crh5型高速动车组车辆的轮对

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1、CRH5型高速动车组车辆的轮对CRH5型高速动车组车辆的轮对　摘要：为探索轨道随机不平顺激扰条件下高速轮对动力学特性与其等效锥度的关系，采用CRH5型动车组车辆悬挂参数进行车辆动力学计算，分析车轮踏面锥度对车辆平稳性的影响，研究过大的轮对滚动圆半径差能否使车辆在高速通过大半径曲线时发生蛇行现象，并利用LMA型面分析等效锥度与轮对动态横移及轮对恢复对中能力的关系。结果表明：过低的踏面锥度不仅会使轮对动态横移量增大，无益于临界速度的提高，反而会削弱轮对恢复对中能力；合理的踏面锥度应该与轨底坡相匹配，等于或略大于轨底坡。过大的轮对滚动圆半径差可能会激发轮对

2、蛇行。因此，高速轮对等效锥度应兼顾轮对动态横移与恢复对中能力，以确保轮对动态特性的稳定。　　　　关键词：等效锥度；车轮型面；轮轨滚动接触；车辆　　　　动力学由具有一定锥度的踏面构成的轮对沿钢轨滚动时会产生蛇行运动[1]，造成车辆横向晃动，使平稳性降低，而轮轨间作用力、转向架悬挂力的存在，可保证蛇行运动在一定速度范围内稳定。　　车轮踏面外形(型面)通常由不同半径的圆弧和直线构成，钢轨型面也由圆弧构成，轮对的等效锥度实质上由车轮、钢轨型面、轮轨技术参数共同决定。轮对等效锥度与其滚动圆半径差存在如下关系[3；t~-一(1)式中，Y为轮对横移量；rt、rr分

3、别为左右车轮滚动圆半径；Ar为轮对滚动圆半径差。　　等效锥度，甚至锥度，并不总是直接出现在车辆动力学模型中[4-s]，因此有人质疑其存在的必要性，但不可否认等效锥度具有很强的工程应用价值和行业认同度，特别是在解释等效锥度与车辆动力学特性关系方面较清楚、简便。　　我国与欧洲UIC、日本新干线铁路轨距标准同为1435mm，不同的是UIC和新干线的轨距从钢轨顶部以下14mm处测量，而我国从16mm处测量。我国60kg／m钢轨型面CHN60与UIC60E1钢轨型面均由相同半径圆弧构成，但由于圆弧切点的不同，造成二者有较明显的差别；日本JIS60钢轨与以上二者

4、的差别则很大。　　更主要的是，UIC轮对内侧距为1360mm，而我国是1353mm，导致UIC推荐的S1002型高速车轮踏面外形不适用于我国轨道的技术条件。这是因为将S1002型面轮对内侧距由原来1360mm减小到1353mm，轮轨之间的游间将明显变大，轮对等效锥度降低J，车辆通过曲线时会因为等效锥度过小而激发蛇行运动[8]。值得注意的是，通常轮对通过曲线时，左右车轮与钢轨的接触状态是不对称的。有些运营企业拟将S1002型面车轮的轮缘厚度加厚约2mm，这实质上起到两方面作用：一方面，将轮对内侧距由1353mm增加约4mm变为1357mm，根据文献[7

5、]，轮对内侧距的增加必然导致轮对等效锥度提高，轮对在高速状态下晃动严重，轮轨作用力加剧；另一方面，减小了轮轨问隙，车轮将以轮缘根部区域与钢轨内侧的R13～R80(mm)圆弧接触，使接触斑面积变小。这两方面作用均使接触应力增大，导致车轮踏面剥离现象严重。关于轮对内侧距1353mm条件下S1002型面轮对较为详细的数值见文献[8—9]。　　国际上，Shevtsov[1o12]、Markine[“以及Jahedr¨]　　等均以轮对滚动圆半径差为设计目标进行车轮型面数值的优化设计。他们以轮对滚动圆半径差作为优化目标，抓住车轮型面设计的首要矛盾。只有确保良好的

6、动力学性能，解决好直线区段车辆平稳性与轮对恢复对中能力的矛盾，以及车辆曲线通过性能与直线运动稳定性的矛盾，才可能解决其他问题。由此不难看出，车轮型面设计成败的关键在于找到合理的轮对滚动圆半径差或等效锥度曲线，这一点可从Shevtsov等口0]　　的工作中体会到其困难程度。　　本文将考虑在列车高速运行条件下轨道随机不平顺的动态情况，采用CRH5型动车组车辆悬挂参数，通过车辆轨道耦合系统动力学分析，就轮对合理等效锥度问题进行初步探讨。　　1踏面锥度与车辆平稳性在直线区段，轮对的蛇行运动实质上是轮对质心不断偏离轨道中心后又回到轨道中心的一个反复过程。这一过

7、程需通过车轮踏面锥度来实现。由于转向架及轮对的制造误差和轨道随机不平顺的必然存在，不能保证轮对在直线轨道区段始终处于对中位置，导致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。根据轮轨滚动接触蠕滑理论，该半径差导致作用在左右车轮上方向相反的纵向蠕滑力增大，使轮对产生摇头运动。轮对向轨道一侧运动，则靠近轨道一侧车轮滚动半径逐渐增大，另一侧逐渐减小，这又使两侧车轮纵向蠕滑力改变方向，轮对向对侧轨道运动，如此反复。等效锥度起到恢复对中的作用。　　摇头运动产生在轮对反复恢复对中的过程中。它使轮对冲角不断变化，最终将车辆纵向运动的部分能量转化成横向晃动

8、能量，造成车辆横向振动，严重时导致车辆蛇行运动失稳。　　因此，车轮踏面锥度应是综合考虑轮对的对中和稳定性两方