改重-高速鐵路輪對(duì)摩擦 - 副本

1、第1章 緒 論1.1研究背景及意義鐵路是工業(yè)文明社會(huì)的偉大發(fā)明，在現(xiàn)代科技的推動(dòng)下，不管是其規(guī)模還是運(yùn)行技術(shù)都取得了迅猛發(fā)展。鐵軌和蒸汽機(jī)車的發(fā)明，是鐵路發(fā)展的兩個(gè)最基本要素，否則鐵路的誕生和發(fā)展就無(wú)從談起。人類社會(huì)的第一段標(biāo)準(zhǔn)軌鐵路誕生于十九世紀(jì)初期的英國(guó)，起點(diǎn)為斯托克頓市，終點(diǎn)為林頓市，全程長(zhǎng)度為三十二千米，隨后鐵路運(yùn)輸進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期1。從十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)初的一戰(zhàn)之前，這近半個(gè)世紀(jì)內(nèi)屬于鐵路發(fā)展的黃金期，全球的鐵路以每年兩萬(wàn)公里的速度增加，幾乎所有的鐵路都建在歐美等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，后來(lái)他們開始在自己的知名地內(nèi)開始修建鐵路。到了二十世紀(jì)中期之后，出現(xiàn)了高速鐵路技術(shù)，全球第一條高速鐵路是日

2、本的新干線，于1964年建成通車，高速鐵路的出現(xiàn)極大的提升了鐵路的運(yùn)輸能力。在上世紀(jì)六十年代，各國(guó)的鐵路運(yùn)輸已不堪重負(fù)，為了鐵路提速至250km/h以上，各國(guó)政府投入巨資對(duì)現(xiàn)有的鐵路線進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)或者是鋪設(shè)新鐵路。從上世紀(jì)六十年代到就是年代，這短短的三十年時(shí)間里，歐美各發(fā)達(dá)國(guó)家都在本國(guó)內(nèi)建設(shè)高速鐵路，是世界高速鐵路史上的首個(gè)高峰期。相對(duì)于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)的高鐵事業(yè)開始的比較晚，但在極短的時(shí)間內(nèi)，我國(guó)高鐵就實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，一躍成為世界高鐵強(qiáng)國(guó)，全球矚目。僅在2009年，我國(guó)鐵路就提速六次，鐵路主干線的運(yùn)行速度高達(dá)200 km/h4。北京到天津之間的城際鐵路是我國(guó)的第一條高鐵線路，建成于200

3、8年的8月份，由此，我國(guó)高鐵事業(yè)進(jìn)入了迅速發(fā)展的快車道。之后，橫貫?zāi)媳?、東西的高鐵線路相繼建成通車，運(yùn)行速度最高為350 km/h。京滬高鐵是迄今為止，世界上最長(zhǎng)的高鐵線路，全長(zhǎng)超過(guò)一千三百千米，是我國(guó)自主設(shè)計(jì)建成的，從2008年4月份開工建設(shè)，歷經(jīng)三年的施工，于2011年的6月份通車，試驗(yàn)的行車最高速為1486.1 km/h，其正式運(yùn)營(yíng)最高速度380 km/h。2011年的夏天，是我國(guó)高鐵事業(yè)發(fā)展史上注定刻骨銘心的日子，甬溫高速鐵路線發(fā)生重大事故，造成極大的人員傷亡。由此，鐵道部對(duì)高鐵的運(yùn)營(yíng)速度進(jìn)行了減速調(diào)整，最大程度的保證高鐵運(yùn)行安全。對(duì)鐵路輪軌關(guān)心進(jìn)行優(yōu)化，主要是通過(guò)研究輪軌匹配性能而進(jìn)

4、行的。在鐵路運(yùn)行過(guò)程中，輪軌表面會(huì)出現(xiàn)變形、破裂現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)這種問(wèn)題的原因，盡管科學(xué)家還沒(méi)有探尋出來(lái)，但有一點(diǎn)是已經(jīng)確認(rèn)的，那就是因輪軌匹配性不良引起接觸面的壓力巨大，會(huì)加劇上述問(wèn)題。針對(duì)于此，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了優(yōu)化，取得顯著效果?，F(xiàn)階段，高鐵進(jìn)入快速發(fā)展的時(shí)期，高鐵技術(shù)達(dá)到相當(dāng)高的層次。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高鐵運(yùn)行速度一再提高，這就增加了輪軌關(guān)系研究的技術(shù)難題。高鐵運(yùn)行速度越來(lái)越快，這就加劇了輪軌的磨損問(wèn)題，車輪的更換和維修周期縮短，運(yùn)營(yíng)成本急劇上升，嚴(yán)重阻礙了高鐵事業(yè)的發(fā)展。因此，通過(guò)運(yùn)用軌道動(dòng)力學(xué)知識(shí)，研制性能良好、耐磨的車輪型面，成為當(dāng)下一項(xiàng)急迫的工作。在該文當(dāng)中，筆者充分結(jié)合車輛工程、

5、輪軌力學(xué)以及機(jī)械幾何學(xué)等多方面的專業(yè)知識(shí)，對(duì)車輪磨損情況進(jìn)行深度檢測(cè)，運(yùn)用相關(guān)的專業(yè)理論知識(shí)，設(shè)計(jì)出科學(xué)方法對(duì)輪軌型面的匹配度進(jìn)行改善，從而滿足各種環(huán)境對(duì)輪軌的要求。取得的研究成果應(yīng)用于高鐵機(jī)車車輪型面設(shè)計(jì)和車輪鏇修，有巨大的價(jià)值，這對(duì)于我國(guó)高鐵事業(yè)的發(fā)展來(lái)講，其意義是極為重要的。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀伴隨著火車的出現(xiàn)，輪軌關(guān)系就成為了鐵路專家研究的重點(diǎn)，研究?jī)?nèi)容分為兩種類型：其一，是火車輪和軌道的幾何關(guān)系，即兩者的空間聯(lián)系；其二，是兩者之間的作用力，以及這種力度對(duì)鋼軌產(chǎn)生的作用。上述問(wèn)題是在輪軌形狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行的研究，火車運(yùn)行的穩(wěn)定性、輪軌的損傷程度以及火車運(yùn)行的安全性受到輪機(jī)型面匹配度的深刻

6、影響，世界范圍內(nèi)的專家對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。在上世紀(jì)七十年代，我國(guó)就開始對(duì)車輪磨損型踏面進(jìn)行研究，主要是運(yùn)用相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)展開的。在當(dāng)時(shí)，青島機(jī)車研究中心對(duì)各類型車輛的車輪磨損狀況分析研究，并成功研制了國(guó)內(nèi)首個(gè)測(cè)試專用踏面，即SY型磨耗形踏面。該踏面設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要是：1) 它的外形和大部分受損車輪的形狀相同；2) 確保在工作狀態(tài)下輪軌嚴(yán)密接觸；3) 保證輪緣具有足夠的安全余量；4) 車輛曲線行進(jìn)并保持最高速標(biāo)準(zhǔn)，是實(shí)現(xiàn)輪軌踏面匹配的前提。之后，設(shè)計(jì)人員不斷優(yōu)化升級(jí)踏面，設(shè)計(jì)出各種型號(hào)的產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)使用SY-30型踏面，能將車輪的磨損度降低一半，踏面的磨損降低百分之二十。該型號(hào)的

