道岔辙叉区磨耗车轮动力学分析及摩擦因数影响_林凤涛.pdf

第 20 卷 第 4 期2023 年 4 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 4April 2023道岔辙叉区磨耗车轮动力学分析及摩擦因数影响林凤涛1,2，翁涛涛2，杨洋2，张子豪2，贾喆2，陈武2，方琴2，杨建3(1.华东交通大学 轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室，江西 南昌 330013；2.华东交通大学 载运工具与装备教育部重点实验室，江西 南昌 330013；3.安徽辉瑞轨道智能设备有限公司，安徽 合肥 230011)摘要：研究磨耗车轮通过道岔辙叉区的轮轨相互作用特性及控制摩擦因数减缓轮轨磨耗的措施，以CRH2型动车组和18号高速道岔辙叉区为研究对象，基于迹线法原理，计算不同运行里程的磨耗车轮与辙叉区钢轨特征截面的接触点分布。采用UM建立车辆-道岔耦合动力学模型，结合非椭圆多点接触Kik-Piotrowski的轮轨接触算法，计算不同摩擦因数下磨耗车轮通过辙叉区的轮轨动力学变化特性及轮轨磨耗特性。研究结果表明：随着车轮磨耗加剧，岔区轮轨匹配趋向不良，接触点跳跃更为复杂、剧烈，跳跃宽度增大；车轮磨耗初期，轮轨动力学特性有所改善，车轮磨耗对横向力的影响较大；相对于标准新轮，运行里程为20.3万km的磨耗车轮通过辙叉区的轮载过渡位置延后0.134 m；减小轮轨摩擦因数会降低列车通过辙叉区的安全性和平稳性，但有利于减缓轮轨磨耗；当车轮运行里程达到20.3万km时，摩擦因数由0.55分别降低至0.45，0.35，0.25和0.15，钢轨磨耗指数分别下降6.3%，15.5%，34.0%和49.8%，钢轨润滑有利于减缓辙叉区钢轨磨耗，提高道岔区钢轨的使用寿命。关键词：道岔辙叉区；磨耗车轮；轮轨动力学；摩擦因数中图分类号：U270.1 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）04-1316-10Dynamic analysis of wear wheel in turnout frog area and influence of friction coefficientLIN Fengtao1,2,WENG Taotao2,YANG Yang2,ZHANG Zihao2,JIA Zhe2,CHEN Wu2,FANG Qin2,YANG Jian3(1.State Key Laboratory of Performance Monitoring Protecting of Rail Transit Infrastructure,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China;2.Key Laboratory of Conveyance and Equipment of Ministry of Education,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China;3.Anhui Huirui Railway Smart Equipment Co.,Ltd.,Hefei 230011,China)Abstract:This paper studied the wheel-rail interaction characteristics of the worn wheel passing through the frog area of turnout and the measures to reduce wheel-rail wear by controlling the friction coefficient.The CRH2 high-收稿日期：2022-04-25基金项目：国家自然科学基金资助项目(52065021，51865009)；江西省主要学科与技术领军人才培养计划项目(20213BCJL22040)；江西省重点研发计划科技项目(20212BBE53024)；江西省研究生创新专项资金项目(YC2021-S423)通信作者：林凤涛(1977)，男，内蒙古赤峰人，教授，博士，从事轮轨关系研究；Email：menggu_DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220824第 4 期林凤涛，等：道岔辙叉区磨耗车轮动力学分析及摩擦因数影响speed train and the No.18 turnout frog area were selected as research objects.Based on the wheel-rail contact traces principle method,the contact point distribution between the worn wheel with different operating mileage and the rail characteristic section in the turnout area was calculated.The vehicle-turnout coupling dynamic model was established in UM.In combination with the wheel-rail contact algorithm of non-elliptical multi-point contact Kik-Piotrowski,the wheel-rail dynamic variation characteristics and wheel-rail wear characteristics of worn wheels passing through the frog area under different friction