CRH380A高速动车组轮对踏面磨耗的动力学仿真分析

CRH380A高速动车组轮对踏面磨耗的动力学仿真分析

作者：张旭

来源：《工业技术创新》2017年第03期

摘 要：对CRH380A高速动车组中的轮对踏面磨耗问题开展了动力学仿真分析。基于轮轨接触机理，结合轮对踏面磨耗数据统计，分析动力学影响因素，从垂向稳定性、横向稳定性、轮轴横向力和脱轨系数等因素开展研究，并综合现场报警数据加以讨论。理论与实践联合表明：运行平稳性指标和曲线通过性能指标符合标准；随着运行速度的提高，动力学性能逐渐降低；垂向稳定性、横向稳定性、轮轴横向力等指标趋势相近；动车组运行距离为10万km左右时，动力学性能处于较低水平。随车机械师应加强各项指标的动态监控，随时掌握动车组运行状态；一级修地面检修人员应加强动车组轮对踏面的检查，密切留意踏面表面擦伤、剥离等问题；鉴于二级修作业的滞后性，应在运行9万km时增加一次细致的轮对表面检查和人工尺寸测量。

关键词：高速动车组；轮对踏面磨耗；动力学仿真；脱轨系数

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2017） 03-082-04 工业技术创新 URL： http： //www.china-iti.com DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.03.022 引言

列车的稳定运行事关乘客的生命、财产安全。列车的运行、牵引和制动都要依靠轮轨的滚动接触作用来实现，因此轮轨之间作用品质的好坏会直接影响列车的运行品质、安全和运输成本。踏面磨耗会直接改变踏面几何外形，导致轮轨接触几何关系发生变化[1-9]，所以应充分研究轮对踏面磨耗对动车组动力学性能的影响。

本论文以某动车所CRH380A型动车组为研究对象，采集现场运用的动车组踏面磨耗数据，应用多体动力学软件Universal Mechanism（UM）建立高速车辆动力学模型，得出踏面磨耗对动车组车辆系统动力学性能的具体影响，再通过现场数据实证检验，为高速动车组地面检修、安全运行和提速奠定基础，以指导高速铁路相关设计。 1 问题背景 1.1 轮轨接触

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随着高速铁路速度目标值不断提高，轮轨接触机理愈显复杂，轮轨相互作用愈趋加强。轮轨接触中任何细微的变化都会产生较大的动态响应。车轮踏面磨耗导致轮对踏面外形几何尺寸的改变，从而导致轮轨接触几何关系的改变，直接影响到高速列车的动力学性能。

现场提取踏面检测系统中CRH380A-25X1列动车组1车1位轮对踏面磨耗情况，如图1所示。

其中右侧曲线为镟修后踏面形状，左侧曲线为磨耗后的踏面形状。 1.2 轮对踏面磨耗数据统计分析

查阅分析某动车组运用所10组CRH380A型动车组最近轮对镟修记录，发现编组CRH380A-25X1在2016年4月9日镟轮时（运行公里数为219 600 km），相比其他编组的轮对踏面磨耗更为严重。

追溯分析CRH380A-25X1动车组2015年11月至2016年4月行驶期间平均同轴轮缘厚度差和平均踏面磨耗情况，统计结果如表1。平均踏面磨耗与运行里程正相关，即随着运行里程的增加，踏面磨耗不断积累：

（1）在运行0～5万km期间，踏面磨耗缓慢增加，平均磨耗率约为0.4 mm每10万km；

（2）在运行5～10万km期间，踏面磨耗迅速增加，平均磨耗率约为1.8 mm每10万km，是0～5万km期间的4.5倍；

（3）在运行10～15万km期间，踏面磨耗速率非常低，平均磨耗率约为0.12 mm每10万km；

（4）在运行15～20万km期间，平均磨耗率约为0.5 mm每10万km。 1.3 轮对踏面磨耗的动力学影响

列车在轨道上运行时，车轮踏面与钢轨顶面的接触点是车轮转动的瞬时转动中心。车轮绕瞬时转动中心转动，轮缘与钢轨侧面之间在接触点处将会出现相对滑动，不可避免地造成车轮踏面的磨耗。

