轮轨关系中的等效锥度对车辆动力学性能的影响

摘要： 轮轨关系涉及到轨道车辆运行的稳定性和安全性，轮轨匹配问题越显的重要。作为轮轨匹配的最重要参数之一等效锥度，与车辆的动态横移量和滚动圆半径差存在着一定的关系，影响着车辆动力学性能。

Abstract: The relationship between wheel and rail is involved in the operational stability and security of rail vehicles, so the matching problem between wheel and rail is more and more important. As one of the most important parameters, the equivalent conicity has a certain relations with the amount of vehicle dynamic sliding and Rolling radius difference, and affects the vehicle dynamics performance.

关键词： 等效锥度；动态横移量；车辆动力学

Key words: equivalent conicity；dynamic sliding volume；vehicle dynamics

中图分类号：U461 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）18-0041-01

0引言

随着列车运行速度的提高，使得作为车辆轨道系统动力学基本问题之一的轮轨关系变得很突出，将使轮轨作用力增大，波浪形磨损、压溃、剥离、断裂等轮轨滚动接触疲劳破坏现象变得更加严重[1]。轮轨关系涉及到轨道车辆运行的稳定性和安全性，轮轨匹配问题越显的重要，越来越得到人们的重视。而作为轮轨匹配的最重要参数之一等效锥度，同时也作为评判列车高速运行稳定性的指标，对车辆的横向稳定性影响甚大。车辆沿着轨道运行过程中,不能保证轮对处于对中位置,使得轮轨实际接触点位置不对称，形成轮对左右轮滚动圆半径差，产生等效锥度[2]。直线运行的蛇行运动稳定性和曲线通过性能都是机车车辆横向动力学性能研究领域的重要部分，是车辆动力学性能的主要评价指标。轮对横移直接导致车辆横向晃动,决定了车辆平稳性和舒适性，因此轮对横移量是车辆动态稳定性的关键指标[3]。而轮轨滚动接触纵向蠕滑率主要由滚动圆半径差决定。半径差越大，轮对偏离轨道中心时纵向蠕滑率越大,纵向蠕滑力也越大[4]，也就意味着轮对滚动圆半径差大小影响着车辆通过曲线的能力。车辆踏面的等效锥度与车辆的动态横移量和滚动圆半径差存在着一定的关系，间接影响着车辆动力学性能。

1等效锥度对车辆运行稳定性的影响

1.1 轮轨接触点的等效锥度与轮对动态横移量的关系我国现有标准规定的几种磨耗性踏面都是通过大量的试验、测量后优化设计的,适合我国铁路轨道的轨头形状、轨距、轮对内侧距及现有的运行速度[5]。图1为LMA型踏面分别与内侧距为1350mm、1360mm的CN60钢轨配合时的等效锥度与轮对横移量的关系。

对于与内侧距为1353mm相配合的图线，可以看出轮对横移量在6mm以内，轮轨接触等效锥度变化比较小，而且基本上呈线性变化,对轮轨接触的非线性影响比较小，车辆行驶时稳定性较好。在轮对横移量大于8mm后，等效锥度数值变大，过大的等效锥度虽有利于轮对恢复对中，但更容易产生蛇形失稳。

1.1.1 几种车轮踏面的等效锥度比较不同的踏面形状与钢轨配合，就会产生不同的轮轨接触关系，图是四种高速踏面与基于内侧距为1353mm的CN60钢轨配合时的等效锥度。

从图2中不同轮轨接触几何关系中可以看出不同的踏面形状所对应的等效锥度是不同的。LM型踏面等效锥度相对要高于其它型踏面，总体上来说这种踏面比较具有轮对对中恢复性能。另三种踏面在轮对中心横移量8mm范围内，等效锥度数值相差不大，有利于车辆运行的稳定性。

1.1.2 轮对内侧距对等效锥度影响在车轮踏面形状、钢轨轨头形状等保持不变下，轮对内侧距变化将导致轮轨接触关系的变化，从而影响到等效锥度[6]。从图1中不难发现，轮轨接触的等效锥度明显随着内侧距的变大而增大。因此在不同的内侧距下，轮轨的几何接触关系是不同的，从车辆运行平稳性角度出发，应该使之综合优化考虑，从而选择合适的踏面锥度。

1.2 轮轨接触点的等效锥度与车辆临界速度的关系随着运行速度的提高，车辆的蛇行运动逐渐趋向剧烈，以至于横向振动丧失稳定，这是的运行速度称为临界速度。计算临界速度，探讨影响临界速度的各种因素和寻求提高临界速度的措施，是横向稳定性的研究内容。分析发现，轮轨接触点的等效锥度在0.25~0.3之间变化所对应的车辆临界速度较高，在这范围内车辆横向振动比较稳定。

2车轮踏面等效锥度对曲线通过性能的影响

车辆通过曲线时的离心力使轮对贴近外轨，轮对等效锥度的存在使外轨侧车轮的滚动圆半径大于内轨侧车轮，使外轨侧车轮滚动通过曲线的弧长较大，故较大的轮对滚动圆半径差有利于曲线通过[3]，车辆通过曲线的性能取决于轮对滚动圆半径差的大小。而滚动圆半径差与轮对横移量相关，图3是基与CN60钢轨配合时的LMA型踏面的滚动圆半径差。左右轮滚动圆半径差与等效锥度随横移量的变化趋势基本一致，车轮踏面的等效锥度影响着车辆曲线通过性能，也就是说在通过性能上要求车轮踏面的等效锥度越大越好。在较大的等效锥度下，其相应的滚动圆半径差较大，曲线通过性能较好[7]。

3结论

车轮踏面的等效锥度影响着车辆动力学性能，从有利于车辆动力学性能角度出发，等效锥度不是越大或越小就越好，需要权衡轮轨蛇行运动的稳定性、轮轨对中性能和曲线性能等方面的性能要求。从几何结构上确定合适的车轮轮缘踏面外形，是以达到最佳的轮对等效锥度曲线的取值为佳。

参考文献：

[1]金学松，沈志云.轮轨滚动接触疲劳问题研究的最新进展[J].铁道学报，2001，23（2）：92-108.

[2]南塘.等效锥度.铁道建筑，2004.

[3]张剑，金学松等.基于CRH5型高速动车组车辆的轮对动态特性与等效锥度关系初探.铁道学报，2010.

[4]金学松.轮轨蠕滑理论及其试验研究.西南交通大学，1999.

[5]臧其吉，黄成荣，范钦海.高速动力车磨耗型踏面的参数研究[J].中国铁道科学.1994.

[6]陈厚嫦，黄体忠等.轮对内侧距对机车车辆动力学性能影响的试验研究.中国铁道科学，2006.

[7]肖广文，肖新标等.高速客车轮对动力学性能的比较.铁道学报，2008.