7、踏面在上世紀(jì)八十年代初期，型號(hào)被命名為L(zhǎng)M型25，廣泛推廣應(yīng)用。1987年上升為標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為TB1967-87。在那個(gè)時(shí)期，國(guó)內(nèi)的火車道軌底坡為1/20，這種類型的踏面是針對(duì)于此而設(shè)計(jì)的，而如今已經(jīng)升級(jí)為1/40。針對(duì)于這兩種類型的軌底坡，在處理輪軌接觸應(yīng)力問(wèn)題中，LM型面的優(yōu)勢(shì)并不明顯。有的火車的半徑比較小，只能使用型號(hào)為SY-50的踏面。通過(guò)收集使用情況信息，它對(duì)于減少車輪磨損還是有明顯效果的，所以會(huì)使用到現(xiàn)在。在上世紀(jì)九十年代初期，該研究中心對(duì)各種型號(hào)的踏面進(jìn)行了革新。我國(guó)的高鐵運(yùn)行速度基本都已超過(guò)200 km/h，他們?cè)O(shè)計(jì)了專用的LMa型踏面，滿足高速運(yùn)行的需求，并沿用至今。在上世紀(jì)

8、五十年代末期，日恩通過(guò)對(duì)50N鋼軌進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)出了N型面，專用于二軸貨車。為確?；疖囘\(yùn)行過(guò)程中不會(huì)出軌，輪緣度增大六十五度，高度提升三十毫米。在上世紀(jì)八十年代，該國(guó)設(shè)計(jì)出新型的踏面，確保高鐵高速運(yùn)行，且降低輪軌橫向產(chǎn)生的壓力，同時(shí)在新干線上也使用了圓弧踏面。在八十年代末期，該國(guó)科學(xué)家對(duì)圓弧踏面進(jìn)行改進(jìn)，確?；疖嚬ぷ鳡顟B(tài)中車輪和軌道的接觸位置不會(huì)位于底部，當(dāng)火車轉(zhuǎn)彎的時(shí)候車輪的滾動(dòng)半徑會(huì)在增大。當(dāng)前，在研究活動(dòng)中，會(huì)將動(dòng)力學(xué)知識(shí)納入其中。Leary在設(shè)計(jì)機(jī)車踏面的時(shí)候，基于收集到的型面磨損數(shù)據(jù)，會(huì)運(yùn)用，所設(shè)計(jì)的AAR-1B型面符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。通過(guò)與AAR1:20進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，使用它車輪型面的

9、磨損會(huì)減少三分之一。Wu通過(guò)運(yùn)用擴(kuò)展法改造踏面，主要目的是減少輪軌的觸面作用力，英國(guó)的地鐵使用了這種踏面，輪軌接觸面的壓力減少了一半，磨損下降了百分之二十四。張劍從國(guó)內(nèi)使用的CHN60軌外形出發(fā)，結(jié)合軌道外形改進(jìn)了機(jī)車踏面。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這種新形式的踏面能將輪軌的壓力減少百分之二十。1.3論文主要工作對(duì)輪軌型面進(jìn)行改進(jìn)，是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，會(huì)用到多種學(xué)科知識(shí)，主要有動(dòng)力學(xué)、數(shù)學(xué)、輪軌幾何學(xué)以及動(dòng)態(tài)接觸知識(shí)等。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展迅速，對(duì)鐵路運(yùn)輸提出了更高的要求，鐵路系統(tǒng)多次提速、新型機(jī)車不斷出現(xiàn)并應(yīng)用、載重量越來(lái)越大，這就加劇了輪軌損傷的問(wèn)題。為了有效解決這一問(wèn)題，必須設(shè)計(jì)高度匹配的

10、輪軌型面。當(dāng)前，各個(gè)國(guó)家極為重視輪軌型面的改進(jìn)問(wèn)題，進(jìn)行了大量的研究活動(dòng)，設(shè)計(jì)了各種方案，但是出現(xiàn)的缺陷問(wèn)題制約了這些方案的推廣。效果良好的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)應(yīng)用它，車輪會(huì)有穩(wěn)定的力學(xué)性能，并保證車輪和軌道的接觸非常穩(wěn)定。只有這樣，才能保證車輪具有較長(zhǎng)的使用年限。圖1-1 研究技術(shù)路線該篇論文全面介紹了高速列車車輪型面的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，充分結(jié)合車輛軌道動(dòng)力學(xué)、力學(xué)以及動(dòng)態(tài)接觸理論，并運(yùn)用各條高鐵線路的數(shù)據(jù)資料，為對(duì)車輪踏面進(jìn)行優(yōu)化，提出了多種方案，既要解決共性問(wèn)題，又要滿足個(gè)性化差異需求，最終確定了最佳的車輪踏面設(shè)計(jì)方案。論文的研究技術(shù)路線如圖1-1所示。本文的設(shè)計(jì)方案分為共性和個(gè)性種類型。共性的車

11、輪型面設(shè)計(jì)方法，主要用于解決車輪軌道接觸壓力、輪軌空隙以及車輪半徑差異等問(wèn)題，該理論的提出，推動(dòng)了車輪踏面問(wèn)題的有效解決。我國(guó)的高鐵運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的磨損有較大的差異，針對(duì)于此類問(wèn)題的解決，開發(fā)出了專門的方法，對(duì)車輪踏面進(jìn)行設(shè)計(jì)。在方案制定過(guò)程中，因?yàn)檐壍朗遣黄秸?，考慮到踏面參數(shù)以及磨損的具體狀況，這就要求此方案只能應(yīng)用于較大規(guī)模的車輛軌道耦合系統(tǒng)中，才能發(fā)揮效果。通過(guò)將這兩部分進(jìn)行有效融合，綜合使用，才能確保車輛踏面設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。本論文的主要內(nèi)容如下：第一部分：對(duì)車輪型面設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀以及應(yīng)用進(jìn)行了全面的介紹，從而指出了該項(xiàng)研究活動(dòng)現(xiàn)實(shí)意義以及研究發(fā)展趨勢(shì)。第二部分：對(duì)使用的分析模型進(jìn)行了必要的

12、講解，通過(guò)對(duì)當(dāng)前使用的高鐵數(shù)據(jù)創(chuàng)建了高鐵動(dòng)力分析模型。研究了國(guó)內(nèi)高鐵現(xiàn)在使用的鋼軌和車輪的匹配程度，介紹了兩者的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。第三部分：為了減輕輪軌接觸面的壓力，設(shè)計(jì)出了改進(jìn)車輪型面的方案，并檢驗(yàn)了其實(shí)際效果。第四部分：將經(jīng)驗(yàn)法用于告高速踏面的設(shè)計(jì)，還設(shè)計(jì)了另外的方法用于解決輪軌空隙的問(wèn)題，以滿足列車350 km/h380 km/h運(yùn)行需求。 文章最后一部分對(duì)總結(jié)了該文的研究活動(dòng)，得出研究結(jié)論，在此基礎(chǔ)上介紹了研究發(fā)展趨勢(shì)。第2章 現(xiàn)有高速車輪幾何型面研究是由車輪的外形決定的，除此之外，他還對(duì)車輛的穩(wěn)定狀態(tài)以及磨損程度產(chǎn)生深刻的影響。在這一章節(jié)中，分別對(duì)以及進(jìn)行了講解，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)高鐵構(gòu)造進(jìn)行分析

13、創(chuàng)建了分析模型，在此基礎(chǔ)上深入研究了高鐵動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，從而有利于車輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化。當(dāng)前我國(guó)的高速踏面輪軌接觸性能有多種類型，通過(guò)對(duì)比，明確它們的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，從而對(duì)車輪踏面的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。2.1輪軌接觸幾何參數(shù)現(xiàn)階段，在制造機(jī)車的時(shí)候用到的輪對(duì)基本上都是剛性的，具體來(lái)講，就是用車軸將兩個(gè)車輪串聯(lián)起來(lái)進(jìn)行組裝。有的客用機(jī)車為了提升轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性，會(huì)使用單輪，這種設(shè)計(jì)方法不能用于高鐵機(jī)車的制造。下圖顯示了輪軌接觸的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中，車輪會(huì)與鋼軌產(chǎn)生摩擦，設(shè)計(jì)人員在鋼軌一側(cè)設(shè)計(jì)空隙，主要目的是防止因車輪和軌角的長(zhǎng)時(shí)間摩擦產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損。在機(jī)車運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，車輪會(huì)作用于軌道，進(jìn)行橫向和縱向

