)調(diào)整軌底坡對(duì)安全性和平穩(wěn)性指標(biāo)的影響甚微。適當(dāng)調(diào)整軌底坡可使輪對(duì)磨耗功及沖角有一定降低,進(jìn)而起到降低輪軌磨耗的作用,但效果不明顯,且對(duì)軌底坡的值應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制,否則軌底坡增加過大會(huì)使輪軌磨耗功及輪軌橫向力急劇增大,反而加劇輪軌的磨耗。2.4輪軌間摩擦系數(shù)對(duì)鋼軌進(jìn)行涂油是鐵路曲線上經(jīng)常采取的一項(xiàng)降低輪軌磨耗的措施。經(jīng)過涂油后的鋼軌可使輪軌間的摩擦系數(shù)有一定降低,進(jìn)而起到降低輪軌磨耗的作用。仿真計(jì)算得到的摩擦系數(shù)對(duì)所考察的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的影響情況列于表4。(1)對(duì)于輪軌磨耗而言,輪軌間摩擦系數(shù)的降低可使輪對(duì)磨耗功有較大減少,但沖角和輪軌橫向力會(huì)有較大增加,計(jì)算中摩擦系數(shù)由0.4降到0.1時(shí),輪對(duì)磨耗功降低了73%,輪軌橫向力和沖角則分別增大到原來的30.4倍和1.5倍。(2)對(duì)于安全性和平穩(wěn)性指標(biāo)而言,輪軌間摩擦系數(shù)對(duì)平穩(wěn)性指標(biāo)的影響很小;脫軌系數(shù)及輪重減載率隨摩擦系數(shù)的增加有一定增加,但增幅很小。由此可見,輪軌摩擦系數(shù)的降低能有效降低輪對(duì)磨耗功,這對(duì)降低輪軌磨耗很有利,但同時(shí)沖角及輪軌橫向力會(huì)有所增大,又會(huì)對(duì)降低輪軌磨耗不利。故而對(duì)輪軌摩擦系數(shù)的取值應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制,摩擦系數(shù)過低和過高對(duì)降低輪軌磨耗都不利,正如文獻(xiàn)中所指出的存在著對(duì)鋼軌進(jìn)行合理涂油的問題。3曲線超高和軌底坡、涂油對(duì)輪軌磨耗的影響(1)車輛通過曲線時(shí),速度控制在一定范圍內(nèi)可有效降低輪軌磨耗,以比線路條件決定的最高行車速度略低為宜。速度過高或過低均會(huì)增加輪軌磨耗,且車輛速度過高對(duì)行車安全和旅客舒適性不利。(2)在一定范圍內(nèi)調(diào)整曲線超高可有效降低輪軌磨耗,過低或過高均有可能增大輪軌磨耗。由于小半徑曲線上設(shè)置的超高一般偏大,適當(dāng)降低小半徑曲線上的超高對(duì)于降低輪軌磨耗是有利的。(3)適當(dāng)增大軌底坡可使輪軌磨耗有一定降低,但效果不明顯,且對(duì)軌底坡的調(diào)整應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制,否則軌底坡過大反而會(huì)加劇輪軌磨耗。(4)對(duì)鋼