xp55-28经济型镟修踏面外形设计及动力学性能验证

XP55-28 经济型镟修踏面外形设计及动力学性能验证 *摘要：CRH5 型动车组采用的 XP55 型车轮踏面外形。在三、四级检修时如果按原型进行镟修，不仅镟修量较大，而且减少车轮使用寿命。本文通过对上千个在不同线路运行 120 万公里后的车轮进行外形测量，对 qR 值、Sd、Sh、等效锥度等进行统计分析，设计了 XP55-28 经济型镟修踏面；利用多体动力学软件SIMPACK 建立 CRH5 型动车组模型，对 XP55-28 经济型镟修踏面分别从轮轨接触几何关系、车辆系统蛇行运动稳定性、车辆直线轨道运行平稳性、车辆曲线通过安全性等方面进行对比分析。结果表明：轮轨接触几何关系相同，各项动力学性能指标均满足运营要求。关键词：轮轨型面；轮轨接触；经济型镟修踏面；动力学仿真XP55-28 economical renewing profile design and dynamics verificationAbstract：XP55 wheel profile is used on the EMU CRH5 of China. It can not only increase the workload, but also reduce the service life of the wheels if reprofiling the wheels according to the original profile during the level three and level four maintenance. XP55-28 economical profile designed on the basis of measuring the tread profile on more than one thousand wheels which running 1,200,000 kilometers on different lines and statistically analyzing the value of qR, Sd, Sh, equivalent conicity and etc By means of dynamic software SIMPACK, it is comparatively analyzed for the original profile and XP55-28 economical profile on the following aspects, including wheel- rail contact, vehicle anti-yaw stability, dynamic performance of running on straight line and passing curves, etc The result shows that wheel- rail contacts between the two profiles are same and the dynamic indexes can satisfy the operational requirements.Key words: wheel/rail profile; wheel-rail contact; economical renewing profile; dynamic simulation0 前言车轮踏面经济型镟修，不仅可以大幅度提高车轮踏面镟修效率，而且可以极大地降低高速动车组运用维修成本。因此，各国目前正探索和研究可行的车轮踏面经济型镟修方案。文献1表明，70%的欧洲新造铁路客车采用 S1002-32.5 车轮踏面，且车辆在运用检修和定期修型时，可以按照 S1002-31.5、S1002-30.5、S1002-29.5 和 S1002-28.5四种踏面形式进行镟修，并以此形成了标准 EN13715。另外，欧洲新造铁路客车还采用一种车轮踏面为 EP8-32, 其在运用检修和定期修型时，可以按照 EP8-29.5 踏面形式进行镟修。