基于磨耗的高速鐵路輪軌接觸關系研究

劉豐收

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所，北京 100081)

隨著我國高速鐵路運營里程和服役時間的不斷增加，高速鐵路輪軌磨耗受到廣泛關注，掌握服役過程中高速鐵路輪軌接觸關系變化規律對于保障列車運行品質至關重要。目前，我國服役動車組主要有4種車輪型面，即LMA型面(CRH2系高速動車組裝配)，LMB型面(CRH3系高速動車組裝配)，LMC型面(即XP55型面，CRH5系高速動車組裝配)和LMD型面(CRH1系高速動車組裝配)，其中LMA和LMB占多數。高速鐵路鋼軌型面有60D和60N兩種，其中60D型面較多，高速鐵路輪軌型面匹配關系極為復雜[1]。隨著輪軌系統長期服役，輪軌磨耗引起的型面變化會改變輪軌接觸關系，輪軌接觸范圍、等效錐度及輪軌動態性能等均會隨之發生改變，鋼軌表面光帶就是這一系列變化的直觀體現，高速動車組運行過程中出現的轉向架橫向振動加速度報警和車體晃動問題均會伴隨著鋼軌光帶分布不良現象[2-4]，但目前尚未有研究結果對現場鋼軌表面光帶寬度予以限制。

本文選取了京滬高鐵作為典型線路，在對服役于其上車輪、鋼軌的型面開展長期跟蹤測試基礎上，重點分析輪軌型面變化及磨耗規律，研究鋼軌磨耗范圍、輪軌接觸范圍、鋼軌光帶寬度與名義等效錐度的關聯性，并結合名義等效錐度限值，提出高速鐵路鋼軌表面光帶寬度的合理范圍，以便現場工作人員通過觀測鋼軌表面光帶判斷輪軌接觸狀態及動車組運行性能。

1 輪軌磨耗特征

1.1 車輪磨耗特征

車輪型面跟蹤測試選取了京滬高鐵運行的CRH380AL(LMA車輪型面)和CRH380BL(LMB車輪型面)2種車型各1列高速動車組的車輪型面進行跟蹤觀測，1個鏇修周期內觀測3次，對應的車輪運用里程分別為4萬，10萬和20萬km。京滬高鐵2種車輪型面在1個鏇修周期內的變化情況如圖1所示。圖中：LMA-1，LMA-2和LMA-3分別對應LMA型面車輪的3次觀測，LMB-1，LMB-2和LMB-3分別對應LMB型面車輪的3次觀測。由圖1可知，運用里程達到20萬km時，LMA型面車輪磨耗均勻，其踏面磨耗為0.5 mm；LMB型面車輪則以踏面磨耗為主，為0.7 mm。

車輪最大磨耗分布情況如圖2所示。由圖2可知，在所有測試車輪中，62%的LMA型面車輪最大磨耗在0.2～0.4 mm范圍內，73%的LMB型面車輪最大磨耗在0.5～0.7 mm范圍內。

圖1 不同運行里程車輪型面變化情況

圖2 車輪最大磨耗分布

1.2 鋼軌磨耗特征

鋼軌型面跟蹤測試選取了北京、濟南和上海局管內共計12個鋼軌測點，測試工況包括了直線、橋上直線、大曲線以及車站小半徑曲線等線路，測試周期為3～5個月[5]。以第1次測試的鋼軌型面為基準，分析直線區段某鋼軌測點14個月內鋼軌垂直磨耗量及型面變化情況如圖3所示。由圖3可知，當通過總重為42 Mt時(第4次測試時)，鋼軌垂直磨耗量均值為0.04 mm，同時可知鋼軌磨耗隨著通過總重的增加而增加。

鋼軌型面的變化特征如圖4所示。由圖4可見，鋼軌磨耗引起的型面變化范圍為軌頭中心-20～20 mm區域，且鋼軌磨耗會增大軌頂圓弧半徑，京滬高鐵鋼軌目標廓形為60D，其軌頂圓弧半徑為160 mm，第1次測試時軌頂圓弧半徑為163 mm，第4次測試時鋼軌型面軌頂圓弧半徑為176 mm。

圖3 鋼軌垂直磨耗變化情況

圖4 鋼軌型面變化

1.3 綜合分析

綜合現場輪軌磨耗跟蹤測試分析結果，1個鏇修周期內(約3個月)，LMA型面車輪踏面最大磨耗主要在0.2～0.4 mm，LMB型面車輪踏面最大磨耗主要在0.5～0.7mm。鋼軌磨耗較小，通過總重為42 Mt(14個月)時，直線區段鋼軌垂磨量為0.04 mm，鋼軌型面變化及磨耗范圍為-20～20 mm，同時，鋼軌磨耗會增大鋼軌頂弧半徑。高速鐵路鋼軌磨耗遠小于車輪磨耗，1個車輪鏇修周期內鋼軌垂直磨耗量與車輪踏面磨耗量比值約為1∶80。

2 輪軌接觸關系

2.1 輪軌接觸范圍與鋼軌光帶寬度的關系

在車輪及鋼軌長期服役過程中，車輪和鋼軌型面均會由于磨耗產生一定變化，相應的輪軌接觸范圍及輪軌匹配關系也會發生改變。LMA和LMB車輪標準型面分別與60D鋼軌標準型面匹配時的接觸點分布如圖5所示。由圖5可見，LMA車輪型面對應的輪軌接觸點集中分布于軌頂中心±5 mm范圍內，LMB車輪型面對應的輪軌接觸點分布則相對分散，分布于軌頂中心-8～5 mm。

