西南交通大学翟婉明院士团队：重载机车车轮车轮非圆化磨耗演变机理及控制措施|CJME论文推荐|磨耗|科学家|翟婉明|西南交通大学|车轮车|轮轨|钢轨

引用论文

Yang, Y., Chai, F., Liu, P. et al. On the Polygonal Wear Evolution of Heavy-Haul Locomotive Wheels due to Wheel/Rail Flexibility and Its Mitigation Measures. Chin. J. Mech. Eng. 37, 16 (2024). https://doi.org/10.1186/s10033-024-01001-z

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研究背景及目的

近年来，车轮非圆化磨耗不仅广泛存在于高速列车和地铁列车车轮上，还大量存在于重载机车车轮上。不同于车轮踏面横向磨耗，车轮非圆化磨耗会导致显著的车辆和轨道系统异常振动问题。重载电力机车目前频繁出现的簧下结构振动报警事故以及部件疲劳失效现象就与严重的车轮高阶非圆化磨耗密不可分。据文献调研，相比于圆顺的车轮，当车轮存在严重的非圆化磨耗时将会显著提高簧下结构的振动能量和车内、轮轨噪声。如若不加以维护，严重的车轮非圆化磨耗甚至会导致车辆和轨道零部件的疲劳断裂（如一系弹簧断裂、高速列车轴箱盖掉落、垂向止挡断裂以及牵引传动系统出现疲劳裂纹等现象）。此外严重的车轮非圆化磨耗甚至会引发严重的安全事故以及巨大的人员伤亡事件。

目前，车轮非圆化磨耗形成机理尚未形成统一定论，同时所提出的减缓措施缺乏可行性及实际验证，这不仅制约了铁路工作者制定有效的工程对策，同时也违背了轨道交通智能运维的发展理念。因此，探明重载机车车轮非圆化磨耗的演变机理，并在此基础上提出相应的控制措施极具理论意义和工程应用价值。

试验方法

针对我国重载机车车轮非圆化磨耗及其导致的异常振动问题，通过数值仿真和现场调研相结合研究手段，开展重载机车车轮非圆化磨耗演变机理及缓解措施研究。

本文首先基于车辆―轨道耦合动力学理论、轮轨滚动接触理论以及多体系统动力学理论，构建了详细考虑轮轨非赫兹滚动接触行为及不同轮轨系统刚柔耦合模式的重载机车―轨道刚柔耦合动力分析模型；然后结合轮轨材料摩擦磨损理论，发展了基于铁路大系统动力学理论的重载机车车轮非圆化磨耗演化预测模型。通过对比分析揭示了轮轨系统柔性效应与重载机车轮轨系统动态相互作用及车轮非圆化磨耗演化发展之间的映射关系。

然后，通过对车轮非圆化磨耗及重载机车运行状态的现场调研，研究了车轮镟修方式（镟修刀数）对重载机车车轮非圆化磨耗发展的影响机理，统计分析了不同机车运用模式（包含单线运营和混线运营）与重载机车异常振动报警情况及车轮非圆化磨耗之间的映射关系，并在此提出了相应的车轮非圆化磨耗抑制措施。

结果

轮轨系统柔性效应对轮对垂向振动影响的时域和频域对比分析结果如图1所示，同时给出了轮对垂向振动现场测试结果，以验证考虑不同轮轨系统柔性效应的重载机车―轨道刚柔耦合动力分析模型的精准性。通过图示可以看出，高阶车轮非圆化磨耗（17～24阶）会导致显著的80～130 Hz轮对垂向振动。当同时考虑轮对和钢轨柔性效应时（Model-Ⅲ）可更准确反映车轮非圆化磨耗激扰作用下的轮对振动特性。

(a) 时域对比分析结果

(b) 频域对比分析结果

Figure 1轮轨系统柔性效应对轮对垂向振动影响对比分析

图2给出了考虑不同轮轨系统柔性效应情况下的车轮非圆化磨耗演化发展预测结果。在仿真计算中，将车轮扁疤作为初始轮轨界面激扰输入，共进行了20次车轮非圆化磨耗迭代计算。通过图示可以看出，当同时考虑轮对和轨道系统柔性效应时（Model-Ⅲ）出现了显著的16～19阶车轮非圆化磨耗，这主要与重载机车轮对一阶弯曲变形（模态频率为82 Hz）相关；同时也出现了较为轻微的6～7阶车轮非圆化磨耗，这主要与轮轨系统P2耦合共振有关。因此，同时考虑轮对和轨道系统柔性效应时可更真实地反映重载机车车轮非圆化磨耗演变发展特征。

(a) 模型1

(b) 模型2

Figure 2轮轨系统柔性效应对车轮非圆化磨耗演化发展影响对比分析

结论

本文首先通过构建考虑轮轨非赫兹滚动接触特性以及不同轮轨系统柔性效应的重载机车车轮非圆化磨耗预测模型，仿真分析了轮轨系统柔性效应对重载机车车轮非圆化磨耗演化发展的影响机理。然后通过现场调研探明车轮镟修方式、机车运用策略对车轮非圆化磨耗发展的影响，并在此基础上提出相应的抑制措施。通过本文研究可得到以下几点结论：

（1）重载机车簧下结构异常振动与车轮非圆化磨耗密切相关，尤其是高阶车轮非圆化磨耗。重载机车17～24阶车轮非圆化磨耗是导致重载机车轮对显著的80～130 Hz振动响应的根本因素；

（2）当同时考虑重载机车轮对和钢轨柔性变形时，车轮出现了显著的16～19阶以及较为轻微的6～7阶车轮非圆化磨耗，这分别与轮对一阶弯曲模态和轮轨系统P2耦合共振有关。由此可见在数值仿真计算时，同时考虑轮对和轨道系统柔性效应时可更真实地反映重载机车车轮非圆化磨耗的演变特征。

