张杨敏 张瑜
中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111
摘要：我国动车组速度不断提高，线路和轮轨之间力的作用增加，对轮轴、轮轨载荷提出了更高的要求。基于此，本文先对动车组轮轨载荷特征展开了研究，然后分析了影响因素。通过对轮轨载荷的研究更有利于提高动车组运行的稳定性，提高轮轨载荷能力，保护动车组的稳定运行。
关键词：标准动车组；轮轨载荷；载荷特征；影响因素
引言：轮轨载荷主要作用于钢轨和车轮上，引导列车的文ing运行，若轮轨不合理会引起车辆脱轨或者部件断裂，严重威胁轨道寿命和动车组的运行安全。如今我国已经成功研发时速400km/h的动车组，车速进一步提高，为保证动车组运行安全舒适，必须要要提高车辆结构稳定安全性，保证轮轨载荷在安全范围内。因此针对轮轨载荷特征的研究有现实意义。
一、标准动车组轮轨载荷特征分析
（一）时域特征
根据轮轨载荷变化时间历程进行载荷特征的分析。分为两种情况：（1）直线路线上，车辆载重以及线路情况会直接影响轮轨载荷，车辆运行速度也影响垂向力。需要对不同速度和空载状态进行垂向载荷时域特征的分析。在低速情况下，空载和重载时轮轨垂向载荷表现出一定规律，空载是轮轨垂向载荷最大值不超过100kN，最小载荷不超过30kN；重载时轮轨垂向载荷最大值在130kN之内，最小载荷40kN。在高速运行状态下，空载是轮轨垂向载荷最大值在120kN以下，最小载荷在20kN；满载时轮轨垂向载荷最大值在140kN，最小值为30kN。在直线工况下，左轮和右轮轮轨垂向载荷接近，左轮垂向载荷较右轮略低。在重载状态下垂向载荷在83kN左右波动。在空载时垂向载荷在69KN附近波动。空载时波动范围相对较小，在载重状态下轮轨垂向载荷波动幅度改变。动车组高速运行时，轮轨垂向波动范围大，速度相对高。在轨道激扰和线路的影响下，轮轨载荷受到影响越大。若车组匀速运行，垂向波动受到线路激扰的影响，决定载荷变化幅度的大小。而横向载荷主要在0kN附近波动，波动幅度在30kN之内，左轮和右轮的横向载荷接近。重载情况下，横向载荷波动范围较大，载重情况会在一定程度上影响横向载荷。（2）曲线线路上，列车轮轨垂向载荷受到载重状态的影响不大，在运行上由于速度不同，外轨超高量差距较大。建好线路后，确定好曲线半径以及超高量。列车运行期间主要受到运行速度的影响。当列车低速运行时，外轨超高，重力超过离心力，车轮和钢轨相接触，造成车轮垂向载荷超过外侧车轮，外侧减载，内侧增载，这时钢轨和轮轨损伤加重[1]。当列车超过车速运行，外轨超高形成重力超过离心力，欠超高，钢轨和车轮接触，造成外车轮增载，严重时造成脱轨。轮轨横向载荷是保证通过曲线的关键，主要受到曲度、速度的影响，在曲线上横向载荷变化规律接近于垂向载荷，载荷大小受到速度和曲度的影响，波动不超过30kN。
（二）频域特性
一般情况下，轮轨垂向频率超过1000Hz，功率谱密度在500Hz内，表明轮轨垂向力主要是频率范围。高速度和低速度等级的能量峰值位置有明显不同，能量峰值处于不同位置，由于运行速度影响车轮的转动频率，从而造成峰值位置的差异。在不同路线上轮轨横向载荷变化规律和垂向载荷接近，在曲线路线上，不同速度动车组通过线路，轮轨横向载荷能量峰值随着车速增加而增加。通过对比横向和垂向载荷，可以发现在直线工况下，横向载荷和垂向载荷存在一定相关性。在曲线路线上，横向载荷和垂向载荷的时域变化更加明显，而频域特性的变化并不明显。
二、标准动车组轮轨载荷特征的影响因素分析
（一）车组速度
