摘要
重载电力机车车轮多边形磨耗会导致剧烈的轮轨冲击作用、轮轨滚动噪声以及车辆和轨道系统异常振动问题，因此引起了国内外铁路工作者和科研人员的重视。近年来，为实现更高运行速度、更大牵引重量的要求，机车制造厂商不得不提高重载电力机车的牵引功率和轴重，从而使得重载电力机车的轮轨关系变得越来越恶劣，加剧了车轮多边形磨耗的发展。目前铁路车辆车轮多边形磨耗的演变规律尚不明确，同时也缺乏完全消除多边形磨耗不利影响的控制措施。因此，开展重载电力机车车轮多边形磨耗演变规律与控制技术研究，具有重要的理论意义和工程实用价值。本文针对我国重载机车车轮多边形磨耗及其导致的异常振动问题，通过现场试验和数值仿真相结合的方法，研究了重载电力机车车轮多边形磨耗演变规律及控制对策。 本文主要开展了以下几方面的研究工作： （1）基于车辆―轨道耦合动力学理论，建立了重载列车―轨道三维耦合动力学数值模型，该模型主要包含考虑轮对柔性效应的重载机车系统动力学模型、有砟轨道系统动力学模型以及轮轨空间动态相互作用模型。由于轮对柔性效应与轮轨系统动态相互作用以及车轮多边形磨耗的形成和演变密切相关，因此在此考虑了轮对的柔性变形及其对轮轨动态接触的影响。另一方面，防滑控制器会在重载机车轮对发生打滑时起到重要作用，因此在此还考虑了防滑控制模型。 （2）由于轮轨接触斑几何形状以及接触应力分布呈明显的非赫兹特性，因此本文采用一种稳健而精确的轮轨非赫兹法向接触模型（MKP-Yaw模型）以及基于此的轮轨切向接触模型（MKP-FaStrip-Yaw模型）分别求解轮轨法向力和蠕滑力。此外，采用基于轮轨非赫兹滚动接触理论的 USFD 模型来预测车轮多边形磨耗的演变发展，同时在车轮多边形磨耗预测模型中还考虑了水、油污等“第三介质”对轮轨黏着水平以及多边形磨耗发展的影响。 （3）为分析车轮多边形磨耗对机车振动行为以及轮轨动态接触的影响，对不同车轮多边形磨耗情况下的机车振动行为进行现场测试。测试结果表明：车轮多边形磨耗对机车振动影响显著，尤其是簧下结构。严重的高阶多边形磨耗时会导致机车轴箱、构架和车体振动存在77～135 Hz的频率响应，其主要由显著的 16～19 阶和 24 阶车轮多边形磨耗所导致。 （4）利用所建立的重载列车―轨道刚柔耦合动力学模型分析了牵引和制动工况以及复杂轮轨黏着条件下车轮多边形磨耗对轮轨接触行为的影响。通过仿真分析可知，无论是在干燥还是在低黏着接触条件下，当车轮存在严重的高阶多边形磨耗时，轮轨法向和切向相互作用均明显比轻微多边形磨耗激励作用下的轮轨法向和切向动态相互作用更为剧烈，其中在低黏着接触条件下轮轨纵向相互作用较干燥接触状态下的轮轨纵向相互作用更为剧烈。此外还分析了车轮多边形磨耗特征及车辆行驶速度对轮轨系统动态相互作用的影响。研究结果表明，车轮多边形磨耗幅值和阶次对轮轨系统动态响应影响显著，其中轮轨冲击作用和轮对垂向振动随着多边形磨耗幅值的增大而增大，而轮轨系统动态响应随车轮多边形磨耗阶次的增大而呈明显的非线性趋势。 （5）通过现场对重载机车轮对和线路模态测试以及重载列车―轨道耦合动力学仿真，分析了轮轨系统柔性效应对车轮多边形磨耗萌生及演变的影响。首先通过对机车车轮多边形磨耗的普查测试统计分析可知，出现振动报警的车轮高阶多边形磨耗主要以 16～25 阶次为主，所对应的多边形磨耗显著波长为 160～250 mm；通过轮对模态测试发现在300 Hz以内轮对存在 81.2 Hz和 129.4 Hz的模态振型，分别表现为轮对一阶弯曲变形和车轮横向弯曲变形，这两个模态频率分别与17～19和23～25阶多边形磨耗的激励频率相接近（当机车车辆以 68～76 km/h 速度运行时）。通过仿真计算可知，在车轮扁疤激扰作用下，同时考虑轮对和轨道系统柔性效应时，可更真实地反映机车车轮多边形磨耗演变特征。 （6）基于现场调研和数值计算，分析了重载机车运用模式、车轮镟修方式以及防滑控制对机车车轮多边形磨耗发展的影响。调研和仿真计算结果表明：新出厂的重载电力机车执行混跑运行可避免车轮高阶多边形磨耗的萌生以及所导致的异常振动现象；轮对镟修过程中采用较为牢固的轮对定位/固定方式时虽然会导致低阶车轮多边形磨耗的产生，但可有效消除车轮高阶多边形磨耗，从而可彻底消除机车车辆异常振动现象；采用低阈值的防滑控制器可有效降低轮轨滑行行为和磨耗，从而减缓17～18阶和21～22阶车轮多边形磨耗及其所导致的异常振动现象。
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