（3）相比于单刀镟修方式，当采用多刀镟修方式时可有效根除车轮高阶非圆化磨耗，同时镟后车轮高阶非圆化磨耗发展更为缓慢；另外，车轮非圆化磨耗以及所导致的异常振动现象与机车生产批次无关，而与其运用模式密切相关。当机车仅在单一线路上运行时会萌生车轮高阶非圆化磨耗；而执行混跑策略的重载机车可避免车轮高阶非圆化磨耗的萌生以及所导致的异常振动现象。

前景与应用

本文针对车轮非圆化磨耗及其导致的重载机车服役性能劣化问题，基于数值仿真―现场调研―机理剖析驱动的指导思想，阐明了重载机车车轮非圆化磨耗的演化发展规律和关键因素影响机理，并在此基础上提出相应的减缓措施。

本论文研究成果可进一步深化铁道机车车轮非圆化磨耗形成机理的研究，同时所提出的车轮非圆化磨耗抑制措施可有效避免重载机车车轮非圆化磨耗所导致的一系列工程问题。本研究成果对保障重载机车运营安全、降低运维成本具有重要的理论意义与工程实用价值，助力“交通强国”等国家发展战略。

相关文章/图书推荐

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团队带头人

翟婉明，博士，教授，中国科学院院士。1963年8月生，江苏靖江人。西南交通大学首席教授、校学术委员会主席，国家有突出贡献的中青年专家，兼任中国振动工程学会理事长、国务院学位委员会学科评议组召集人、中国力学学会副理事长、四川省科协副主席、成都市科协主席、国际车辆系统动力学协会（IAVSD）执委、国际轨道交通学报（英国）主编。长期从事轨道交通工程动力学与振动研究，开拓了铁路大系统动力学研究新领域，创建了机车车辆－轨道耦合动力学理论体系；提出了机车车辆与线路最佳匹配设计原理及方法；主持研究建立了高速列车通过桥梁时的动力相互作用理论及安全评估技术。成果在国际上有重要影响，其理论模型和数值算法被称为“翟模型”和“翟方法”，在国内被广泛应用于我国铁路重点工程领域，取得了重大社会经济效益，获得国家科技进步一等奖、二等奖（均为等一完成人），两项成果入选“中国高校十大科技进展”。个人曾获中国青年科学家奖、何梁何利科学与技术创新奖、长江学者成就奖一等奖、以及全国创新争先奖状、全国五一劳动奖章。

作者介绍

杨云帆（本文第一作者），男，1992年出生，讲师。长期从事列车与运行环境动态相互作用、轮轨服役性能演化及调控研究；在国内外权威学术期刊发表SCI/EI学术论文近30篇，其中以第一/通讯作者发表SCI 期刊论文9篇，EI 期刊论文5篇；主持国家自然科学基金（青年基金）项目、河北省教育厅青年拔尖人才项目；兼任《机械工程学报》青年编委。

凌亮（本文第四作者），男，1986年出生，研究员，博士生导师，国家青年人才计划入选者，西南交通大学“杨华学者”。长期从事列车与运行环境动态相互作用及服役安全控制研究；在国内外权威学术期刊发表学术论文100余篇，授权发明专利20余项；主持国家自然科学基金重点类项目（铁路基础研究联合基金）、面上和青年项目、国家高层次人才特殊支持计划项目、四川省应用基础项目、国家重点研发计划项目子课题、中国铁路总公司系统性重大项目子课题等二十余项科研课题。兼任领域主流SCI期刊《International Journal of Rail Transportation》编委，《机械工程学报》、《中南大学学报（自然科学版）》、《西南交通大学学报》、《交通信息与安全》青年编委；国际车辆系统动力学协会会员、中国力学学会高级会员、中国振动工程学会高级会员，世界交通运输大会（WTC）第三届学部委员会轨道交通车线相互作用技术委员会主席，中国交通运输协会青年科技工作者工作委员会第六届委员，轨道交通运载系统全国重点实验室教授委员会秘书。曾获2019年国家科技进步二等奖（排名10），2022年国家级教学成果二等奖（排名7），全国铁路青年科技创新奖，四川省高等教育教学成果一等奖（排名7），SCI期刊《Acta Mechanica Sinica》年度最佳论文奖，詹天佑铁道科学技术专项奖，四川省海外高层次留学人才称号。

团队研究方向

列车与线路研究所是由翟婉明院士带领的跨学科研究团队，研究工作涉及车辆工程、载运工具运用工程、铁道工程、桥梁工程、工程力学、环境振动与噪声等多个学科领域，以动力学仿真分析、振动测试评估为主要研究方向，开展前沿基础理论与工程应用研究。研究方向主要包括：

（1）铁路大系统动力学；

（2）机车车辆－轨道耦合动力学；

（3）列车－轨道－桥梁动力相互作用；

（4）磁悬浮交通系统动力学；

（5）轨道交通振动噪声及控制。

近年团队发表文章

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[2]Chao Chang Liang Ling*, Shiqian Chen, Wanming Zhai, Kaiyun Wang, Guidong Wang. Dynamic performance evaluation of an inspection wagon for urban railway tracks. Measurement, 2021, 170: 108704.

[3]Liang Ling, Peibin Jiang, Kaiyun Wang, Wanming Zhai. Nonlinear stability of rail vehicles travelling on vibration-attenuating slab tracks. ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, 2020, 15(7): 071005.

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作者：杨云帆

责任编辑：谢雅洁

责任校对：张强

审核：张强

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