研究車輪型面磨耗對車輛服役性能的影響

摘 要：以動車組單節車輛作為研究對象，采用定期測定車輪外形和輪徑，結合結構參數和運行路線，構建車輪動力學仿真模式，并進行分析其動力學特性。研究結果顯示，等錐度低于0.42以及車輪型面下凹深度低于2mm時，才能保證車輛運行速度在>399km/h。

關鍵詞：動車組；車輪面磨耗；服役性能

我國地域廣闊，鐵路路行程長、跨度大，不同地區的溫度、濕度差異大。車輛運行線路條件不同，使車輪服役的條件差異較大，隨著車輪的磨耗，其型面不斷發生改變，接觸關系發生變化，影響到車輪服役壽命[ 1 ]。本研究主要采用多體動力學軟件進行仿真分析方法，研究車輪型面磨耗對車輪服役性能的影響。

1 車輪磨耗仿真

1.1 仿真設置

本次研究共對一個動車組的8個車輪進行研究，使用WP-D型測量儀測量車輪型面和輪徑，每隔1個月測量1次，總共測量5次，獲取5組實測數據，并整合為5個磨耗工況，分別設為S1、S2、S3、S4、S5，采用多體動力學軟件建立仿真模式，分析輪軌接觸幾何關系和作用力。車體動力學仿真模型部分參數如下表1所示：

1.2 車輪輪徑差變化

通過定期測量發現，車輪輪徑差值最大約8mm，車輪型面嚴重下凹，左、右兩邊車輪徑最大差值為2.51mm，已超過鏇修閾值。

詳見表2，輪對兩側同時存在磨耗，但兩邊的磨耗量有所不同，其中以滾動圓近處的磨耗量較大，踏面以及輪緣均存在磨耗，而左、右車輪間最大的輪徑差分布在前轉向架處，前轉向架輪對的磨耗量大于后轉向架，隨著運行時間的延長，車輪磨耗加劇，輪徑和標準輪徑差不斷增大。

2 實測型面的輪軌匹配

車輪磨耗使車輪型面和輪徑發生改變，輪對也隨著發生橫移和搖頭，需尋找新的平衡位置與鋼軌匹配，確保車輛安全。依輪對位次隨著一位輪的偏移量逐次減小，要獲得新的平衡點，應適當調整前導輪的偏移量[ 2 ]。

偏移量為2mm時，輪軌接觸關系惡化，當車輪錐度為0.4時，各工況的輪位差異較小，臨界速度差異較小，當車輪錐度逼近0.42mm時，臨界速度開始大大下降，詳見表3。

偏移量的增大使轉向錐度發生變化，從而影響車輪臨界速度發生變化，因此工況5的臨界速度變大。因此，在直線運行狀態下，輪軌匹配低于0.4mm時，車輛的臨界速度可保持在400km/h以上，從而確保車輛正常運行。

3 動力學仿真

3.1 輪重差和減載率

從實測數據可看出，隨著運行里程的增加，車輪型面側緣貼靠發生頻率增加，可出點兩點或多點的接觸關系，曲線運行狀態發生頻率高于直線運行狀態，造成左、右車輪型面磨耗產生差異。

造成車輪靜態下輪重產生差異，輪重減載率也發生變化，靜態下左、右車輪輪重差最大3.1kN，與標準輪重52kN比高達5.8%，超過安全標準IEC6113的4%、GB/T3317-2006的2%[ 3，4 ]。

本研究設置車輛運行速度為250km/h，運行曲線半徑8000m的圓曲線，在不同的工況情況下，輪重及輪重減載率震動率如表4所示，隨著車輪磨耗加劇，減載率緩慢增加，車輪輪徑減小，下凹量增大，車輪承受的載荷發生變化，隨著運營時間越久，車量經過曲線的安全性逐漸下降，在超高條件下，脫軌系數增大。

3.2 車輛磨耗

輪軌型面磨耗使輪軌接觸關系發生變化，接觸點處踏面曲率半徑和接觸面積減小，造成應力增大，加劇車輛磨耗[ 5 ]。各工況下磨耗隨著運行里程增加而加劇，造成車輪型面下凹深度越深。S1-S4工況下車輪磨耗功率增加率較低，分別為2.1Nm/s、4.6Nm/s、4.8Nm/s、5.7Nm/s。S5磨耗功率最大，高達8.7Nm/s，可見車輪下凹深度<2mm時，磨耗功率增加率較低，當下凹深度>2mm時，磨耗功率增大。

4 結論

本研究僅測定5次，以實測數據進行仿真研究5種工況下車輪型面磨耗對車輛的影響，雖然測值量滿足車輛運行要求，但在車輛實際運行中，需考慮多種動態因素對型面磨耗的影響。

隨著車輪型面的改變，車輛動力學也隨著發生變化，尤其對于工況S5型面，磨耗較大，對車輛的影響較大，應及時進行鏇修，防止鋼軌過大勞損，鏇修后可極大恢復車輪動力學性能。

車輪型面的磨耗主要引起車輛靜態力學性能的改變，同時引起靜態接觸關系改變，造成車輛運行的安全性下降，尤其對于車輛前傳向架的影響較大，若設定等錐度值為≤0.4，保持車輛的安全性。車輪型面出現下凹時，可加劇車輛磨耗，磨耗下凹>2mm時，車輛的安全性極大下降，影響到車輛的安全運行。

參考文獻：

[1] 李煜，張劍，張雪珊.車輪型面位置偏移對車輛動力學性能的影響[J].大連交通大學學報，2015（01）：18-23.

[2] 韓鵬，張衛華.輪對結構彎曲及型面磨耗對高速列車振動性能的影響[J].振動與沖擊，2015（05）：207-212.

[3] 韓鵬，張衛華，李艷，黃冠華.輪對磨耗與輪徑差對高速列車動力學性能的影響[J].交通運輸工程學報，2013（06）：47-53.

[4] 張衛華，李艷，宋冬利.高速列車運動穩定性設計方法研究[J].西南交通大學學報，2013（01）：1-9.

[5] 張冰玉.基于SIMPACK的高速動車組建模與仿真[J].天津職業院校聯合學報，2016（03）：33-38.

作者簡介：李亭（1988-），男，漢族，陜西綏德人，碩士，助教，專業：車輛工程，研究方向：車輛自動化控制、人工智能。