2004 年以前，国内新造干线铁路客车，主要采用 LM 和 LMA 两种车轮踏面 2，其中 LM 主要应用于 120km/h 及以下速度级车辆，LMA 主要应用于 160km/h 速度级车辆。对于 LM 型踏面，检修时可采用LM30、LM28、LM26 三种踏面型式进行镟修，并形成了标准 TB/T449-2003；对于LMA 型踏面，检修时没有明确规定，各车辆段和修理厂一般按照新造标准执行。2004 年以后，国内致力发展高速动车组。CRH1 和 CRH2 型动车组轮对采用LMA 型踏面，CRH3 型动车组轮对采用S1002-G 型车轮踏面，CRH5 型动车组采用XP55 型车轮踏面。但是截至目前，120 万公里检修还没有相应的经济型镟修标准，相关厂家仍按照新造标准执行，车轮镟修量在 20mm 左右，这不仅缩短了车轮的使用寿命，而且对三级修进度造成了不良影响，遭致各方质疑。以 CRH5 型动车组 XP55 车轮踏面为例，该型踏面修型周期为 36 万公里，经过120 万公里运营后返厂进行三级检修，再经过 120 万公里运营后返厂进行四级检修。但是，进行三、四级检修时车轮踏面还没有相应的经济型镟修标准，仍按照新造标准进行修型，车轮镟修量在 20mm 左右，这不仅给主机厂的三、四级修进度造成影响，而且缩短了车轮的使用寿命，增大了高速动车组运用维修成本。为延长 CRH5 型动车组用车轮的使用寿命、提高三级修轮对镟修效率、解决影响 CRH5 型动车组三、四级检修进度的瓶颈问题，经过前期调研和大量测试，本文提出了一种 XP55-28 经济型镟修踏面镟修方案，并利用多体动力学软件 SIMPACK建立 CRH5 型动车组 T2 车模型，对 XP55-28 经济型镟修踏面和 XP55 原型踏面，分别从轮轨接触几何关系、车辆系统蛇行运动稳定性、车辆直线轨道运行平稳性、车辆曲线通过安全性等方面进行对比分析，验证各项动力学性能指标是否满足高速动车组安全运营要求。1 120 万公里后 XP55 车轮踏面测量数据分析为掌握实际运用状态下车轮踏面外形，本文采用便携式 WP-C 型车轮外形检测仪 3，对返厂进行三级检修的 12 列车，共计 768个车轮的磨耗参数进行了测量，这些参数主要包括轮缘高度 Sh、轮缘厚度 Sd、车轮直径 Dr、轮缘斜面磨耗 qR 等。各参数定义如图 1 所示。经过统计、汇总和归纳后，该型踏面磨耗后外形与 XP55 原型踏面 4对比情况如图2 所示。即经过 120 万运用里程后（运用所每 36 万公里进行踏面修型） ，车轮轮缘根部磨耗 H1 为 3.54.3mm，踏面磨耗 H2为 1.31.9mm。详细尺寸变化情况如表 1所示。图 1 XP55 型踏面形状及测量参数定义图 2 踏面磨耗后与 XP55 型踏面对比图表 1 车轮磨耗参数运行 120 万公里后测量值名称新造标准值运用限度值(范围) (平均值)车轮直径Dr890 810873878874.5轮缘高度Sh29 36 29.531.5 30.3轮缘厚度Sd32.5 22 26.528.5 27.6轮缘斜面磨耗 qR11 6.5 9.9211.18 10.63等效锥度(计算值）0.06 0.4 (1) 0.234-0.688 0.438轮缘根部磨耗 H1(2)0 3.54.3 3.9踏面垂直磨耗 H2(3)0 1.31.9 1.6注：(1):该限度值为 ALSTOM 给出，主要与车辆的临界速度有关；（2）和（3）:为实际车轮踏面形状与原型 XP55 踏面形状在滚动圆处和轮缘根部处最大差值。由此可见，与原型车轮形状相比，三级检修时车轮踏面形状最大差异是轮缘厚度和等效锥度，车轮直径磨耗量大约为每10 万公里 1.01.3mm（包括动车所 3 次踏面修型车削量） ，轮缘高度、等效锥度、轮缘根部磨耗、踏面垂直磨耗等随运营里程增加而增大；轮缘厚度减少较大，这是因为除正常磨耗外，动车所踏面修型时对轮缘处车削量较大；qR 值随运营里程增加而有所减小，但减小程度不明显。依据现有高速动车组车轮踏面镟修方3法，CRH5 型动车组三级检修时，磨耗后的 XP55 踏面轮缘厚度 Sd 需要恢复到新造值 32.5，使得加工后的车轮直径在850858mm 之间，车轮直径减小了20mm。