14、的運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致車輪。兩個(gè)輪對(duì)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的時(shí)候，兩側(cè)的車輪和軌道接觸位置會(huì)改變，引起輪軌幾何參數(shù)的改變，會(huì)對(duì)接觸面產(chǎn)生影響。圖2-1輪軌接觸幾何關(guān)系上圖現(xiàn)實(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)正在文獻(xiàn)7中有詳細(xì)的講解，在建設(shè)軌道、制造機(jī)車的時(shí)候，像和、2L以及等參數(shù)就已經(jīng)確定了，一旦建成并投入運(yùn)營(yíng)將很難更改。為了保證各類型的機(jī)車來(lái)各種路況中保持高速穩(wěn)定的狀態(tài)，鐵路主管單位會(huì)綜合使用各種車輪型面和參數(shù)的機(jī)車，配合使用。除此之外，還會(huì)磨制車軌、鏇修車輪，保養(yǎng)輪軌，確保機(jī)車能高效運(yùn)行。在設(shè)計(jì)車輪的時(shí)候，會(huì)留有相應(yīng)的錐度，主要目的是確保輪對(duì)和曲線的性能良好，在鐵路建設(shè)初期通常使用踏面斜度是1:20直線?，F(xiàn)如今，修建鐵路使用最新

15、技術(shù)，設(shè)計(jì)的車輪踏面是各種各樣的，斜度也會(huì)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行變動(dòng)?；謴?fù)使用錐度，會(huì)更加明確輪對(duì)的各項(xiàng)性能和不同數(shù)據(jù)的關(guān)系，計(jì)算公式為： (2-1)不管是什么形狀的車輪踏面，當(dāng)是固定時(shí)，要想計(jì)算車輪運(yùn)轉(zhuǎn)的半徑與，只需明確兩側(cè)輪軌的接觸面即可，通過(guò)上面的方程式能計(jì)算出踏面的。機(jī)車的和，與車輛動(dòng)力理論知識(shí)的關(guān)系緊密，又被叫做。在計(jì)算過(guò)程中一般會(huì)使用，使用這種方法，能明確在制造兩側(cè)車輪時(shí)存在的。這種方法也有一定的缺陷，那就是，當(dāng)橫移量數(shù)值較小的時(shí)候，就不能計(jì)算出。多位專家經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)圓弧形進(jìn)行分析，目的是不管是什么條件的橫移量，都等有效計(jì)算出，計(jì)算公式為： (2-2)在上面的公式中，為表示輪軌踏面上

16、的，接觸位置的分別用、表示。有些專家還提出了別的方法，用于計(jì)算，因?yàn)閼?yīng)用范圍不廣，就不做一一介紹。不單單是錐形踏面會(huì)受到輪對(duì)橫移量的影響，踏面的亦是如此。一方面是對(duì)和車輛動(dòng)力性能之間的關(guān)系進(jìn)行介紹，另一方面還確定了標(biāo)準(zhǔn)形式的名義。筆者還介紹了其它的文獻(xiàn)資料，指出通過(guò)UIC519確定的的定義內(nèi)容是不準(zhǔn)確的，但是自己也沒(méi)有明確提出定義內(nèi)容。這一定義的應(yīng)用程度最高。因?yàn)樵谲囕喬っ嫔嫌邢鄳?yīng)的錐度，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)就能將輪對(duì)的外形描述為雙錐體。機(jī)車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受到多種因素的影響，輪對(duì)會(huì)發(fā)生橫移，在這種情況下，車輪兩側(cè)的滾動(dòng)圓大小是不一致的。因?yàn)檐壍纼蓚?cè)的車輪的角速度是一致的，滾動(dòng)圓半徑較大的一側(cè)的運(yùn)動(dòng)距離

17、比較大，這必然會(huì)一起另一側(cè)的輪對(duì)出現(xiàn)搖動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得直線對(duì)中狀態(tài)的保持和曲線運(yùn)動(dòng)的效果，下面兩圖顯示了這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。第一個(gè)圖顯示的輪對(duì)運(yùn)動(dòng)叫做蛇形運(yùn)動(dòng)。機(jī)車行走的導(dǎo)向是由等效錐度提供的，直接促使輪對(duì)進(jìn)行蛇形的行走路徑。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，如果等效錐度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，輪對(duì)在云頂過(guò)程中會(huì)不能保持穩(wěn)定。反之，機(jī)車在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，得不到足夠的輪徑差，使得車輪和鋼軌的接觸非常緊密，產(chǎn)生極大的磨損，這必然會(huì)對(duì)機(jī)車的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，并縮短輪軌的使用年限。除此之外，當(dāng)?shù)刃уF度太小，機(jī)車在直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，輪軌受到嚴(yán)重的影響，橫移量大增，等效錐度無(wú)法產(chǎn)生作用，讓對(duì)中回到原來(lái)狀態(tài)。綜上所述，機(jī)車在直線行進(jìn)和轉(zhuǎn)彎時(shí)表現(xiàn)

18、出的性能差異，是在設(shè)置等效錐度的時(shí)候，必須要考慮的因素。但是這種性能的差異與鋼軌狀況、穩(wěn)定性以及機(jī)車的懸掛構(gòu)造有密切的關(guān)系，加劇了踏面設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。圖2-2 輪對(duì)在直線軌道上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖2-3 輪對(duì)通過(guò)曲線在輪軌工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，還會(huì)用到、以及角剛度，計(jì)算公式為： (2-3) (2-4) (2-5) (2-6)在上面公式中，為，為橫移量的一半。其參數(shù)的定義及推導(dǎo)過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)66,73,74。 (a)一點(diǎn)接觸 (b)兩點(diǎn)接觸(c)共形接觸圖2-4常見(jiàn)的輪軌接觸狀態(tài)在計(jì)算上述數(shù)據(jù)的時(shí)候，其前提是能明確輪軌接觸狀態(tài)和接觸部位。根據(jù)接觸點(diǎn)的不同，其接觸狀態(tài)分為一點(diǎn)式、兩點(diǎn)式和共形接觸三種類型，詳見(jiàn)下圖

19、。當(dāng)前的高度鐵路中，在設(shè)計(jì)輪軌型面的時(shí)候，基本上都會(huì)防止第二種狀態(tài)的出現(xiàn)，在車輛運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)制定科學(xué)、全面的方案用于輪軌的維修保養(yǎng)，當(dāng)機(jī)車正式投入使用的時(shí)候，輪軌中的輪緣和踏面在相同的時(shí)間內(nèi)接觸的狀況不會(huì)出現(xiàn)，也就是說(shuō)下圖中的（b）圖狀況不會(huì)存在。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，如果踏面的磨損嚴(yán)重，會(huì)使得踏面不在平順，出現(xiàn)下凹的狀態(tài)，從而導(dǎo)致兩點(diǎn)接觸，圖2-5顯示出這種狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)這種兩點(diǎn)接觸的狀態(tài)，車輛在高速行進(jìn)當(dāng)中，輪軌的接觸點(diǎn)會(huì)持續(xù)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致輪軌受到極大的振動(dòng)影響，持續(xù)的重大的沖擊力會(huì)對(duì)機(jī)車的運(yùn)行狀況產(chǎn)生極大的不利影響。當(dāng)前，并沒(méi)有明確的方程式來(lái)計(jì)算輪軌的接觸位置，這主要是因?yàn)檩嗆壍慕佑|體現(xiàn)出的

