• ISSN 0258-2724
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考虑LMA/CHN60N轮-轨曲线通过性能的动车组列车轮对踏面优化

张磊 郑杰 赵亚菲 孙远波 李鹏飞

张磊, 郑杰, 赵亚菲, 孙远波, 李鹏飞. 考虑LMA/CHN60N轮-轨曲线通过性能的动车组列车轮对踏面优化[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20250186
引用本文: 张磊, 郑杰, 赵亚菲, 孙远波, 李鹏飞. 考虑LMA/CHN60N轮-轨曲线通过性能的动车组列车轮对踏面优化[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20250186
ZHANG Lei, ZHENG Jie, ZHAO Yafei, SUN Yuanbo, LI Pengfei. Optimization of Wheelset Tread for High-Speed Trains Considering Curve Passing Performance of LMA/CHN60N Wheel-Track[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20250186
Citation: ZHANG Lei, ZHENG Jie, ZHAO Yafei, SUN Yuanbo, LI Pengfei. Optimization of Wheelset Tread for High-Speed Trains Considering Curve Passing Performance of LMA/CHN60N Wheel-Track[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20250186

考虑LMA/CHN60N轮-轨曲线通过性能的动车组列车轮对踏面优化

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20250186
基金项目: 中国中车股份有限公司科技研究开发计划(2018CCB103)
详细信息
    作者简介:

    张磊(1981—),男,副教授,博士研究生,研究方向为机械结构设计、优化设计等,E-mail:zhanglei@email.tjut.edu.cn

  • 中图分类号: U270.2

Optimization of Wheelset Tread for High-Speed Trains Considering Curve Passing Performance of LMA/CHN60N Wheel-Track

  • 摘要:

    为提高动车组列车在曲线路段的通过性能,从而减小轮对磨耗,延长服役寿命,以LMA/CHN60N轮-轨组合为研究对象,设置列车通过曲线轨道段时车轮踏面与轨道密切接触的6个尺寸为设计变量,将两侧轮轨间的最大横移量、最大爬升量与最大接触应力定义为目标函数,对车轮踏面尺寸进行响应面优化设计,并对优化方案进行瞬态动力学分析. 研究结果表明:与现有动车组轮对相比,优化后外侧车轮的最大横移量、最大爬升量与最大接触应力分别降低1.74%、1.34%与4.49%,内侧车轮的最大横移量、最大爬升量与最大接触应力分别降低0.41%,1.53%与3.92%;在保证列车其他性能的前提下,优化方案提高了车辆在曲线轨道段的通过性能,可降低轮对磨耗,且直线通过性能、安全性、平稳性及耐久性指标均在允许范围内,从而延长其服役寿命.

     

  • 图 1  动车组列车轮对踏面优化设计流程

    Figure 1.  Optimization design process of wheelset tread for high-speed trains

    图 2  轮对模型

    Figure 2.  Wheelset model

    图 3  CHN60N型断面廓形尺寸

    Figure 3.  CHN60N-type cross-sectional profile dimensions

    图 4  动车组列车通过曲线时轮对受力分析

    Figure 4.  Force analysis of wheelset when high-speed trains pass through curved section

    图 5  动车组列车通过曲线工况的轮轨接触应力云图

    Figure 5.  Cloud map of wheel-rail contact stress of high-speed trains passing through curved section

    图 6  动车组列车通过曲线工况的车轮变形云图

    Figure 6.  Cloud map of wheel deformation of high-speed trains passing through curved section

    图 7  LMA型踏面的主要尺寸

    Figure 7.  Main dimensions of LMA-type tread

    图 8  目标函数计算迭代曲线

    Figure 8.  Calculation iteration curves of objective functions

    图 9  x3x4与轮轨间横移量的响应面

    Figure 9.  Response surfaces of x3, x4, and lateral displacement between wheel and rail

    图 10  轮轨间接触点优化前后对比

    Figure 10.  Comparison of contact points between wheel and rail before and after optimization

    图 11  优化方案曲线工况接触应力云图

    Figure 11.  Contact stress cloud map of optimization scheme under curve condition

    图 12  优化方案曲线工况车轮变形云图

    Figure 12.  Wheel deformation cloud map of optimization scheme under curve condition

    图 13  轮对优化后第7阶自由模态的变形云图

    Figure 13.  Deformation cloud map of 7th order free mode after wheelset optimization

