王峻，侯茂锐，陈波



轮轨型面对重载货车曲线通过性能的影响

王峻1，侯茂锐2，陈波2

(1.陕西煤业化工集团神南红柠铁路，陕西 榆林 719300；2.中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081)

为了研究轮轨型面对重载货车曲线通过性能的影响，选择我国LM车轮踏面与75kg/m钢轨(简称CN75)、美国AAR-1B踏面与136RE(即68kg/m)钢轨、欧洲S1002踏面与UIC60钢轨，比较了这3组轮轨型面的几何形状和轮轨接触几何关系.基于Adams/Rail建立了C80BH货车的动力学模型，仿真计算了三种踏面在原配合状态时以及与我国75kg/m配合时C80BHBH货车的曲线通过性能，比较了轮轨横向力、脱轨系数和轮轨磨耗等参数.结果表明：AAR-1B踏面与CN75钢轨配合在半径400m小曲线上具有较好的曲线通过性能；LM踏面与CN75钢轨配合在半径800米曲线上的轮缘磨耗较小；曲线上，S1002踏面和CN75钢轨配合的轮轨横向力出现剧烈振荡.

重载货车；轮轨型面；轮轨关系；曲线通过；仿真计算

0 引言

近年来，世界范围内重载铁路得到不断的发展，特别是以美国、加拿大、澳大利亚、南非、巴西等国家为代表，其货车轴重不断增加，以25、30、32、35 t轴重为主，少量货车轴重甚至达到40t[1-2].然而轴重的增加、运行速度的提高以及万吨重载列车的开行，这些将导致轮轨关系变的不断复杂，车辆动力学性能不断恶化[3].而车轮踏面外形是轮轨系统的关键因素之一，它关系到车辆的动力学性能，选择合适的车轮踏面，可以改善车辆的动力学性能，减少制造和维修成本，提高稳定性，延长车辆使用寿命[4].

我国重载货车一般采用LM型车轮踏面和75kg/m钢轨，美国铁路以货运为主，并且轴重大于30 t的货车已占美国货车总量的65%，重载运输比较发达，美国重载货车一般采用AAR-1B型车轮踏面和136RE钢轨(即68 kg/m钢轨)[1-2].如果将美国AAR-1B踏面和欧洲S10002踏面直接与我国75 kg/m钢轨匹配，必然存在轮轨接触几何上的差异.不同的轮轨外形配合具有不同的轮轨接触几何关系和接触几何参数，这势必要影响整个车辆动力学性能和轮轨间的磨耗.基于此，本文以陕西红柠铁路公司红柳林站运煤敞车C80BH为例，利用Adams/Rail多体动力学软件，建立C80BH货车的动力学模型，分析研究踏面形状对重载货车曲线通过性能的影响.

1 轮轨关系的几何形状比较

1.1 车轮踏面外形和钢轨轨顶断面形状比较 良好的车轮踏面形状应该具有一定的脱轨安全性；尽量不发生蛇行运动，运行稳定性好；良好的曲线通过性能；耐磨性好，即便产生磨耗，其形状变化要小.图1(a)比较了LM、AAR-1B和S10002三种踏面的几何形状[5-7].

(1)LM车轮的外侧与基点区域通过一条半径220 mm的反圆弧和一条直线连接；S1002的外侧与基点区域通过两条直线连接；AAR-B的外侧与基点区域通过一条直线连接;

(2)各车轮与钢轨的接触点通常发生在踏面基点区域.LM和S1002踏面基点距离轮缘内侧70 mm，AAR-1B踏面基点距离轮缘内侧78 mm;

(3)AAR-1B踏面轮缘厚度为35 mm， S1002踏面轮缘厚度为32.5 mm，LM踏面轮缘厚度为32 mm;

(4)AAR-1B车轮的轮辋宽度为145 mm，比LM和S1002大10 mm.

(a)车轮踏面形状

(b)钢轨轨顶断面形状

我国铁路的钢轨轨型主要有50、60和75kg/m，缺少70 kg/m左右的断面.国外重载铁路大量使用68 kg/m断面的钢轨，且较为成熟.图1 (b) 重点比较了CN75、136RE和UIC60三种钢轨轨顶断面的几何形状.

(1)CN75、136RE和UIC60的轨顶均都5段圆弧曲线组成，分别如下：CN75轨顶中部圆弧半径最大为R500 mm，轨距角为R80 mm圆弧，半径R15 mm的圆弧将其与轨侧斜率1/20的线段连接；136RE的轨顶圆弧半径比较小，轨顶中部圆弧半径最小为R254 mm，轨距角圆弧半径R80mm，过渡段圆弧半径R14.3 mm；UIC60钢轨轨顶中部圆弧半径为R300 mm，轨距角圆弧半径与CN75相同，为R80 mm，过渡段圆弧半径为R13 mm.