20、非線性異常明顯。只能通過(guò)使用數(shù)值法，才能明確接觸點(diǎn)的詳細(xì)部位。在求解輪軌接觸的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)用到，下圖顯示了這種計(jì)算方法的原理。第一步是在輪軌上設(shè)置整體的坐標(biāo)系，軸是水平的，位于輪軌的頂部；第二步是在創(chuàng)建。在計(jì)算活動(dòng)開始之前，為了得到必需的數(shù)據(jù)點(diǎn)，則要將輪軌型面進(jìn)行曲線離散，一方面要確保計(jì)算結(jié)果能十分準(zhǔn)確，另一方面要加快數(shù)據(jù)求解活動(dòng)的速度。通過(guò)重復(fù)使用，才能在不同的坐標(biāo)系統(tǒng)中得到計(jì)算輪軌型面的方程式：、，、。將這些方程式至于坐標(biāo)系統(tǒng)中的一個(gè)位置中，故、表示的曲線是不會(huì)變化的。當(dāng)輪對(duì)的橫移量出現(xiàn)改變的時(shí)候，、也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，改變之后的踏面，可以使用下面兩個(gè)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化。 (2-7) (2-8

21、)在求解的時(shí)候，首先要把輪對(duì)向上調(diào)整一段，變化的距離用表示。只有這樣，才能確保在計(jì)算的時(shí)候輪軌不會(huì)法傷串聯(lián)。之后，使用下面的公式吧踏面函數(shù)放置到坐標(biāo)系統(tǒng)。在求解過(guò)程中，可以將鋼軌和輪對(duì)設(shè)定為剛性的。在輪對(duì)發(fā)生橫移的時(shí)候，變量用表示，要求解兩側(cè)輪對(duì)和鋼軌垂直方向的距離最小數(shù)值。除此之外，還要計(jì)算出在坐軸上的坐標(biāo)值、。調(diào)整，要用到下面的公式： (2-9)上式中：修正后輪對(duì)側(cè)滾角。 修正前輪對(duì)側(cè)滾角。對(duì)側(cè)滾角進(jìn)行調(diào)整之后，要再次求解、和、，還要對(duì)側(cè)滾角進(jìn)行一次調(diào)整，所得的數(shù)值的誤差符合標(biāo)準(zhǔn)即可。此時(shí)求得的點(diǎn)即為輪軌的接觸點(diǎn)。在計(jì)算出輪軌的接觸位置后，就可以使用上面的公式來(lái)計(jì)算輪軌接觸的各項(xiàng)幾何數(shù)據(jù)。

22、別的參數(shù)計(jì)算方法在文獻(xiàn)7,73中有詳細(xì)的講解。2.2輪軌接觸力學(xué)參數(shù)列車的輪軌轉(zhuǎn)動(dòng)接觸產(chǎn)生的摩擦力，為列車的運(yùn)行產(chǎn)生動(dòng)力，而且制動(dòng)和牽引也是在它的作用下進(jìn)行的。制作輪軌的材料相互擠壓，接觸斑面積大小大約為100 mm2。輪軌接觸產(chǎn)生的壓力，會(huì)使得鋼軌構(gòu)造以及接觸面周邊的材料的形狀發(fā)生變化，在接觸點(diǎn)周邊的小范圍內(nèi)也會(huì)發(fā)生塑性的變形。除此之外，列車輪對(duì)在鋼軌上轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，兩者的接觸面會(huì)發(fā)生橫縱兩個(gè)方向的滑動(dòng)，還會(huì)有轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，下圖有詳細(xì)的展示。列車下高速行進(jìn)時(shí)加速或者是緊急剎車的時(shí)候，在輪對(duì)和鋼軌的接觸面上，會(huì)出現(xiàn)明顯的滑動(dòng)，如果正常的行駛，滑動(dòng)現(xiàn)象就會(huì)很輕微。在列車各種形式的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，產(chǎn)生的四種

23、力在下圖中有明確的顯示。這四種力與P、（）、車輪的運(yùn)動(dòng)速度、 輪軌形狀數(shù)據(jù)、車輪和鋼軌的約束力等有重要關(guān)聯(lián)。的進(jìn)步，正是得益于對(duì)它們的深入研究。圖2-7輪軌接觸點(diǎn)處作用力分量在對(duì)輪軌接觸力學(xué)進(jìn)行研究的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里，所用的研究理論是Hertz接觸理論。在文獻(xiàn)資料對(duì)該理論的中，的的求解進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 (2-10)在上面的公式中，代表，代表，代表，代表。當(dāng)別的因素固定的時(shí)候，是由其決定的。用和表示，和表示，那么使用下面公式求解： (2-11)依照輪軌的幾何參數(shù)，來(lái)計(jì)算接觸斑上面的正壓力值： (2-12)式中，為軸重，為接觸角。接觸斑長(zhǎng)短軸的計(jì)算公式為： (2-13) (2-14) (2-15)其

24、中：；為求出,引入如下公式： (2-16)在上面公式中，,正截面的夾角用表示,。通過(guò)上面的方程式求得，值，其面積的大小和接觸斑表面的接觸應(yīng)力的最大值： (2-17) (2-18)其中，為輪軌法向力。在計(jì)算輪軌接觸力學(xué)性能的時(shí)候，使用完全的理論知識(shí)，第一步就是明確輪軌的材質(zhì)以及外層的狀態(tài)。通過(guò)使用輪軌接觸面的幾何參數(shù)來(lái)確定輪對(duì)和鋼軌的接觸面積，并求解接觸斑的幾何外形數(shù)據(jù)。因?yàn)榻佑|斑的面積比輪軌的形狀要小，則表明離接觸斑較遠(yuǎn)的位置的要素不會(huì)影響到接觸斑力學(xué)性能。在計(jì)算數(shù)值的時(shí)候，要將輪軌的最大活動(dòng)范圍，使用不同的大小一致的網(wǎng)格覆蓋起來(lái)，具體位置見(jiàn)下圖。除此之外，通過(guò)使用Bossinesq-Cerr

25、uti力/，就能創(chuàng)建彈性輪軌離散模型，如公式(2-19)所示。圖2-8用矩形網(wǎng)格離散接觸斑 (2-19) 在上面的公式中，在接觸斑的第J單元輪軌未變形時(shí)的輪對(duì)和鋼軌的用為表示，它的用表示，如果單元格相同，則數(shù)值是一致的。在改坐標(biāo)系統(tǒng)中的分量用i為表示，i=1,2,3；為J單元上沿x1，x2兩個(gè)方向上的分量，；在接觸斑法向上受到擠壓產(chǎn)生的變量用表示；為車輪滾動(dòng)速度，與x1軸平行；用表示，在x1，x2軸兩個(gè)方向上的網(wǎng)格長(zhǎng)度分別用和表示，；W為輪重；輪軌轉(zhuǎn)動(dòng)之前的J單元網(wǎng)格的用表示；該網(wǎng)格的最大摩擦力數(shù)值用bJ表示，計(jì)算的時(shí)候取值為： (2-20)在上面公式中，各表示和；H，S分別為接觸斑黏著區(qū)和滑

26、動(dòng)區(qū)。上面的(2-19)方程式，表示方程式。在坐標(biāo)系統(tǒng)中，第J單元從之前到現(xiàn)在的用表示： (2-21)在上面公式中，接觸斑的兩個(gè)切向分量用表示，；e=l，r分別代表左右輪軌。隨著時(shí)間的推移，t和t會(huì)趨向于一致，用s0來(lái)表示輪對(duì)在軌道上的運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度，即輪軌接觸位置在軌道上移動(dòng)的距離；由于v0與x1軸平行，且，,故有： (2-22)通過(guò)使用上述兩個(gè)公式，能計(jì)算在中的J單元網(wǎng)格中接觸部位的滑動(dòng)總量： (2-23)因?yàn)橛玫降木仃囀蔷獾?，至于接觸斑內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的改變，就能使用網(wǎng)格的大小來(lái)表示，取。公式(2-19)中AIiJi(I,J=1,2,;i,j=1,2,3)為影響系數(shù)，其意義為：網(wǎng)格內(nèi)的單元I沿著沿