coefficients were calculated.The results show that the wheel-rail matching tends to be poor with the increase of wheel wear,the uniformity of contact distribution deteriorates,and the jump width of contact point increases.In the early stage of wheel wear,the wheel-rail dynamic characteristics are improved,and the wheel wear has a great influence on the lateral force.Compared with the standard wheel,the wheel load transition position of the wear wheel running mileage of 203 000 km through the frog area is delayed by 0.134 m.Reducing the wheel-rail friction coefficient compromises the safety and stability of trains passing through the frog area,but it is conducive to reducing wheel-rail wear.When the wheel mileage reached 203 000 km,the friction coefficient decreased from 0.55 to 0.45,0.35,0.25 and 0.15,and the rail wear index decreased 6.3%,15.5%,34.0%and 49.8%,respectively.Rail lubrication is beneficial to slow down the rail wear in the turnout area and improve the service life of the rail in the turnout area.Key words:turnout frog area;wear wheel;wheel-rail dynamics;friction coefficient 列车服役过程中，车轮始终处于不断磨耗的过程，车轮磨耗会对岔区轮轨接触、车辆动力学特性和轮轨磨耗产生影响，威胁行车安全性与平稳性，加剧轮岔磨耗。WIEST等1比较了赫兹法、非赫兹法轮轨滚动接触模型、弹性有限元接触模型和弹塑性有限元接触模型计算道岔区轮轨接触的差异。SUGIYAMA等2通过 NUCARS软件的功能，提出一种更精确分析道岔区轮轨接触特性的模型。王平等3利用轮轨接触有限元模型，研究了磨耗车轮对道岔区轮轨接触几何关系、轮轨接触应力和接触斑的影响规律。钱瑶等4利用法向切割模型和Matlab软件研究了车轮型面演变对道岔区轮轨接触几何关系的影响。李浩等5通过建立动力学模型，分析了动车组侧向通过9号道岔的行车安全性及轮轨磨耗情况，并提出改善动车组侧向通过道岔的安全性及轮轨磨耗的措施。孙宇等6基于改进的Kik-Piotrowski 方法提出一种考虑轮对轮轨多点接触和摇头的非Hertz接触模型，结合车辆-轨道耦合动力学理论，研究了车轮踏面凹磨对轮轨动态相互作用行为的影响。LAGOS等7利用动力学软件建立 4 种车轮型面和 2 种型号道岔的模型，分析道岔参数及车轮型面对轮岔动态作用的影响。林凤涛等8基于NURBS曲线理论建立辙叉区钢轨廓形重构方法，优化设计18号道岔辙叉区钢轨打磨廓形，降低了岔区轮轨表面滚动疲劳因子，延长了辙叉区钢轨的使用寿命。杨飞等9深入研究了道岔区钢轨磨耗规律和磨耗对列车过岔动力学性能的影响规律，并提出对应的治理方法。王平等10研究了不同轮轨摩擦因数匹配下，车辆通过转辙器部分的系统动力学响应和轮轨磨耗特性，提出了合理的轮轨摩擦控制方案。侯茂锐等11通过建立动车组的动力学仿真模型，研究了曲线半径、轨距加宽和轮轨摩擦因数对钢轨磨耗的影响。上述研究主要基于无磨耗车轮型面或特定磨耗状态的轮轨型面，较少涉及因车轮磨耗和轮轨摩擦因数改变对辙叉区轮轨相互作用和轮轨磨耗影响的研究。本文采用动力学软件 Universal Mechanism建立车辆-道岔耦合动力学模型，结合非椭圆多点接触Kik-Piotrowski轮轨接触算法，分析不同运行里程车轮、不同摩擦因数下磨耗车轮通过辙叉区的轮轨动力学变化特性及轮轨磨耗影响。1 车轮型面磨耗特征与道岔辙叉区廓形拟合1.1车轮型面磨耗特征对某CRH2型高速列车车轮LMA型面进行跟踪测量，获取运行5.2 万km20.3 万km的车轮型1317铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月面，图1给出了该列车不同运行里程的车轮型面及磨耗量。由图可知：随着列车运行里程的增加，车轮磨耗量不断增大导致车轮型面发生明显变化。该高速列车车轮磨耗主要集中在车轮踏面横坐标3035 mm 范围的中部位置，轮缘部分磨耗较少。随着列车运行里程的不断增加，车轮踏面磨耗量持续增大；当运行里程达到20.3万km时，车轮踏面的磨耗深度达到1.7 mm左右。1.2道岔辙叉区钢轨廓形离散与拟合提取 18号道岔辙叉区心轨顶宽 1.63，20，40和50 mm特征断面廓形，获得各廓形的离散点坐标，利用样条函数拟合得到翼轨和心轨特征断面的组合廓形。表1为18号道岔辙叉区特征断面位置及心轨降低值，图2为特征断面组合的拟合廓形图，并分别命名为1，2，3和4 号断面。2 磨耗车轮与道岔匹配特性分析轮轨接触关系是研究轮轨相互作用、车辆动力学和轮轨磨耗的基础。基于经典迹线法12基本原理，分别计算各车轮型面与道岔辙叉区1，2，3