这不仅大大降低了车轮的使用寿命，而且镟修一条车轮需要进刀 45 次，每台车床每天只能加工 4 条轮对，制约了三级检修进度。2 XP55-28 经济型镟修踏面设计方案及技术参数在确保车轮运用安全前提下，为最大限度地减少车轮踏面镟修量，经济型镟修踏面设计原则为：轮缘厚度为 28mm，滚动圆左侧 16.5mm 到车轮外侧面踏面形状维持 XP55 原型；轮缘外侧面所有圆弧形状不变，维持原有轮缘角（70 ） ，整体向车轮内侧面平移 4.5mm，用 R13 圆弧切线使得踏面圆滑过渡；轮缘顶部用 R12 圆弧过渡，保证轮缘高度为 29。依据该设计方案，XP55-28 经济型镟修踏面与 XP55 原型踏面对比如图 3 所示，相关的踏面参数在表 2 中给出，其坐标点数值如表 3 所示。图 3 两种踏面对比表 2 两种踏面和运用限度标准参数对比踏面形状 Sdmm Shmm qRmm 等效锥度 5XP55 型踏面 32.5 29 11 0.06XP55-28 经济型镟修踏面 28 29 10.57 0.06运用限度标准 22 36 6.5 0.4表 3 XP55-28 经济型镟修踏面坐标点3 XP55-28 经济型镟修型踏面车轮使用寿命对比 理论计算和实际镟修测量结果表明，三、四级检修时采用 XP55 原型踏面，车轮直径减小大约为 1620mm，车轮使用寿命为 240 万公里，具体见表 4。如果采用XP55-28 经济镟修型踏面，车轮直径减小约为 810mm，可以使车轮使用寿命延长120 万公里，车轮使用寿命将达到 360 万公里，并且能结合第二个三级检修进行车轮更换，具体见表 4。表 4 两种车轮踏面镟修方式轮对使用寿命对比镟修方式新造车轮直径运行120 万公里120 万公里修后车轮直径240 万公里修后车轮直径四级修后状态运行360万公里状态XP55原型踏面890873878850858830835更换轮对XP55-28 经济型踏面890873878868873848853843848更换轮对4 XP55-28 经济型镟修踏面动力学性能分析车轮踏面外形涉及车辆临界速度、车辆安全性和平稳性。为验证 XP55-28 经济型镟修踏面是否满足安全运用要求，本文利用多体动力学软件 SIMPACK 建立了CRH5 型动车组 T2 车模型，对 XP55-28 经济型镟修踏面和 XP55 原型踏面分别从轮轨接触几何关系、车辆系统蛇行运动稳定性、车辆直线轨道运行平稳性、车辆曲线通过安全性等方面进行了对比分析。4.1 车辆系统动力学模型建立了如图 4 所示 T2 拖车多刚体系统动力学模型。模型中包含有 1 车体、2 个构架、4 个轮对、8 个轴箱以及 2 个牵引体。在自由度选择方面，考虑了车体和构架横向、垂向、侧滚、点头及摇头 5 个自由度，轮对横向、垂向、侧滚以及摇头 4 个自由度，轴箱考虑其绕车轴旋转自由度。整个系统的自由度共计 41 个。坐标系选取如下：车辆前进方向为 x轴，y 轴平行于轨道平面指向右方，z 轴垂直轨道平面向下。另外，由于枕梁与车体固结，所以将其整合到车体中作为一个刚体。另外，模型中钢轨采用 60kg/m 轨型，轨底坡按 1:40 设置。图 4 CRH5-T2 车辆系统动力学模型4.2 轮轨接触几何关系对比图 5-图 9 对比分析了 XP55-28 经济型镟修踏面和 XP55 原型踏面轮轨接触几何关系。由此可见，XP55-28 经济型镟修踏面与 60kg 钢轨匹配时轮轨间隙是 14mm，而 XP55 原型踏面是 10mm 左右，磨耗到限是 20mm 间隙。XP55-28 的轮轨接触点也更加集中，等效锥度在轮轨间隙内变化不大，均在 0.1 左右。采用 XP55-28 经济型镟修踏面，轮轨间隙增大，但等效锥度和轮轨接触角并没有随着轮对横移而明显增大，并且比 XP55原型踏面更容易发生两点接触。所以当轮对横移量超过 8mm 后，XP55-28 经济型镟修踏面经轮缘磨耗会更容易发生；而在小于 8mm 的接触范围内，XP55-28 经济型镟修踏面及钢轨磨耗范围更小。