27、xi軸運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致彈性位移出現(xiàn)差異，如下： (2-24)其中，w，r分別表示車輪和鋼軌；為Bossinesq-Cerruti單位集中力/位移公式，。因?yàn)檐囕喓蛙壍乐g的滑動(dòng)不是很明顯，該理論也叫作。早文獻(xiàn)資料中介紹了該數(shù)值的計(jì)算方程式，如下： (2-25)對(duì)應(yīng)的蠕滑力及自旋力偶為 (2-26)上面方程式中的各項(xiàng)參數(shù)在前文中的圖2-1與圖2-8已經(jīng)顯示。2.3車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在十九世紀(jì)，Winkle經(jīng)過(guò)多年的潛心研究，創(chuàng)建了，這是車輛和軌道動(dòng)力學(xué)分析最早的理論基礎(chǔ)。在二十世紀(jì)二十年代，美國(guó)著名科學(xué)家Timoshenko39通過(guò)研究和運(yùn)用，并以此為理論基礎(chǔ)對(duì)鋼軌的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了全面深入的研究，所取得的研

28、究成果在當(dāng)今得到了極大的推廣和應(yīng)用。在Timoshenko之后，大批行業(yè)專家都該問(wèn)題開展了深入的研究97,98。翟婉明在深入研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了比較全面的輪軌綜合動(dòng)力模型，在高鐵重量貨物運(yùn)輸線路的輪軌動(dòng)力研究中，該模型得到了廣泛的應(yīng)用，效果明顯。肖新標(biāo)與他人合作設(shè)計(jì)了輪軌綜合動(dòng)力模型，主要是針對(duì)于列車軌道部位的高頻率振動(dòng)的屬性而設(shè)計(jì)的，通過(guò)使用Timoshenko創(chuàng)建的研究模型來(lái)取代舊有的模型，將uler梁模型用于軌枕模型的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了輪軌，主要用于多變軌道條件中車輛出軌的動(dòng)態(tài)研究。從100到103的文獻(xiàn)資料都從各個(gè)角度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了全面的研究。2.3.1 高速列車動(dòng)力學(xué)模

29、型現(xiàn)階段，在高鐵的制造過(guò)程中，轉(zhuǎn)向構(gòu)造和懸掛系統(tǒng)的制造技術(shù)有極大的提升。下圖顯示，在制造轉(zhuǎn)向零部件的時(shí)候，使用了多種類型的。與舊樣式的減振設(shè)備比較，新設(shè)計(jì)的減振設(shè)備中都安裝了橡膠材質(zhì)的零部件。這些橡膠材質(zhì)的零部件、設(shè)備底座以及設(shè)備內(nèi)部的液壓油都具備相當(dāng)?shù)膹椥?。大量的研究?shù)據(jù)顯示，這種彈性會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的減振設(shè)備以及阻尼設(shè)備的性能產(chǎn)生很多不利的影響，在這種條件下，就不能將簡(jiǎn)單的將列車的懸掛系統(tǒng)視為彈簧和阻尼共同組成的構(gòu)造。在該文中，運(yùn)用的是Ruzicka106模型，只要目的是能詳細(xì)分析對(duì)動(dòng)力性能的作用，如下： (2-27)在方程式計(jì)算的時(shí)候，使用數(shù)值法就能計(jì)算出串聯(lián)節(jié)點(diǎn)位置的移動(dòng)量y，處于串聯(lián)狀態(tài)中

30、的彈簧兩側(cè)的力量為 (2-28)根據(jù)力的平衡條件，可得阻尼器上端作用到物體上的力為物體的運(yùn)動(dòng)方程為 (2-29)根據(jù)翟方法40可以求得物體的位移與速度。i) 二系懸掛縱向力模型在這一小節(jié)中，創(chuàng)建了，如下圖所示。在懸掛系統(tǒng)中，在縱向上受到的力來(lái)自于唐麗設(shè)備和減振設(shè)備的共同作用。對(duì)阻尼設(shè)備兩側(cè)的運(yùn)行速度和活動(dòng)量進(jìn)行求值，是得到減振設(shè)備阻尼力的前提。阻尼設(shè)備和車輛連接點(diǎn)的為 (2-30)與構(gòu)架連接端的位移為 (2-31)式中分別代表前后轉(zhuǎn)向架。車體軌道板鋼軌輪對(duì)構(gòu)架(a) 主視圖(b) 俯視圖圖2-11車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的阻尼通常使用兩條直線來(lái)代表的，主要原因是它是非線性的。阻尼設(shè)備具有差異性的兩個(gè)

31、系數(shù)，分別為和。在求解的時(shí)候，當(dāng)在仿真計(jì)算過(guò)程中，如果卸荷力超出阻尼力的數(shù)值，就用來(lái)表示系數(shù)大小，在這種條件下，活動(dòng)于的節(jié)點(diǎn)的計(jì)算公式，如下： (2-32)由此獲得阻尼器阻尼力 (2-33)如果卸荷力小于阻尼力的數(shù)值，就用來(lái)表示系數(shù)大小，在這種條件下，活動(dòng)于的節(jié)點(diǎn)的計(jì)算公式，如下： (2-34)二系懸掛縱向力公式為 (2-35)式中：在相一致的用表示；與在車身上防止的減振設(shè)備之間的距離用表示；與在車身上防止的減振設(shè)備之間的距離用表示；用來(lái)表示減振設(shè)備橫線距離的百分之五十；車體定距之半；和的距離用表示；和的距離用表示；是二系懸掛橫向距離之半。ii) 二系懸掛橫向力模型二系懸掛橫向力主要有空氣彈簧

32、與橫向減振器提供，空氣彈簧的橫向剛度為二系橫向減振器Ruzicka模型中的主彈簧剛度。 (2-36) (2-37) (2-38) (2-39)二系懸掛橫向力為： (2-40)式中：在車輛轉(zhuǎn)向架上，安裝減振設(shè)備的部位和質(zhì)心部位的垂直距離用表示；與車輛上安裝的橫向減振設(shè)備之間的垂直距離用表示。iii) 一系垂向力模型在該模型當(dāng)中，彈簧系統(tǒng)是主剛度的來(lái)源。在減振設(shè)備構(gòu)架一側(cè)的垂直速度，計(jì)算如下： (2-41) (2-42)節(jié)點(diǎn)平衡方程為： (2-43)求得Ydz后得等效阻尼力 (2-44)一系懸掛垂向力為： (2-45)在上面公式中，在車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上各種阻尼設(shè)備用表示，1,3和2,4分居左右兩側(cè)。在

33、文獻(xiàn)40中詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)中各云中狀態(tài)的方程式。2.3.2 高速列車動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)現(xiàn)如今，在列車的研發(fā)制造過(guò)程中，從機(jī)械動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行仿真計(jì)算，已成為極為重要的一環(huán)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，該類算法與以前相比有較大進(jìn)步，具有更高的先進(jìn)水平，計(jì)算數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。在研制列車的時(shí)候，對(duì)于各項(xiàng)參數(shù)要予以足夠的重視，這些參數(shù)主要有列車運(yùn)行過(guò)程中的平穩(wěn)性、以及。 (2-46)其中為軸重（kN），機(jī)車和客車，貨車。 (2-47)在計(jì)算均方根的時(shí)候，通過(guò)運(yùn)用上面的公式，能計(jì)算出是100米，為10米。除此之外，通過(guò)使用UIC518109、EN14 363110、49CFR238111以及UIC