(2)CN75高192 mm，136RE高186 mm ，UIC60高172 mm.

1.2 基本参数

轮轨配合的基本参数如表1.

表1 轮轨配合的基本参数

2 几何接触参数比较

采用自编的轮轨接触几何程序计算不同轮轨匹配的滚动圆半径差和接触角差，结果分别如图2、 图3所示， 该程序主要采用简化方法计算滚动圆半径差[8].由图可知，S1002/UIC60在5 mm左右进入轮缘接触状态， AAR-1B/136RE在7 mm左右进入轮缘接触状态，在进入轮缘接触状态之前，滚动圆半径差和接触角差增加缓慢，之后迅速增大；LM/CN75可以分为3个阶段，在横移0 ～ 4mm过程中滚动圆半径差缓慢上升，4 ～ 9 mm过程中上升幅度增加，9mm之后急剧增大.

图2 原轮轨配合状态下的滚动圆半径差和接触角差比较

图3 三种踏面分别与中国75kg/m钢轨配合时的滚动圆半径差和接触角差比较

由图3可知，三种踏面与我国CN75 kg/m匹配时存在明显差异.当轮对横移量小于1.5 mm时，滚动圆半径差都很小，LM踏面的滚动圆半径差最大，其次是AAR-1B踏面，S1002踏面最小；横移量大于1.5 mm时，AAR-1B踏面的滚动圆半径差最大，其次是LM踏面，S1002还是最小.AAR-1B踏面在横移量达到5 mm时就进入轮缘接触状态，滚动圆半径差急剧增大.轮对横移在1.5～5 mm之间时，AAR-1B的等效锥度远远大于LM和S1002的等效锥度，这时LM和S1002的滚动圆半径差指标优于AAR-1B.S1002踏面的滚动圆半径差随轮对横移的变化非常小，即使在横移量达到8 mm左右进入轮缘接触状态时滚动圆半径差也没有急剧增大，这不是踏面设计所希望的，将会对曲线通过性能产生不利影响.轮轨匹配的明显差异，必将导致车辆动力学性能存在较大差异.

利用Adams软件计算轮轨匹配的等效锥度，如图4所示，该软件采用线性谐波波计算等效锥度，同时采用准弹性法修正轮轨接触位置[9]，因此曲线比较光滑.由图4 可知，轮对横移量小于4 mm时，等效锥度关系如下：λAAR-1B/CN75>λS1002/UIC60>λLM/CN75>λAAR-1B>λS1002/CN75；轮对横移量大于4mm时，等效锥度关系如下：λAAR-1B/CN75>λAAR-1B/136RE>λS1002/UIC60>λLM/CN75>λS1002/CN75.AAR-1B踏面与CN75钢轨配合的等效锥度异常的大，这是由于轮对内侧距增大了6mm，且AAR-1B踏面的轮缘厚度较大，因此轮轨间隙很小， 使得等效锥度非常大. S1002踏面与CN75钢轨配合，等效锥度减小，因为轮对内侧距由1 360 mm减小到1 353 mm，使得轮轨间隙增大，因此等效锥度变小.

图4 等效锥度比较

3 C80BH货车动力学模型

C80BH货车采用K5行转向架，转K5型转向架是株洲车辆厂与美国原ABC-NACO公司联合设计的25 t轴重摆动式转向架，主要结构包括轮对和轴承装置、摇枕组成、侧架组成、弹簧托板组成、弹性悬挂系统及减振装置、基础制动装置、常接触式弹性旁承等组成.

C80BH的主要设计参数：车辆最高运行速度为120 km/h；转向架自重为≤4.7 t；车辆定距为8.2 m;车轮踏面形状为LM磨耗型踏面；转向架固定轴距为1.8 m；轮径为840 mm；轴重为25 t；轨距1 435 mm；车辆自重为19.6 t；空车垂向刚度为3 682 N/mm；车辆长度为12 m；重车垂向刚度为10 727 N/mm..基于ADAMS/Rail建立C80BH整车轮轨模型如图5所示.该模型包括1个车体，2个摇枕，4个侧架和4个轮对，共11个刚体.车体和摇枕均考虑6个自由度；侧架考虑5个自由度；轮对考虑4个自由度.模型考虑了一系悬挂轴箱承载鞍与侧架导向框、二系悬挂摇枕弹簧以及摩擦楔块减振器非线性特性[10].

图5 C80BH整车轮轨模型

4 踏面形状对车辆曲线通过性能的影响

4.1 踏面形状对曲线通过性能的影响曲线通过性能评价指标

5组轮轨匹配的仿真计算方案如表2所示.

