火车轮轨参数对车轮踏面的关系

       随着高速铁路的发展，高速列车动力学问题日益突出。火车轮锻件踏面外形是影响高速列车动力学性能的重要因素，国内CRH系列高速列车分别采用了LMA、XP55和S1002CN等踏面。从线路运营情况和试验台试验结果来看，这些踏面基本上满足动力学要求。不同的踏面外形和轮轨参数会影响轮轨接触几何关系。其中等效锥度是影响车辆系统动力学性能的重要因素，接触点的分布、接触应力和接触角是影响火车轮磨耗的重要因素，不同火车轮锻件踏面的磨耗分布和磨耗程度也就存在差异。如何选择更加合适的火车轮踏面外形和轮对的主要几何参数,是目前高速列车面临的问题。 

       常规速度的列车车轮踏面磨耗之后，动力学性能会下降，但由于运行速度不高，车辆安全性能一般能满足要求。高速列车车轮踏面磨耗之后，各动力学性能也会不同程度地下降。其中，临界速度的降低比较明显，列车在高速运行时的平稳性变差，有时甚至产生短暂的剧烈晃动。选择合适的火车轮锻件踏面外形可以改变轮轨接触关系，并使磨耗后的踏面外形也发生变化，从而改善磨耗后的车辆动力学性能。

       国内关于火车轮锻件磨耗的试验研究较少，关于踏面外形的试验研究更少。虽然跟踪测量了部分高速列车踏面外形的变化趋势，但对其有效的分析还没有展开，理论上也没有解决车轮锻件磨耗问题。在线路实际运行中，引起车轮锻件踏面磨耗的因素很多，同一种车型又都采用了相同的车轮锻件踏面外形，所以难以获得踏面外形对火车轮锻件磨耗的影响规律。采用数值仿真方法，在相同的车辆参数和线路条件下来研究踏面外形和轮轨主要几何参数对车辆动力学性能和踏面磨耗的影响是优选踏面外形的重要手段。

       常规的动力学分析也将轮轨磨耗作为评价指标之一，通常采用火车轮锻件磨耗功率与磨耗指数等指标。在有些软件中还根据接触点位置区分为轮缘磨耗和踏面磨耗。这些分析都没有准确给出磨耗的分布，不能很清晰地比较磨耗情况。为此，很有必要采用火车轮型面磨耗预测方法来研究磨耗分布及磨耗量。

       国外的火车轮锻件磨耗预测研究开展得比较早，包括一些试验、仿真研究和线路测试工作,并形成了3种主要的磨耗预测模型[1-9]:Archard磨耗模型、基于 磨擦功的磨耗模型和基于磨耗指数的磨耗模型。中国的车轮磨耗研究起步较晚,主要是因为车轮型面磨耗研究的投入较大与车轮磨耗影响因素复杂。国外车轮磨耗的研究多关注于现有常规列车。中国的高速列车线路条件、车辆结构等与国外高速列车有差异,开展相关研究工作已经迫在眉睫。

       本文借鉴国外已有的磨耗模型和预测经验,采用国内某高速列车参数、京津客运专线的线路谱和线路条件,对中国高速列车车轮常用型面的磨耗问题进行仿真分析,包括LMA踏面、S1002踏面、XP55踏面和LM踏面,研究了火车轮对内侧距和轨底坡对磨耗的影响。轨道均采用60kg钢轨和1∶40的轨底坡。