34、515112也可以將架構(gòu)振動(dòng)加速的對(duì)列車在橫向上的平穩(wěn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。列車車輪和軌道的接觸部位會(huì)嚴(yán)重影響到列車運(yùn)行的平穩(wěn)性，該問(wèn)題是該文的主要研究對(duì)象。列車的輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架中間，安裝了懸掛系統(tǒng)將二者串聯(lián)起來(lái)。在對(duì)列車平穩(wěn)性研究的時(shí)候，使用列車動(dòng)力學(xué)的知識(shí)進(jìn)行分析，通過(guò)這種方式，能有效減弱輪軌接觸部位對(duì)列車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響，還會(huì)深受建模的影響。因此，筆者通過(guò)使用上面的兩個(gè)公式深入分析了列車在橫向上的平穩(wěn)性。案例分析使用的是CRH2型號(hào)的列車，在對(duì)列車的的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，使用了LMa踏面車輪和實(shí)地測(cè)試輪對(duì)踏面兩種方式，對(duì)它們的效果進(jìn)行對(duì)比。下圖顯示了兩種踏面形狀：圖2-13 兩種踏面外形 收集輪對(duì)

35、在橫向上的平移量，從而對(duì)車輛的設(shè)計(jì)最高速進(jìn)行評(píng)價(jià)，此時(shí)必須設(shè)置八百米的不平順路段，具體的計(jì)算活動(dòng)是從京津高鐵軌道上收集到的數(shù)據(jù)。上圖顯示的是，在非勻速狀態(tài)下不同時(shí)間段的輪對(duì)橫移量的變化趨勢(shì)圖。通過(guò)對(duì)上圖進(jìn)行分析可知，新更換車輪的列車在低速狀態(tài)下通過(guò)不平順的鋼軌，此時(shí)的輪對(duì)可以在極短的時(shí)間內(nèi)將對(duì)中回到原來(lái)的狀態(tài)。對(duì)列車的運(yùn)行活動(dòng)進(jìn)行多次運(yùn)算，并增多頻次，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)速度數(shù)值來(lái)決定對(duì)中能否回到原來(lái)的狀態(tài)。在列車加速到這一階段后，如果列車運(yùn)行速度進(jìn)一步加快，那么列車的車輪和軌道會(huì)在橫向上出現(xiàn)偏離。在這一速度條件下，列車在蛇形中會(huì)失去穩(wěn)定性。如果列車的車輪受到長(zhǎng)時(shí)間的磨損呈現(xiàn)凹型，當(dāng)保持240 km/h

36、的速度在平穩(wěn)性不佳的軌道上運(yùn)行的時(shí)候，列車的輪對(duì)即使產(chǎn)生的晃動(dòng)很微弱，其對(duì)中也不會(huì)快速回到原來(lái)狀態(tài)。列車在兩種各異的速度下運(yùn)行，使用上文的兩個(gè)公式來(lái)求解列車橫向穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，下面兩個(gè)圖對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了顯示。通過(guò)對(duì)兩圖進(jìn)行分析可知，如果列車的速度保持一致，那么兩者不會(huì)有很大的差異。更換了車輪的列車在某個(gè)速度上保持運(yùn)行的穩(wěn)定性，這一點(diǎn)接近于輪對(duì)橫移量響應(yīng)法的分析結(jié)果。當(dāng)列車的運(yùn)行速度比上述速度慢的時(shí)候，下加速狀態(tài)下，輪對(duì)和鋼軌不會(huì)受到較大的沖擊力，從而確保列車的安全運(yùn)行。如果列車的行進(jìn)速度超出了這一速度范圍，和會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，如下圖所示。 (a) 輪對(duì)加速度rms (b) 輪軌導(dǎo)向力rms 通過(guò)使用

37、上文的兩個(gè)公式，全面評(píng)價(jià)已經(jīng)配備了磨損車輪的列車橫向平穩(wěn)性，其結(jié)果如下兩圖所示。通過(guò)對(duì)這兩個(gè)圖進(jìn)行分析可知，這兩條曲線在變化趨勢(shì)上存在一致性的內(nèi)容，但具體的評(píng)價(jià)結(jié)果是相異的。如果列車的運(yùn)行速度達(dá)到了240 km/h，那么使用這兩種方式都不能達(dá)到最大值。當(dāng)列車的運(yùn)行速度達(dá)到250 km/h，會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)極值5m/s2。此時(shí)的會(huì)超出最高標(biāo)準(zhǔn)6.5kN左右，比限定的數(shù)值低21kN。由此可知，使用此兩個(gè)公式得到的評(píng)價(jià)結(jié)果，差異性比較大。 通過(guò)使用不同的方法對(duì)安裝不同型號(hào)的車輪的列車的平穩(wěn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果用下面的兩圖進(jìn)行現(xiàn)實(shí)。通過(guò)對(duì)第一圖進(jìn)行分析可知，配備了新車輪的列車的運(yùn)行速度提升到每小時(shí)五百九十公里至

38、六百公里的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)顯著的臨界狀態(tài)。如果列車的運(yùn)行速度第一臨界狀態(tài)的速度，當(dāng)列車加速的時(shí)候，列車在橫向上的平穩(wěn)性不會(huì)有明顯的變化。列車保持一致的速度，會(huì)稍微大于。通過(guò)對(duì)第二圖進(jìn)行分析可知，當(dāng)列車速度沒(méi)有保持一致的時(shí)候，相比較而言，比較大。當(dāng)列車在加速行進(jìn)的狀態(tài)下，使用這兩種方法，車輛的穩(wěn)定性會(huì)與限定值十分靠近。盡管如此，在進(jìn)行評(píng)價(jià)的時(shí)候，如果使用，那么列車的平穩(wěn)性不會(huì)有顯著的增加。 通過(guò)分析下圖，可得到上面三種評(píng)價(jià)方法重的列車行駛速度的臨界點(diǎn)。通過(guò)對(duì)三者的比較可知，的臨界速度要比新的車輪要低，新更換車輪的臨界速度沒(méi)有比較大的差異。由于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行受壓，車輪會(huì)受到極大的磨損，從而呈現(xiàn)為凹型狀，

39、在這種狀況下，不管是哪種評(píng)價(jià)方法，列車的臨界速度的差異性比較大，通過(guò)使用輪軌導(dǎo)向力對(duì)其進(jìn)行評(píng)級(jí)的時(shí)候，列車的數(shù)值比較大。通過(guò)使用和兩種方法，產(chǎn)生的列車的沒(méi)有明顯的差異。車輪受到長(zhǎng)時(shí)間的磨損，會(huì)被磨制成凹型，在這種狀況下，列車輪對(duì)會(huì)有輕微的活動(dòng)，不能有效的判斷列車的。綜上所述，在對(duì)列車車輪的磨損狀況對(duì)車輛橫向平穩(wěn)性影響的分析過(guò)程中，最好是使用，它屬于UIC518標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。ii)平穩(wěn)性計(jì)算現(xiàn)階段，學(xué)術(shù)界在對(duì)列車穩(wěn)定性和舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法有很多。在我國(guó)，評(píng)價(jià)列車的穩(wěn)定性，主要使用Sperling法，求解方程式如下： (2-48)在上面公式中，和列車相關(guān)的用表示，求解過(guò)程如下表顯示。為車體加速度，

40、單位為cm/s2。上面的公式只能應(yīng)用于單頻單振幅的振動(dòng)過(guò)程的評(píng)價(jià)，現(xiàn)實(shí)情況是，列車在運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)殇撥壍牟黄揭约笆芸諝庾枇Φ挠绊?，產(chǎn)生的振動(dòng)的頻率和幅度是經(jīng)常變化的，即振動(dòng)頻率和振幅都是隨時(shí)間變化的。受到各種因素的影響，并不能使用上面的公式來(lái)求解列車的穩(wěn)定性，在列車加速過(guò)程中對(duì)頻率進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而確定在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)列車加速度的變化頻率。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)使用下表中的加權(quán)參數(shù)來(lái)求解列車的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。之后是運(yùn)用公式(2-49)來(lái)計(jì)算在所有的頻段中的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。下面的2-2表顯示了國(guó)家在車輛穩(wěn)定性方面的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)。根據(jù)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，列車的運(yùn)行速度超過(guò)200 km/h，要確保乘客區(qū)的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，列車