在车组直线运行情况下，轮轨受到垂向载荷表现为正态分布，左右轮垂向载荷接近于静轮重值。如今动车组不断提速，造成轮轨垂向载荷增加，假设动车组速度为240km/h，那么垂向载荷54kN，当提高速度达到360km/h时，垂向载荷将达到81kN。在横向载荷上，其变化形式并未按照正态分布，而是出现两个峰值和两个峰谷。在不同速度条件下，横向载荷主要为小载荷，在直线运动作用下，列车可以稳定运行，轮轨载荷不高[2]。横向载荷变化可以分为两个正态分布变化过程，横向载荷有逐渐增大的趋势，但并不明显。这是由于动车组在前进过程中，会出现摇摆现象，造成轮轨横向载荷表现出正负向的变化。当动车组速度不断提高，轮轨垂向载荷波动，左轮垂向载荷减小，而右轮垂向载荷增大，左右轮轨载荷差距增加。由于动车组通过曲线轮轨时会出现一端偏移，轮缘会产生挤压钢轨的力，造成钢轮和车轮接触，增加横向力。轮轨横向载荷随着车速增加，波动变化更加明显，逐渐表现出和垂向载荷一致的规律。
（二）路况
在直线线路上，左轮和右轮载荷基本可以拟合；在曲线线路上，左轮和右轮载荷分布情况一致，但不能拟合。在同等速度下，车轮轮轨载荷上下行曲线条件差异不大，随着速度增加，拟合程度越低，主要由于在曲线路况中，依赖于钢轮和车轮导向作用，两侧以钢轨和车轨内侧作用力为主。受到线路激扰的影响，对轮轨载荷产生一定影响。
（三）车组种类
车组在拖车和动车不同情况下，以相同速度通过线路，变化规律相似，但动车由于具备齿轮箱以及电机等设备，垂向载荷变化幅度更大，动车横向载荷表现出双峰变化，拖车横向载荷表现为三角锯齿波动变化。在直线线路上，拖车左轮和右轮的垂向载荷峰值均高于动车左轮和右轮。当垂向载荷增加至85kN左右时，拖车左轮和右轮的垂向载荷迅速降低。拖车横向载荷峰值高于动车横向载荷，但波峰陡，升高降低迅速。在曲线线路上，拖车左轮和右轮垂向载荷变化接近于动车垂向载荷，且峰值较动车垂向载荷低。拖车横向载荷峰值远高于动车横向载荷，差距较大。
（四）车组载重
动车组在重车和空车情况下，通过曲线和直线时轮轨载荷受到不同的影响，垂向载荷大小受到载重的直接影响。在直线线路下，动车组空载时左轮和右轮垂向载荷在68kN附近波动。在动车组满载的情况下左轮和右轮垂向载荷在84kN附近波动，和轮重接近。在曲线条件下，满载和空载情况下轮轨垂向载荷出现偏载，满载情况下偏载程度更高。无论在空载还是重载情况下，直线还是曲线工况，横向载荷均会保持一致。
（五）曲度
在曲线线路上，曲度也会影响轮轨载荷的分布。在不同半径的两个曲线下，轮对于左轮和右轮的垂向载荷出现明显偏移，曲线半径小的情况下，波动偏移程度和变化范围更大，这和曲线半径关系密切。当动车组运行速度越大，出现的偏移越大，横向载荷也表现出同等变化规律。在小曲度曲线半径上，轮会影响偏移程度，受到轮轨横向作用增加，曲线半径会对轮轨载荷产生一定影响。
结论：综上所述，通过对动车组轮轨载荷的研究，轮轨载荷特征主要包括时域特征和频域特征，主要受到车组速度、路况条件、车组种类、车组载重、曲线曲度的影响。在直线线路上，垂向载荷表现出正态分布，曲线线路上，垂向载荷存在偏载。当车速增加，垂向载荷和横向载荷的变化幅度越大，曲线线路曲度越大，半径越小，轮轨载荷偏移程度大，当载重越大，轮轨垂向偏载越大。上下行情况对于轮轨载荷的影响并不大。
参考文献：
[1]孟沛冰. 高速动车组转向架构架载荷特征及关键参数研究[D].北京交通大学,2020.
[2]宋韦哲,任尊松,魏雪,等.标准动车组轮轨载荷特征及影响因素研究[J].动力学与控制学报,2020,18(03):5-15.
作者简介：姓名：张杨敏（1994.07--）；性别：女，民族：汉，籍贯：山东济南，学历：本科；现有职称：助理工程师；研究方向：轨道交通