《扁疤条件下CRH2动车组的轮轨冲击载荷分析》
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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）等于d/2[1-cos（2πx/L）] d等于L2/16R （1）
其中x为扁疤上某一点位置,0<x<L.f（x）为扁疤对应深度,d為扁疤最大深度,L为扁疤长度,R为车轮半径.并比较了不同扁疤长度下轮轨冲击载荷变化情况.
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.
本文考虑车轮材料弹塑性,建立刚柔耦合车辆-轨道动力学模型,采用改变扁疤处车轮半径大小的方式模拟不同扁疤损伤,分析车轮扁疤相关的车辆动力学问题,对做好CRH2型动车组及高速列车车轮的运用和管理,具有重要的意义.
1 车辆-扁疤模型建立
参照CRH2型高速动车组结构及动力学参数,利用ANSYS有限元软件及SIMPACK软件进行刚柔耦合车辆-轨道系统动力学建模.
1.1 车辆动力学模型
在SIMPACK中建立CRH2车辆-轨道动力学模型.车辆模型中,除轮对外均为刚体.其中轮对、转向架构架及车体有六个自由度.考虑到CRH2型动车组采用转臂定位方式,建立轴箱模型时,轴箱保留绕车轴旋转自由度.一系二系悬挂均用无质量弹簧阻尼力元代替,车轮踏面选择LMA型踏面,轨面选择60kg/m标准轨.在SIMPACK中建立CRH2车辆-轨道动力学模型,如图1所示.轨道不平顺选用修正后的德国高速轨道谱[13].
1.2 柔性轮对及扁疤的建立
轮对采用CRH2高速列车轮对模型,三维软件建模过程中保证原点位置及各轴方向与动力学中重合,保证导入模型后位置的正确.将对轮轨作用结果影响较小的幅板孔部分简化,导入ANSYS软件中进行网格划分,结果如图2所示.轮对材料考虑材料的弹塑性,材料性能见图3所示.为便于提升计算速度,对有限元模型进行主自由度缩减生成子模型.主节点沿着圆周方向选取.对车轮沿圆周方向划分3个截面,车轴对称划分8个截面,选取截面圆周方向上节点为主节点.
为了便于灵活改变扁疤长度,采用变轮径法来描述扁疤,其中扁疤的数学描述方式参考公式（1）,通过插值拟合扁疤轮廓.在动力学软件中输入不同扁疤位置对应的损伤深度.
2 扁疤长度-轮轨冲击力关系
2.1 直线工况下扁疤冲击情况
2.1.1 扁疤对轮轨垂向力的影响
扁疤引起轮轨冲击主要对轮轨垂向力产生影响.在存在轨道不平顺的直线线路上,考虑轮对塑性的情况下,分别以不同的速度模拟存在不同长度扁疤的车辆轮轨垂向冲击力变化.图4、图5给出了轮轨垂向冲击力随扁疤长度及速度变化情况.
从图中可知,随着扁疤长度及速度的增加,扁疤引起的轮轨冲击力整体呈上升趋势.根据《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》中轮轨力规定轮轨垂向力应不大于170kN[14].由模拟结果可知当L?20mm,最大垂向载荷低于170kN,车辆在规则限度内运行;但当L>20mm、车速超过100km/h,都面临规则范围外的运营管理问题,需要研究限速策略.
2.1.2 扁疤对轮轨横向力的影响
现有文章主要针对扁疤对轮轨垂向力的影响进行研究,而对轮轨横向力研究较少.现有规范中未对轮轨横向力进行直接规定,但给出了横向力限定计算公式,《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》中横向力限定如公式（3）所示,其中H为轮轴横向力,P0为轴重[14].
H?0.85（10+P0/3）（3）
《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB 5599-1985）中规定横向力一级限度如式（4）,二级限度如式（5）所示.其中Pst为车轮静载荷[14].
Q?1.9+0.st（4）
Q?2.9+0.st （5）
现有规定并未对轮轨横向力给出明确统一规定,参考95J01-L及GB 5599-1985规范的建议,CRH2型动车组的轮轨横向力限值Qlim可取24kN.
在存在轨道不平顺的直线线路上,考虑轮对弹塑性情况下,分别以不同速度模擬不同扁疤长度下轮轨横向冲击力变化.图6、图7为轮轨最大横向力随速度及扁疤长度变化情况.由图可知,随着扁疤长度及速度的增加,扁疤引起的轮轨横向冲击力整体呈上升趋势.扁疤长度为20mm时,轮轨横向力在不同速度级均未超过限制.其余长度扁疤,随着速度增加,轮轨横向力均有不同程度超限.
2.2 曲线工况下扁疤冲击情况
曲线情况下,由于离心力作用,轮轨力比直道情况下更为复杂.因此对曲线工况下轮轨力随扁疤及速度变化情况进行模拟是十分有必要的.曲线线路条件参照表1.
将存在不同长度扁疤的车辆动力学模型以350km/h的速度在上述曲线区段运行.各轮轨力最大值计算结果如表2所示,由表中数据可知,在曲线半径7000m情况下,轮轨垂向力、横向力相比于直线线路均没有较大变化;当曲线半径为5500m时,轮轨横向力相比于直线线路没有较大变化,轮轨垂向力在扁疤长度为20mm和75mm时相比于直线工况及7000m半径曲线工况时有所增加.
由以上分析可知,相同扁疤长度下,车辆通过5500m半径曲线时比7000m半径及直线线路危险,因此在进行扁疤长度较大情况下的限速管理分析时,应在5500m半径曲线工况线路条件下进行不同长度和速度的扁疤冲击模拟.将不同速度下不同扁疤引起的最大轮轨垂向力计算结果绘制成图8,其中横轴为扁疤长度,纵轴为速度,不同的颜色表示轮轨垂向力大小.由图中可看出轮轨垂向力呈现规律性分布,轮轨垂向力随着扁疤长度及速度增加而上升.图8可用于存在扁疤的车辆的限速管理.以轮轨垂向力为判定标准,当扁疤长度?20mm时无需限速;当扁疤长度达到25mm时,车辆运行速度建议降至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45mm时,降速至50～60km/h回站旋修.
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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动车组和crh2引用文献:
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[2] 动车组论文范文 动车组类在职研究生论文范文2万字
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