41、控制區(qū)域的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。 (2-49)表2-1 Sperling 平穩(wěn)性振動(dòng)加權(quán)系數(shù)垂向振動(dòng)橫向振動(dòng)f/HzF(f)f/HzF(f)0.55.90.55.45.9205.426>201>261表2-2 客貨車平穩(wěn)性等級(jí)平穩(wěn)性等級(jí)評(píng)語(yǔ)客 車貨 車一 級(jí)優(yōu)< 2.5< 3.5二 級(jí)良 好2.52.753.54.0三 級(jí)合 格2.753.04.04.252.4高速踏面性能比較現(xiàn)階段，我國(guó)的動(dòng)車組主要有四種類型，分別是、以及。除此之外，還有與CRH3為原型自主創(chuàng)新而來(lái)的CRH380A(L)與CRH380B(L)車型。所有的動(dòng)車組列車所用的車輪踏面有三種樣式，分別是、以及。其中第二

42、種類型是在歐洲S1002車輪踏面的基礎(chǔ)上，優(yōu)化升級(jí)得來(lái)的，這種類型的踏面并沒(méi)有和國(guó)產(chǎn)的CHN60軌道進(jìn)行良好的屁哦誒。實(shí)際上，這種類型的踏面和LM踏面相比較，在形狀上有很高的相似度，有的鐵路專家認(rèn)為，應(yīng)該用其取代后者，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)實(shí)，其效果并不佳。在這一小節(jié)中，筆者將各種型號(hào)的車輪型面國(guó)產(chǎn)的軌道進(jìn)行匹配，并通過(guò)運(yùn)用輪軌接觸方面的相關(guān)理論，深入分析它們之間的匹配性。整個(gè)列車的動(dòng)力屬性和輪軌踏面、懸掛系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)有高度的關(guān)聯(lián)性，上述的踏面類型和各種型號(hào)的列車都有相應(yīng)的匹配度。所以，在這一小節(jié)中，對(duì)于車輪外形和列車動(dòng)力性能之間的關(guān)系不在進(jìn)行詳細(xì)的講解。2.4.1 輪軌接觸幾何

43、特性使用幾何方法進(jìn)行計(jì)算，列車為長(zhǎng)度為1353 mm、1435 mm、為1/40，在假設(shè)輪對(duì)不會(huì)晃動(dòng)的前提下，當(dāng)列車輪對(duì)移動(dòng)十二毫米的時(shí)候，計(jì)算得出車輪和鋼軌接觸的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。即使在列車的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，在列車輪對(duì)的影響下，列車速度、車輪的外形以及行走路徑都會(huì)受到影響，但橫移量一般不會(huì)超過(guò)12 mm。 當(dāng)列車輪對(duì)的橫移量不相同的時(shí)候，列車輪軌的接觸部位的分布狀況如下： (a) LMa (b) XP55(c) S1002CN (d) LM通過(guò)對(duì)上圖進(jìn)行分析可知，列車車輪的滾動(dòng)圓也坐標(biāo)體系是重合的。在該系統(tǒng)中，、和XP55三種類型的踏面與列車滾動(dòng)圓的內(nèi)側(cè)相聚七公分，而S1002CN型號(hào)的踏面和列車倫

44、杯的距離為73.5 mm。在上面的圖形當(dāng)中，列車車輪和鋼軌的形狀是用曲線來(lái)表示的，在各種橫移量的條件下，輪軌接觸部位的運(yùn)動(dòng)使用直線表示的，輪對(duì)橫移數(shù)值使用圖像上段的數(shù)字表示的。將型號(hào)為L(zhǎng)Ma的踏面和型號(hào)為CHN60的軌道進(jìn)行匹配的時(shí)候，接觸部位距離外側(cè)大約六毫米。當(dāng)列車輪對(duì)朝右側(cè)移動(dòng)的時(shí)候，車輪和軌道的接觸位置是均衡的；如果是向左側(cè)移動(dòng)的，車輪和軌道的接觸面會(huì)完全集中于鋼軌的頂端。在這種條件下，鋼軌的某個(gè)位置會(huì)受到極大的壓力，導(dǎo)致受損嚴(yán)重。車輪的邊緣和鋼軌頻繁的接觸，使得兩者磨損嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致車輪和鋼軌受損嚴(yán)重，不能正常使用。 圖2-23 輪緣與內(nèi)軌角磨耗通過(guò)對(duì)上文中的2-22(b)圖進(jìn)行分

45、析可知，型號(hào)為XP55的踏面與輪軌接觸部位的距離大約是8.7 mm，距離內(nèi)側(cè)較近。在該范圍內(nèi)，車輪和軌道接觸部位和型號(hào)為R300與R80的鋼軌的交點(diǎn)是重合的。通過(guò)使用Hertz相關(guān)的理論內(nèi)容進(jìn)行分析可知，當(dāng)車輪和軌道接觸部位經(jīng)過(guò)上述的圓弧范圍的時(shí)候，產(chǎn)生壓力是巨大的。在實(shí)際狀況中，因?yàn)檩嗆壘邆湟欢ǖ膹椥?，?huì)發(fā)生形變，所以所講的壓力不會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)輪對(duì)的橫向移動(dòng)距離不超過(guò)八毫米的時(shí)候，列車車輪的接觸部位比較均衡；當(dāng)介于八點(diǎn)五毫米和九毫米的時(shí)候，車輪的接觸部位會(huì)發(fā)生較大的變化；當(dāng)超過(guò)十毫米的時(shí)候，列車車輪的邊緣會(huì)積極與鋼軌貼在一起。上面的2-22(c)圖顯示的是型號(hào)為S1002CN的踏面和型號(hào)為CHN

46、60的鋼軌想匹配的時(shí)候，輪軌接觸部位的位置分布，通過(guò)分析可知，當(dāng)輪對(duì)出現(xiàn)橫向移動(dòng)的時(shí)候，車輪和軌道的接觸部位會(huì)有連續(xù)的跳動(dòng)，車輪和軌道的匹配效果不好。此時(shí)，輪軌的接觸部位處在內(nèi)側(cè)位置，與鋼軌中心距離十一毫米。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)S1002CN踏面的時(shí)候，運(yùn)用的輪軌空隙比較小，當(dāng)踏面橫向移動(dòng)的時(shí)候，車輪邊緣和軌道會(huì)嚴(yán)密的靠在一起。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，降低車輪和軌道之間的游隙，能減弱橫向壓力，保證列車安全、平穩(wěn)運(yùn)行。下文的圖2-24顯示了三種不同類型的，在橫向移動(dòng)的影響下，產(chǎn)生的變化趨勢(shì)。當(dāng)橫移量不超過(guò)兩毫米的時(shí)候，不管是什么型號(hào)的踏面，數(shù)值相近。當(dāng)超過(guò)兩毫米的時(shí)候，型號(hào)為S1002CN和XP55的踏面的會(huì)

47、超過(guò)別的型號(hào)的踏面。如果比較大，那么列車在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候會(huì)比較容易。盡管如此，對(duì)輪軌接觸斑產(chǎn)生的壓力比較大，會(huì)縮短輪軌的使用年限，還會(huì)導(dǎo)致列車發(fā)生。當(dāng)橫向移動(dòng)超過(guò)五點(diǎn)五毫米的時(shí)候，型號(hào)為S1002CN的踏面的會(huì)變動(dòng)劇烈。當(dāng)輪軌橫向移動(dòng)變大的時(shí)候，型號(hào)為L(zhǎng)M的踏面的也會(huì)增加，如果超過(guò)六毫米，它的會(huì)小于型號(hào)為S1002CN的。列車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果輪對(duì)受到嚴(yán)重的干擾，會(huì)導(dǎo)致橫向移動(dòng)大于五點(diǎn)五毫米，當(dāng)比較大的時(shí)候，其對(duì)中恢復(fù)性能會(huì)相應(yīng)的提升。除此之外，當(dāng)這一差值劇烈變化的時(shí)候，列車輪軌受到的壓力也會(huì)很大，會(huì)加劇列車車輪和軌道的磨損，不利于列車的平穩(wěn)安全行進(jìn)。 上圖顯示了三種類型的踏面的。當(dāng)橫向移動(dòng)不超過(guò)

