高速动车组车轮磨耗对动态性能的影响

汪 浩¹，魏浩然²，秦 兵¹，刘树青^1,2，贾 茜^1,2，汪木兰²

(1. 南京工程学院工业中心、创新创业学院，江苏 南京 211167）

(2. 先进数控技术江苏省高校重点实验室，江苏 南京 211167)

基金项目：江苏省高校自然科学研究重大项目(19KJA410001)

作者简介：汪浩（1997—），男，本科生，主要从事数控装备数字孪生技术的应用研究，www10338@qq.com.

摘要：基于数字孪生技术，对CRH380BL型动车组轮对的动态性能与磨耗之间的关系进行研究。采用参数化建模方法，建立了轮对的三维数字孪生模型。通过有限元模态分析，得出轮对前25阶固有频率和振型。基于车轮磨耗类型特征以及磨耗规律，对轮对模型进行磨耗仿真。研究了踏面磨耗和轮缘磨耗对轮对动态性能的影响，得出磨耗前后固有频率、振型、最大位移、最大应力的变化，总结出踏面磨耗和轮缘磨耗对轮对动态性能的影响规律。

关键词：数字孪生；高铁轮对；车轮磨耗；模态分析

中图分类号：TH112   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)10-0086-05

随着高铁的快速发展，高速动车组车辆的运营时间和密度不断增加，车轮和轮轨的冲击与磨损不仅增加了车辆的运营和维护成本^［1］，而且车轮踏面磨耗也明显加剧，影响轮轨与车轮的接触关系，破坏车辆的动力学性能，严重的还会造成安全事故^［2］。因此，高铁轮对的磨耗与动态性能的关系以及对轮对健康的预测是铁路部门关注的重点，也是国内外学者研究的热点问题之一。

徐凯等^［1］以CRH380A和CRH380B型动车组为研究对象，基于线路统计数据和轮轨磨耗实验，总结出两种动车组车轮的磨耗规律。曹巧^［3］以CRH380BL型动车组为研究对象，对车轮轮径、踏面外形及各参数磨耗规律进行分析研究，分析了踏面各参数变化对动力学性能的影响。湛飞龙^［4］对轮对进行了有限元静力学和动力学分析，获得轮对的整体受力情况以及轮对的各阶固有频率、振型及频响函数，并通过实验验证了有限元分析结果的正确性。Pradhan等^［5］将多体动力学车辆模型与有限元传热模型相结合，发现对车辆动态性能影响最大的参数是临界转速，当车轮磨损超过极限时，临界转速急剧下降。也有部分学者针对轮对的故障预测及检修开展研究，以期实现轮对全生命周期的健康管理^［6-8］。

目前，针对高铁轮对在磨耗、动力学、故障预测等方面的研究取得了大量成果，但由于专业领域间的数据逻辑关联性不高，难以实现从设计、制造、运行、维护以至全生命周期的信息融合，因此难以满足铁路智能化的发展需求。数字孪生技术的应用，为高速动车组轮对的研究开辟了新的途径。数字孪生动车组以智能设计、智能制造、智能维护为核心，构建车辆全生命周期应用的数据基础，并服务于车辆的全生命周期。

    本文基于数字孪生技术建立轮对的参数化模型，对轮对的磨耗进行仿真，并运用有限元方法分析踏面和轮缘磨耗对轮对动态性能的影响，为动车组轮对的全生命周期数字化奠定基础。