另外，车轮踏面具有曲线通过性、自动对中性、抗蛇行运动稳定性，决定了车轮踏面在列车的运行过程中会不断产生磨耗，致使车轮踏面的形状不断改变，进而改变轮轨与踏面的接触关系，从而影响列车的动力学性能。

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2 多体动力学仿真

Universal Mechanism（UM）是多体系统动力学仿真分析软件，可以模拟任意复杂的平面和空间系统，广泛应用于轨道车辆、轮式车辆、履带车辆、铁路桥梁和工程机械等行业，帮助解决各种机构动力学问题。UM软件可以在动力学仿真计算的同时显示动画和绘制曲线，实时观测系统中每个物体的位移、速度、加速度、作用力与反作用力等动力学性能参数。 2.1 模型建立

以380A型为基础建立高速车辆动力学模型，应用建立包含车辆基本结构——车体、构架和轮对，及其约束关系和运动学关系的列车系统动力学模型。多体动力学建模型化原则如下： （1）忽略影响程度较小的因素； （2）忽略轨道振动；

（3）根据不同研究目的选择合适的自由度； （4）线性化与非线性化处理； （5）集中质量化与弹性化处理； （6）部件与弹簧装置系统模型化方法； （7）车辆系统各主要部件质量处理； （8）悬挂系统质量处理。

同时，根据高速动车组（CRH380A）动车组参数建立车辆结构拓扑图用于仿真计算分析，如图2。 2.2 仿真结果

通过仿真计算，垂向加速度稳定性指标和公里数（踏面磨耗）的关系如图3所示。 横向加速度稳定性指标和公里数（踏面磨耗）的关系如图4所示。 轮轴横向力和公里数（踏面磨耗）的关系如图5所示。 脱轨系数与公里数（踏面磨耗）的关系如图6所示。

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3 讨论

对于CRH380A型动车组，在不同轮对踏面磨耗程度条件下，UM仿真计算结果表明： （1）在运行速度达到300 km/h、350 km/h和385 km/h时，运行平稳性指标和曲线通过性能指标均符合标准；

（2）随着运行速度的提高，高速动车组的动力学性能逐渐降低，这是毋庸置疑的； （3）在运行平稳性指标中，垂向和横向稳定性指标趋势相近，轮轴横向力趋势也相近； （4）大部分动力学性能指标在动车组运行到10万km左右时达到一个峰值，动车组动力学性能也相应处于较差水平。

在1个镟修周期内，对踏面检测系统中轮对踏面表面擦伤、剥离或轮径差超限报警实测数据按照公里数统计，查看报警发生的分布情况，如图7所示。

通过现场（轮对踏面检测系统）轮对踏面磨耗数据和表面擦伤、剥离或轮径差超限报警数据统计分析表明：

在动车组1个轮对镟修周期内，在运行到10万km左右（8万km～12万km区间）时，动车组轮对踏面表面擦伤、剥离或轮径差超限报警集中出现。 理论数据和现场实际数据分析联合表明：

动车组运行到10万km左右（8万km～12万km区间）时，轮轨接触应力较大，动车组轮对踏面、轮缘表面状态较差，轮轨接触关系较为复杂，动车组动力学性能也因此变差。随车机械师在动车组运行途中尤其要加强各项性能指标的动态监控，随时掌握动车组运行状态；一级修地面检修人员（车下检修作业人员）尤其要加强对动车组轮对踏面检查，密切留意轮对踏面表面擦伤、剥离等问题；现行的二级修作业指导书是每隔6万km对轮对细致表面检查和尺寸人工测量，而轮对踏面表面擦伤、剥离或轮径差超限报警集中出现在运行到10万km左右时，二级修作业具有相对超前和滞后性，建议在9万km时增加一次轮对细致表面检查和尺寸人工测量（轮对尺寸人工测量二级修作业）。 4 结束语

本文充分利用数据分析的方法解决了现场实际问题。在新线开通、联调联试运行等关键时期，新线路运行时的轮轨接触条件相对复杂，出现问题的概率变大。通过数据分析方法寻找规律，设计优化交路、车底等，可达到保证安全和节约成本目的。

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下一步，应充分发掘利用动车所轮对检测数据库资源，进一步通过大数据统计分析等方式，从轮轨接触的角度开展动车组动力学理论研究，继续指导动车组现场检修、安全运行和提速等，促进高速铁路相关设计的长足发展。 参考文献

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