表2 仿真计算方案

在进行曲线通过计算时，根据不同的曲线半径设置了不同的超高和缓和曲线，曲线线路由50 m直线+ 50 m缓和曲线+ 长120 m圆曲线+ 50 m缓和曲线+ 50 m直线，具体线路条件如表3所示.

表3 曲线通过线路设置

仿真计算了车辆通过曲线时的轮轨横向力、脱轨系数及轮轨磨耗等指标，结果如图6所示，本文中对轮轨磨耗采用磨耗指数和磨耗功两种评价方式同时进行评价.

图6 踏面形状对曲线通过性能的影响

轮轨磨耗指数W=Q·α，其中Q表示轮轨横向力,kN，α表示冲角(°).

轮轨磨耗功W1=Txvx+Tyvy，其中Tx,Ty分别为轮轨接触斑处的纵向和横向蠕滑力；vx,vy分别为轮轨接触斑处的纵向和横向蠕滑率.

磨耗指数形式简单、应用方便，反映了侧磨量与轮缘摩擦功成正比这一规律，在一定程度主要用于轮缘磨耗的评价.磨耗功表示轮轨接触斑处消耗的摩擦功，包括了车辆蠕滑率特别是冲角的影响，在小半径曲线上，由于接触点靠近轮缘根部或发生两点接触，产生较大的蠕滑或滑动，轮缘处的摩擦功比只在踏面接触时摩擦功大的多.

由图6(a)、6(b)、6(d)可以看出，随着曲线半径的增大，轮轨横向力、脱轨系数和磨耗指数明显减小，动力学性能提高.在同一曲线半径下，LM/CN75匹配的轮轨横向力、脱轨系数、磨耗指数最小.与原匹配状态相比较，S1002/CN75匹配的轮轨横向力、脱轨系数、磨耗指数均得到改善.曲线半径小于600 m时，AAR-1B/CN75匹配的轮轨横向力、脱轨系数、磨耗指数相对较小，曲线半径大于600 m后，AAR-1B/CN75的轮轨横向力较大，使其具有较大的脱轨系数、磨耗指数.

由图6(c)看出，曲线半径为400 m时，AAR-1B/CN75与LM/CN75的磨耗指数最小，曲线半径增大后，AAR-1B/CN75的磨耗指数大于LM/CN75，其它3组轮轨匹配的磨耗指数大小相差不大.由图6(d)看出，LM踏面的磨耗功最大，S1002踏面次之，AAR-1B踏面最小.

由此可知，由于LM/CN75的轮轨横向力最小，致使其磨耗指数最小；而LM/CN75的磨耗功最大，说明LM/CN75在曲线线路上发生轮缘接触或二点接触，具有非常大的纵向蠕滑率和横向蠕滑率.原配合AAR-1B/136RE的轮轨横向力较大，致使脱轨系数和磨耗指数较大，但是磨耗功较小，说明AAR-1B踏面接触斑处的蠕滑率和蠕滑率较小.AAR-1B/CN75的磨耗指数略小于LM/CN75，而AAR-1B/CN75在半径600 m、半径800m曲线上的轮轨横向力较大，说明其在曲线上的冲角较小；另一方面，AAR-1B/CN75的磨耗功最小，主要是由于其等效锥度较大，在曲线上具有良好的自导向性能，且轮轨游间很小，轮轨接触主要在踏面中部接触，相对于其它几组发生轮缘根部接触的轮轨匹配，具有较小的蠕滑率.可见，由于磨耗指数不能考虑轮轨接触点具体位置对磨耗的影响，因而不能全面准确的评价轮轨廓形对磨耗的影响.综合可知，半径小于600 m的小曲线上，AAR-1B/CN75具有较小的轮轨横向力，接触点集中在踏面中部，轮轨磨耗最小，具有优良的曲线通过性能.

4.2 曲线通过时的轮对动力学参数

图7、图8分别为5组轮轨匹配组合时车辆通过曲线时前导轮对横移和前导轮对外侧车轮的轮轨横向力.

图7 轮对横移

图8 轮轨横向力

由图7可知，5组轮轨匹配时轮对进入缓和曲线和曲线时轮对横移曲线平滑，而由由缓和曲线进入直线时均有振荡现象.进入圆曲线后LM/CN75的横移量约为9.8 mm，AAR-1B/136RE的横移量约为4.8 mm，S1002/UIC60的横移量约为6.3 mm，AAR-1B/CN75的横移量约为0.9 mm，S1002/CN75的横移量约为10.4 mm.由于AAR-1B踏面与CN75钢轨匹配时的滚动圆半径差很大，因此通过曲线时轮对的横移量非常小.