48、四點(diǎn)五毫米的時(shí)候，型號(hào)為S1002CN的踏面的會(huì)超出另外的踏面。當(dāng)橫向移動(dòng)巨介于四點(diǎn)五到五點(diǎn)五毫米的時(shí)候，型號(hào)LM的踏面會(huì)比S1002CN踏面的稍高。通過(guò)分析整體的橫向移動(dòng)距離，可知S1002CN與LM踏面的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出另外的類型。當(dāng)橫向移動(dòng)不超過(guò)七毫米的時(shí)候，LMa和XP55踏面相比較，前者的會(huì)小于后者；當(dāng)橫向移動(dòng)大于七毫米的時(shí)候，后者的會(huì)超過(guò)前者。當(dāng)橫向移動(dòng)距離介于兩毫米到六毫米的時(shí)候，型號(hào)S1002CN的踏面的會(huì)有劇烈的變化，和輪軌接觸部位的變化存在密切關(guān)系。當(dāng)列車直行的時(shí)候，如果的數(shù)值過(guò)大，列車會(huì)出現(xiàn)蛇形運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重影響列車的穩(wěn)定性。需要引起重視的是，在確定的時(shí)候，需要充分考慮列車懸掛系統(tǒng)各

49、項(xiàng)數(shù)據(jù)的契合度。只有這樣，才能保證輪軌耐磨，使得列車安全平穩(wěn)運(yùn)行。2.4.2 輪軌接觸力學(xué)特性列車輪軌形狀、輪半徑和軸重量會(huì)影響到輪軌接觸部位的范圍。筆者使用輪軌接觸的相關(guān)理論內(nèi)容，對(duì)列車車輪和軌道的接觸性能求解，只要目的是探究不同的列車車輪踏面和型號(hào)為CHN60的鋼軌的契合度。經(jīng)過(guò)求解可知，為四百四十五毫米，轉(zhuǎn)軸重量為十五噸，別的詳細(xì)數(shù)據(jù)和上一小節(jié)中的一致。當(dāng)輪對(duì)的橫線移動(dòng)變大的時(shí)候，兩個(gè)的車輪會(huì)呈現(xiàn)相反的運(yùn)行狀態(tài)。 (a) 左側(cè) (b) 右側(cè)圖2-26輪軌接觸斑面積通過(guò)對(duì)上圖進(jìn)行分析，可以得出各種橫向移動(dòng)的條件下，另冊(cè)輪軌接觸斑的范圍大小。當(dāng)軸重一致的時(shí)候，如果接觸斑很小，會(huì)增加車輪和軌道

50、之間的壓力，從而會(huì)加重輪軌的磨損量，縮短使用年限。當(dāng)輪對(duì)橫向移動(dòng)幅度很大的時(shí)候，在左端的車輪的邊緣和軌道會(huì)緊密接觸在一起，使得接觸斑分為縮小。與之相反的是，右側(cè)的接觸斑的范圍會(huì)增大。列車在行進(jìn)過(guò)程中，輪對(duì)的搖動(dòng)會(huì)出現(xiàn)在對(duì)中部位，在這個(gè)部位必須保證接觸斑的范圍足夠大，才能降低踏面的損耗。通過(guò)對(duì)上面的a圖進(jìn)行分析可知，與其他類型的踏面相比較，處于對(duì)中部位的LMa和S1002CN踏面的接觸斑通常會(huì)超出另外的踏面。當(dāng)橫向移動(dòng)變大的時(shí)候，LMa踏的接觸斑范圍會(huì)變大，當(dāng)橫向移動(dòng)距離為四毫米的時(shí)候，接觸斑的范圍會(huì)下降；當(dāng)橫向移動(dòng)的距離達(dá)到七毫米的時(shí)候，接觸斑的范圍會(huì)繼續(xù)變大。相比較而言，在橫向移動(dòng)距離相同的

51、情況下，XP55踏面的接觸斑大小不會(huì)發(fā)生劇烈的變動(dòng)，但是它的接觸斑的大小會(huì)超過(guò)另外兩種型號(hào)的踏面。LM踏面在輪對(duì)部位的接觸斑范圍是最小的，當(dāng)橫者的變化量會(huì)大于后者。當(dāng)輪對(duì)的橫向移動(dòng)距離不超過(guò)六毫米的時(shí)候，型號(hào)為S1002CN的踏面的接觸斑范圍是最大的。當(dāng)輪對(duì)發(fā)生左向移動(dòng)的時(shí)候，該側(cè)向移動(dòng)距離增大的時(shí)候，接觸斑的范圍也會(huì)依次上升，當(dāng)橫向移動(dòng)距離為五毫米的時(shí)候，接觸斑的范圍最大，當(dāng)超過(guò)五毫米的時(shí)候，其范圍會(huì)慢慢變小。b圖顯示出當(dāng)橫向移動(dòng)距離變化的時(shí)候，右端的輪軌接觸斑的改變情況。通過(guò)分析可知，當(dāng)橫向移動(dòng)距離變化的時(shí)候，型號(hào)為L(zhǎng)Ma與XP55的踏面的接觸斑不會(huì)有明顯改變，相比較而言，前的變大，另一側(cè)

52、的就會(huì)下降。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了減小輪軌接觸應(yīng)力，一般會(huì)在左側(cè)設(shè)計(jì)的接觸斑范圍大一些。 (a) 左側(cè) (b) 右側(cè)圖2-27 輪軌最大正壓力密度 圖2-28 左側(cè)輪軌最大縱橫向蠕滑力密度輪對(duì)橫向移動(dòng)距離的變化，會(huì)引起輪軌的變化，上面的圖2-27的曲線顯示了這種變化趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)上圖進(jìn)行分析可知，輪軌左端的變化幅度比較大，這主要是因?yàn)樵搨?cè)的輪軌接觸斑的范圍變化幅度比較大。當(dāng)輪對(duì)橫向移動(dòng)距離不超過(guò)三毫米的時(shí)候，型號(hào)為L(zhǎng)M的踏面兩側(cè)的輪軌是最高的。當(dāng)橫向移動(dòng)距離不超過(guò)八毫米的時(shí)候，型號(hào)為XP55踏面的變動(dòng)范圍較小。當(dāng)橫向移動(dòng)距離在四毫米以內(nèi)的時(shí)候，型號(hào)為S1002CN的踏面左端的稍稍高出XP55踏面的。在左側(cè)輪軌的的變化趨勢(shì)如圖2-28所示。通過(guò)對(duì)該圖進(jìn)行分析可知，相比較而言，型號(hào)為L(zhǎng)Ma踏面是最小的，XP55踏面排倒數(shù)第二。正常情況下，S1002CN與LM踏面的非常相近，當(dāng)橫向移動(dòng)距離介于六毫米到九毫米的時(shí)候，兩者的密度值都會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，因?yàn)槭艿浇佑|斑范圍和壓力值的影響。在列車運(yùn)行過(guò)程中，因?yàn)镾1002CN與LM踏面的比較大，更易導(dǎo)致列車輪軌的磨損，縮短列車的使用年限。2.5本章小結(jié) 這一章節(jié)的主要內(nèi)容是以和為研究對(duì)象，創(chuàng)建了輪軌接觸的各種研究模型。并將其運(yùn)用于高速列車的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程當(dāng)中，對(duì)內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。除此之外，還深入分析了幾類列車，對(duì)它們做了對(duì)比。對(duì)國(guó)內(nèi)四種列車