铁路车轮非圆化对车辆—轨道系统动力学行为的影响

摘要

车轮非圆化是各种铁道车辆普遍存在的一种车轮伤损形式。由于车轮与钢轨的刚性接触特性，车轮踏面的几何缺陷会加剧轮轨动力作用，不仅对车辆和轨道部件产生不利影响，而且对行车安全构成潜在威胁。为保证列车的行车安全，须及时对车轮踏面的不圆顺状态进行合理控制。目前学术界对车轮非圆化的形成机理及其影响规律的认识尚不充分，因此有必要针对该问题开展进一步的深入研究。为研究车轮非圆化对轮轨垂向动力作用的影响，开展了对地铁车轮径向偏差的现场测试工作，分析总结了车轮不圆顺的几何特征。
　　本文建立了用于数值仿真的车辆-轨道垂向耦合动力学模型，并以实测结果作为轮轨界面的不平顺输入，在时域和频域内分析了车轮非圆化对轮轨动力作用的影响。结果表明，车轮非圆化可导致轮轨垂向载荷的大幅波动，车轮径向偏差的导数可合理地体现轮轨垂向力的动态特性；轮轨动态作用可根据激振频率划分为不同的形式，钢轨的振动对轮轨动作用力起到了重要的作用；车轮非圆化导致的高频振动可通过车辆的悬挂系统得到很大程度衰减；多边形车轮的高阶成分可明显加剧钢轨的高频振动；车辆在较高车速和较低轴重下运行时，车轮多边形化可导致较为明显的轮重减载，适当降低轨下胶垫刚度可在一定程度上减缓轮轨动力作用。为了进一步研究非圆车轮在高速下对车辆-轨道系统的动力学影响，以德国ICE高速列车的多边形车轮实测结果作为多重谐波输入，分析比较了周期型和非周期型两种非圆车轮的轮轨动力特点。由于高速条件下的轮轨Hertz接触特性，车轮径向偏差时变率可有效地反映轮轨动态作用力。随着车速的提高，轮轨动态作用力对高阶谐波更加敏感。