    图 14  轮-轨耦合系统动力学模型

    Figure 14.  Dynamic model of wheel-rail coupling system

    图 15  安全性分析结果

    Figure 15.  Safety analysis results

    图 16  振动加速度-时间曲线

    Figure 16.  Vibration acceleration–time curves

    图 17  轮轨接触面蠕滑分析结果

    Figure 17.  Analysis results of wheel-rail contact surface creep

    表  1  国内外典型动车组列车

    Table  1.   Typical high-speed trains in China and abroad

    国家 动车组列车类型 轮对踏面类型
    日本 700系 圆弧形
    德国 ICE3 圆弧形
    法国 TGV-2N 锥形
    美国 M-479 AAR型
    中国 CRH1、CRH2 LMA型
    CRH3 S1002CN型
    CRH5 XP55型
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    表  2  车轮、车轴与轨道的材料参数

    Table  2.   Material parameters of wheels, axles, and tracks

    类别 材料 密度ρ/(kg•m−3 弹性模量E/GPa 泊松比v 屈服强度σ/MPa
    车轮 ER8 7 850 206 0.3 540
    车轴 EA4T 7 850 212 0.28 830
    轨道 U71MnG 7 800 210 0.3 400
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    表  3  目标函数及其权重排序

    Table  3.   Objective functions and their weight rankings

    评价指标目标函数权重
    排序
    轮轨间
    横移量
    外侧轮轨间最大横移量$ a_{\max }^{\text{OH}} $/mm1
    内侧轮轨间最大横移量$ a_{\max }^{\text{IH}} $/mm2
    轮轨间
    爬升量
    外侧轮轨间最大爬升量$ a_{\max }^{\text{OL}} $/mm3
    内侧轮轨间最大爬升量$ a_{\max }^{\text{IL}} $/mm4
    轮轨间
    接触应力
    外侧轮轨间最大接触应力$ F_{\max }^{\text{O}} $/MPa5
    内侧轮轨间最大接触应力$ F_{\max }^{\text{I}} $/MPa6
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    表  4  设计变量优化前后对比

    Table  4.   Comparison of design variables before and after optimization

    设计变量优化前优化后
    x1/mm3230.514 67
    x2/mm3031.259 1
    x3/mm1210.806
    x4/(°)7073.269
    x5/mm2826.993 4
    x6/mm9091.412
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    表  5  轮轨间接触斑优化前后对比

    Table  5.   Comparison of contact spots between wheel and rail before and after optimization

    接触斑 项目 形状 面积/mm2
    外侧接触斑 优化前 62.43
    优化后 63.643
    内侧接触斑 优化前 133.506
    优化后 137.92
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    表  6  各目标函数优化前后对比

    Table  6.   Comparison of objective functions before and after optimization

    目标函数优化前优化后变率%
    $ a_{\max }^{\text{OH}} $/mm0.382 340.375 70−1.74
    $ a_{\max }^{\text{OL}} $/mm−0.196 20−0.198 82−1.34
    $ a_{\max }^{\text{IH}} $/mm0.288 340.287 17−0.41
    $ a_{\max }^{\text{IL}} $/mm−0.271 42−0.267 28−1.53
    $ F_{\max }^{\text{O}} $/MPa58.0190055.41500−4.49
    $ F_{\max }^{\text{I}} $/MPa52.1160050.07300−3.92
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    表  7  轮对优化后第7 ~ 12阶自由模态的频率

    Table  7.   Frequencies of 7th–12th order free modes after wheelset optimization

    阶数频率/Hz
    781.219
    897.364
    997.364
    10191.88
    11191.88
    12345.43
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    表  8  客车平稳性等级

    Table  8.   Smoothness levels of passenger trains

    平稳性等级乘客感受Sperling指标
    1级<2.5
    2级良好2.5 ~ 2.75
    3级合格2.75 ~ 3.0
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    表  9  优化方案除6个目标函数外其他性能的分析结果

    Table  9.   Analysis results of other performances of optimization scheme excluding six objective functions

    性能指标具体参数允许范围/原方案分析结果优化方案的分析结果是否满足要求/
    优于原方案
    外侧轮轨/横向振动内侧轮轨/垂向振动
    直线性能横移量/mm<0.50.427 670.350 77
    爬升量/mm<0.5−0.432 90−0.435 80
    最大应力/MPa<54065.57766.768
    安全性脱轨系数≤1.00.40.35
    倾覆系数≤0.80.262 9
    平稳性平稳性指数<2.50.835 20.979 3
    耐久性表面疲劳因子0.321 822(外)
    0.321 432(内)
    0.321 6610.321 134
    磨耗体积/mm21.431 × 10−7(外)
    4.020 × 10−7(内)
    1.407 × 10−74.055 × 10−7
    磨耗指数871.083186.271 5
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-04-14
  • 修回日期:  2025-09-08
  • 网络出版日期:  2026-07-03

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