XP55-28 经济型镟修踏面与 XP55 原型踏面在轮对横移 8mm 范围内，轮轨接触几何关系完全相同，所以只要不是特别大的激扰和剧烈晃动，车辆在直线轨道上的动力学性能应该接近。图 5 车轮滚动圆半径比较图图 6 轮轨接触角比较图 7 等效锥度比较5图 8 XP55-28 经济型镟修踏面与 60kg 轨道接触点图 9 XP55 踏面与 60kg 轨道接触点4.3 车辆系统运行稳定性对比表 5 比较了 CRH5 型动车组 T2 拖车在空车、重车工况下，两种车轮踏面对应的临界速度。由于两种踏面在名义滚动圆附近的区域内相同，所以临界速度也接近，车辆系统在正常运行工况下的振动收敛情况也接近，满足 CRH5 以最高 250km/h 速度运行的要求。表 5 临界速度对比工况 临界速度 / (km/h)XP55-28 475空车 XP55 469XP55-28 472重车 XP55 4874.4 车辆系统平稳性对比根据车辆运行线路情况，选择京山线实测轨道不平顺作为线路激扰，分析 CRH5型动车组 T2 拖车在空车、重车工况下，分别采用两种踏面外形时，直线轨道上运行平稳性指标和横向最大加速度。从计算结果可见（图 10-图 11） ，两种踏面下的数值基本一致。图 10 空车时平稳性指标对比图 11 空车时最大加速度对比4.5 车辆系统曲线通过运行安全性对比根据车辆运行的线路情况，选择京山线实测轨道不平顺作为激扰，分析 CRH5 的 T2拖车在空车、重车工况下，分别采用两种踏面外形通过不同半径曲线时的安全性指标，包括轮轴横向力最大值、脱轨系数最大值、轮重减载率最大值和轮轴横向力平均值。小半径曲线考虑轨距加宽，曲线线路工况见表 6。按照曲线半径，分别得到各速度下的指标统计最大值，如图 12 所示。1012014016018020202402600.30.40.50.60.70.80.90.10.11012014016018020202402600.30.40.50.60.70.80.90.10.1横向加速度/g 车 速 /(km/h) XP5_2 垂向加速度/g 车 速 /(km/h)1020146018202042600.30.40.50.60.70.80.90.10.11020146018202042600.30.40.50.60.70.80.90.10.1横向加速度/g车 速 /(km/h)XP5_2 垂向加速度/g车 速 /(km/h)1012014016018020202402601.5.61.7.81.92.0.1232.4.51012014016018020202402601.5.61.7.81.92.0.1232.4.5横向平稳性指标 车 速 /(km/h) XP5_2 垂向平稳性指标 车 速 /(km/h)1020146018202042601.5.61.7.81.92.0.1232.4.51020146018202042601.5.61.7.81.92.0.1232.4.5横向平稳性指标车 速 /(km/h)XP5_2 垂向平稳性指标车 速 /(km/h)表 6 曲线线路工况工况 半径 /m 超高 /mm 车速/(km/h)1 180 100 10252 220 100 15303 250 100 20604 300 100 40805 500 100 50906 800 100 401207 1200 100 601408 2000 100 1001809 3000 100 1402201018 号道岔0 80计算结果表明，两种踏面下的曲线通过安全性指标接近，且均满足标准限值要求。由图 13 可见，两种踏面下通过 18 号道岔时，经济镟修轮对横移量较大,但是两种踏面其余各项动力学性能指标差异不明显。 0510520530 302018050302520轮轴横向力最大值/kN曲 线 半 径 /mXP5 -28180(a) 轮轴横向力最大值020.4.60.81. 3021080530250脱轨系数最大值 曲 线 半 径 /m XP5-2818 限 值 0.8（b） 脱轨系数最大值0.0.20.40.60.8 3021080530250轮