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轨廓分区法全面计算轮轨接触关系研究

1

倪平涛，王开文，张卫华，池茂儒

西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都（610031）

摘要：为了在车辆—轨道耦合动力学仿真中能更真实地反映轮轨接触状态和计算两点各自

的轮轨法向力大小，利用迹线法原理和轨廓分区法，在考虑轮对的横移、浮沉、摇头、侧滚

和左右钢轨的横移、浮沉、侧滚的条件下，可全面地分别计算轨顶和轨侧区域与车轮的最小

轮轨间隙量，以此来判断轮轨的真实接触状态：正常的一点接触、非正常的一点接触、两点

接触和车轮完全悬浮，并根据非线性赫兹接触理论分别求得两接触点处的轮轨法向力，从而

使仿真结果更接近于车辆在实际线路上的运行状态。该方法对在传统车辆动力学的轮轨接触

关系方面也同样适用。

关键词：车辆工程，轮轨接触，轨廓分区，全面计算，轮轨法向力

中图分类号：U270.11 文献标识码；A

0 引言

通常情况下，机车车辆在线路上前进时，只是车轮踏面与钢轨顶面相接触，此是正常的

一点接触，有时同时出现轮缘与轨侧相接触，称之为两点接触，此时轮缘与轨侧是滑动摩擦，

机车车辆在通过小半径曲线时均易出现两点接触，发出轮轨滑动摩察引起的尖叫声；当车轮

出现爬轨到一定程度时，有时只出现轮缘与轨侧相接触，此时轮缘与轨侧是蠕滑，是非正常

的一点接触；更有甚者，车轮完全悬浮，根本不与钢轨相接触，车辆在高速运行或遇到较大

的垂向不平顺有时出现这种情况。目前对机车车辆进行动力学性能分析时，一般只考虑正常

的一点接触，无法动态地进行轮缘与轨侧的非正常一点接触分析计算；而对于两点接触，两

处的轮轨法向力很难分配，更无法实现动态计算

[1,2]

。本文除考虑轮对的横移和摇头外，还

将轮对的侧滚和浮沉分别作为独立的自由度，同时考虑左右钢轨的横移、浮沉、侧滚，利用

新型快速显示积分法

[3]

，上述参数的当前步计算值均可求得；另外还考虑钢轨的四种不平顺

的影响，利用迹线法原理和轨廓分区法可分别求出轨顶和轨侧区域与踏面、轮缘的最小垂向

间隙量，继而真实地动态反映轮轨接触状况，并利用非线性赫兹接触理论分别求出相应的轨

顶和轨侧实际接触点处各自的法向力，这实际上避免了对两点接触的轮轨法向力的复杂分

配。

1 计算原理和过程

1.1 刚性直杆与两组弹簧的接触

这里采用一个图例来说明本文的计算原理。图 1 中

1

C 、

2

C 为一组弹簧，其支座垂向

位置可变，两弹簧的横向距离也可变、高度也不相同，但在某一时刻其位置关系是确定的，

3

C 、

4

C 同样如此；图中直杆为一刚性杆，当刚性杆有侧滚和下沉时，根据该杆的侧滚和下

沉量的不同，其与每一弹簧均有接触和不接触两种可能，这样接触状态就有：2

4

=16 种可能，

如图中刚性杆和

1

C 、

2

C 、

3

C

发生了接触而与

4

C 无接触。当刚性杆的侧滚和下沉量一定时，

就可以确定其与各弹簧的压缩量或间隙量，若存在压缩量，当刚度确定时就可以求出其压力；

若有间隙量，则压力为零。轮轨全面的真实接触状态的确定与此类似，只是轮对还存在摇头，

1

本课题得到教育部博士点基金项目(20030613004)和国家自然科学创新研究群体科学基金(50521503)的资

助。

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