踏面磨耗对车辆稳定性及平稳性的影响分析

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【摘要】运用SIMPACK软件对典型线路运营车辆进行动力学仿真，使用MATLAB软件对仿真数据进行后处理，画出不同运营里程下车辆的Hopf极限环以及不同踏面磨耗状态下车辆的横向、垂向平稳性指标的变化规律，提出了踏面磨耗对车辆稳定性及平稳性影响的分析方法，为研究其他线路踏面磨耗对车辆动力学的影响提供了方法参考。

【关键词】踏面磨耗；稳定性；平稳性；SIMPACK；MATLAB

1 前言

轮轨几何接触是解释车辆运行动力学性能的基础，随着运营里程的增加及踏面不断磨耗，磨耗轮与轨道的几何接触与新轮状态有着较大差异。因此，采集磨耗踏面数据，研究踏面磨耗规律及其对车辆动力学性能的影响是一项具有重要意义的工作。

本文以采集的车辆磨耗踏面数据为基础，基于多体动力学软件SIMPACK建立精确的车辆动力学模型，进行磨耗车辆动力学仿真分析，主要研究车轮踏面磨耗对车辆系统的运行稳定性及平稳性的影响。

2 动力学仿真计算

选用运行于某典型线路上的某辆车的车轮在第一个镟修周期内的踏面磨耗数据（里程节点分别选为6万公里、12万公里、15万公里、20万公里），建立精确的车辆动力学系统非线形数学模型，研究踏面磨耗对车辆系统的蛇形运动稳定性、运行平稳性的影响。利用SIMPACK软件建立车辆动力学仿真模型，模型如图2.1所示。

轮轨接触几何参数是轮对横移量的非线性函数，包括车轮滚动半径、车轮横断面曲率半径、接触角、轮对侧滚角、轨头横断面曲率半径等。由于车轮和钢轨可以具有任意外形，轮轨接触几何参数很难直接表示为轮对横移量的显函数形式，因此，轮轨接触几何参数可表示为轮对横移量的数据表，而中间值则采用线性插值的方法来计算。新轮及磨耗轮踏面接触几何参数均采用SIMPACK软件进行计算。

2.1稳定性计算及分析方法

将不同里程下的磨耗踏面采集数据输入到车辆模型中，研究踏面磨耗对蛇形稳定性能的影响。根据Hopf极限环分叉原理，研究车辆系统的临界速度，确定如下稳定性分析方法：给定一较大的初始激扰状态，在无轨道激励条件下，通过测试系统的振动能否衰减到平衡位置来判断系统是否出现蛇行失稳。若在某一车速下系统的振动不再收敛到平衡位置，认为此时的车速值为系统的非线形临界速度；同样，给定一较小的激扰，重复上述过程，认为车辆失稳时的速度为实际临界速度。以该辆车1到4位轮对的横移量作为输出对象，临界速度选择4条轮对的最低临界速度；在非临界速度运行时，选择4条轮对最大的横移量作为车辆的横移量。

通过仿真计算，利用MATLAB软件对仿真结果进行数据处理，做出新轮、6万公里、12万公里、15万公里、20万公里五种状态的分叉图对比，如2.2所示。其中靠左面的4条线为较大激扰条件下的4条轮对的横移量随速度变化曲线，其临界速度可以认为是车辆非线性临界速度；靠右面的4条线为较小激扰条件下的4条轮对的横移量随速度变化曲线，其临界速度可以认为是车辆的实际临界速度，两种激扰状态综合起来完成了车辆分叉图的计算模拟。

2.2半稳性计算

计算车辆的平稳性的初始条件为：轨道形式为直轨道，轨道激励为在横向、垂向上加载与运营线路相似的轨道谱。在不同速度等级情况下计算车辆的横向、垂向平稳性指标。Sperling平稳性指标的计算方法，依照《GB 5599 85铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》执行。利用MATLAB软件编写平稳性指标程序，计算横向、纵向平稳性指标结果如如图2.3（a）、（b）所示。

由图2.3（a）可见，磨耗踏面车辆的横向平稳性比新轮差。在该线路下该车辆磨耗踏面中，6万公里后的车辆稳定性能最好，12万公里的平稳性最差，15万公里与20万公里后车辆的横向平稳性接近；而由图2.3（b）可以看出踏面磨耗对车辆的垂向平稳性的影响不大。

3 结语

3.1随着踏面磨耗的不断增加，车辆的稳定性逐渐降低，12万公里后车辆的稳定性能下降明显；20万公里的稳定性能最差。

3.2随着运营里程的增加，车辆的横向平稳性下降明显，特别是车辆刚开始运营阶段（新车到6万公里）车辆平横向稳性下降幅度较大，在6万公里之后车辆的平稳性也在降低，但12万到20万公里区段车辆平稳性变化不是特别大。

3.3由于模型中没有考虑磨耗引起的车轮不圆和径向跳动，因此垂向平稳性指标变化并不明显。

本文通过对某典型线路的踏面磨耗车辆进行动力学仿真计算，研究确定了踏面磨耗后车辆动力学分析的方法及数据处理过程，为后续研究其他线路车辆的稳定性、平稳性规律打下了良好的基础，具有一定的参考价值。