由图8知，从直线进入曲线将使轮轨横向力显著增大.LM踏面与CN75钢轨匹配的轮轨横向力在直线段上比较大，在圆曲线上是5组中最小；AAR-1B/136RE、S1002/UIC60的轮轨横向力在直线段上比较小，在曲线上较大.AAR-1B踏面与CN75钢轨匹配对曲线半径变化不敏感，直线和曲线上的轮轨横向力相差很小，且伴随振幅不太大振荡.S1002踏面与CN75钢轨匹配时的轮轨横向力在曲线段上振荡比较明显，这是由于在曲线上轮对横移量为10.5 mm左右，这时接触点正在S1002型面的R100圆弧与R13圆弧过渡区间，钢轨恰好处于R80与R15过渡圆弧区间，曲率半径的不连续变化导致轮轨接触点跳跃，并产生冲击作用.

5 结论

(1)传统的磨耗指数虽然可以在一定程度上反映侧磨量与轮缘摩擦功成正比这一规律，但是由于不考虑轮轨接触点具体位置对磨耗的影响，因而不能全面准确的评价轮轨廓形对磨耗的影响;

(2)在曲线线路上，LM踏面与CN75钢轨配合的轮轨横向力很小，但是由于等效锥度较小，且轮轨游间较大，促使轮对横移量较大，轮缘根部发生接触，轮轨蠕滑力和蠕滑率迅速增大，接触斑处的磨耗功增大，使得轮轨磨耗加剧;

(3)半径小于600 m的曲线上，AAR-1B踏面与CN75钢轨配合具有较小的轮轨横向力，接触点集中在踏面中部，轮轨磨耗最小，具有优良的曲线通过性能.但是，AAR-1B踏面是否可以很好的与我国CN75钢轨匹配，还需对其稳定性、平稳性进行研究;

(4)S1002踏面和CN75钢轨配合的曲线通过性能较差，由于等效锥度小，通过曲线时轮对横移量很大，横向力伴随振荡，导致横向蠕滑率/力变化较大，这与接触点不连续以及钢轨轨顶曲率突变有关.

[1]钱立新. 世界重载铁路运输技术的最新进展[J]. 机车电传动，2010(1): 3-7.

[2]李宏. 国外重载铁路综述[J]. 铁道工程学报，2000(4): 32-34.

[3]张宝庆，周国东. 重载货车车轮踏面垂直磨耗原因分析及改进[J]. 铁道机车车辆，2008(3): 70-72.

[4]崔大兵，李立，金学松. 重载货车车轮踏面优化研究[J]. 铁道学报，2011(5): 31-37.

[5]中华人民共和国铁道部. TB/T 449-2003机车车辆车轮踏面外形[S]. 北京: 中华铁道出版社，2003.

[6]European Committee fot Standardization. EN13715-2010 Railway applications-Wheels-Tread profile [S]. Brussels: European Committee fot Standardization,2009.

[7]Association of America Railroads. AAR M-107/M-208-2009 Wheels, carbon steel [S]. Washington: Association of America Railroads, 2009.

[8] 陈波. 轮轨几何关系对高速客车稳定性影响的研究[D]. 北京：中国铁道科学研究院，2008.

[9] 王成国 . ADAMS/Rail基础教程 [M] . 北京：科学出版社，2005.

[10]王成国，周清跃.大秦线重载列车基础理论研究-轮轨关系研究[R]. 北京：中国铁道科学研究院，2009.

[11]国际重载协会. 国际重载铁路最佳应用指南 [M] . 北京：中国铁道出版社，2009.

Investigation of Wheel Profile Effect on Curving Performance of Heavy Haul Freight

WANG Jun1, HOU Maorui2, CHEN Bo2

(1. Shanxi Coal Chemical Industry Group Mineral Company Red lemon God South Railway，Yulin 719300，China；2.Railway Science and Technology Research and Developmont Center, China Academy of Railway Science, Beijing 100081, China)

Three sets of wheel/rail profile are chosen, suchas Chinese wheel profile LM and track 75 kg/m (CN75), American wheel profile AAR-1B and track profile 136RE(68 kg/m) , and European standard wheel profile S1002 and track profile UIC60, to compare their profiles and interaction of geometric contact. The curving performance of C80BH freight cars, such as the parameters of lateral wheel-rail force, derailment coefficient and wheel-rail wear, is simulated when the three wheel profiles match their corresponding track profiles and Chinese 75 kg/m rail. Results show that, on the curve of radius 400 meters, the curving performance of AAR-1B matching CN75 is well. On the curve of radius 800 meters, the wheel flange wear of LM matching CN75 is less. The lateral wheel-rail force of S1002 matching CN75 has strenuous oscillation.

heavy haul freight cars; wheel/rail profiles; wheel/rail relationship; curving performance; numerical simulation

1673- 9590(2016)02- 0022- 06

2015-06-21

王峻(1983-)，男，工程师，学士，主要从事重载铁路运输的研究E- mail:93639814@qq.com.

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