在分析輪軌接觸點分布的基礎上，進一步考慮輪軌接觸斑寬度可計算得到實測京滬高鐵輪軌磨耗條件下的輪軌接觸范圍。輪對橫移量為-6～6 mm時(直線工況)LMA和LMB車輪系列型面與60D鋼軌實測型面匹配時的輪軌接觸范圍如圖6所示。由圖6可見，LMA車輪系列型面對應的輪軌接觸寬度均在18 mm以內，輪軌磨耗對于輪軌接觸范圍的影響規律并不明顯；LMB車輪系列型面對應的輪軌接觸范圍明顯大于LMA車輪系列型面，且隨車輪、鋼軌磨耗的增加而明顯增大，第4次測試得到的鋼軌型面與服役20萬km車輪型面匹配時輪軌接觸寬度約為33 mm。

圖5 輪軌接觸點分布

圖6 輪軌接觸范圍

鋼軌光帶寬度是輪軌最大接觸寬度在鋼軌軌面的直觀體現，LMA和LMB型面車輪同時服役于京滬高鐵，因此，鋼軌光帶寬度由輪軌型面匹配時的最大輪軌接觸寬度決定。京滬高鐵鋼軌直線區段某測點的鋼軌光帶寬度4次測試結果如圖7所示。由圖7可見，鋼軌光帶寬度與圖6給出的輪軌最大接觸寬度(即LMB型面對應的輪軌接觸寬度)基本對應，因此可用LMB車輪型面對應的輪軌接觸寬度近似表示現場鋼軌光帶寬度。

2.2 輪軌接觸范圍與等效錐度的關系

輪軌型面匹配分析不僅可以直觀判斷輪軌接觸范圍，還可以計算得到輪軌匹配等效錐度[6]，對于研究轉向架橫向振動加速度報警[7]和車體晃動[8]有重要意義。LMA和LMB車輪系列型面與鋼軌實測型面匹配時的名義等效錐度如圖8所示。由圖8可見：LMA系列型面與實測鋼軌型面匹配時的名義等效錐度在0.025～0.043范圍內，且變化較?。籐MB系列型面與實測鋼軌型面匹配時的名義等效錐度在0.08～0.15范圍內，且隨著車輪和鋼軌磨耗的增大而增大，變化規律與輪軌接觸范圍的變化規律相似。

圖7 京滬高鐵直線區段某測點鋼軌光帶寬度

圖8 輪軌名義等效錐度

考慮到LMB系列型面與實測鋼軌型面匹配時輪軌接觸寬度和等效錐度隨輪軌磨耗變化規律更明顯，同時，現場出現橫向加速度報警和車體晃動的動車組多為裝配LMB型面車輪的動車，因此將重點分析LMB型面車輪對應的接觸范圍和名義等效錐度的關系。輪軌接觸寬度與輪軌匹配名義等效錐度的對應關系如圖9所示。由圖9可見，從總體趨勢來看，實測輪軌型面匹配名義等效錐度隨輪軌接觸范圍的擴大而增大，可見名義等效錐度與輪軌接觸范圍存在一定正相關性。

圖9 輪軌接觸寬度與名義等效錐度對應關系

3 鋼軌光帶寬度合理范圍

等效錐度是反映輪軌接觸狀態和列車運行性能的主要指標之一，但該指標不便于工務部門在現場直觀判斷輪軌接觸關系狀態，上文實測輪軌型面匹配分析結果表明名義等效錐度與輪軌接觸范圍存在正相關性。同時，可以利用LMB車輪型面對應的輪軌接觸寬度近似表示現場的鋼軌表面光帶寬度。故可通過分析鋼軌光帶寬度與等效錐度的關聯性，結合名義等效錐度限值，得到鋼軌表面光帶寬度的合理范圍，以指導現場判斷輪軌接觸狀態和列車運行性能。

從京滬高鐵輪軌磨耗特征及接觸范圍計算可知，1個鏇修周期內車輪磨耗較大，且隨著運行里程的增加而增加，LMB型面車輪對應的輪軌接觸范圍值及其變化規律與鋼軌光帶寬度及其變化規律更加接近，故選取服役20萬km的LMB車輪型面進行輪軌型面匹配計算。鋼軌型面變化極小，不同的鋼軌實測型面與車輪匹配后的輪軌接觸范圍和等效錐度差異較小，為了得到明確的鋼軌光帶寬度與等效錐度的對應關系，需擬合出不同鋼軌型面用以輪軌型面匹配分析。考慮到鋼軌的輪軌接觸范圍主要在軌頂圓弧區域，擬合鋼軌型面的軌頂圓弧半徑變化范圍為125～500 m，如圖10所示。對于現場而言，直線區段軌頂圓弧半徑增大主要由于鋼軌磨耗或者工作邊軌距角圓弧欠打磨所致，而工作邊軌距角圓弧過打磨會導致軌頂圓弧減小。

轉向架橫向振動加速度報警和車體晃動[3]是我國高速鐵路動車組運營過程中出現的典型異常振動問題。經過長期現場試驗研究，分析總結得到了動車組名義等效錐度上、下限值分別為0.08和0.35，即名義等效錐度在0.08～0.35范圍內可有效避免高速列車轉向架橫向加速度報警和車體晃動[7-9]。

通過對不同頂弧半徑的鋼軌擬合型面與車輪型面匹配關系計算分析，得到了不同輪軌型面匹配組合下的輪軌接觸范圍和名義等效錐度值，再擬合得到鋼軌光帶寬度與名義等效錐度的關系曲線，如圖11所示。由圖11可知，名義等效錐度的限值范圍內(0.08～0.35)對應的鋼軌光帶范圍為20～45 mm，鋼軌表面光帶寬度小于20 mm時，由于名義等效錐度較小，易出現車體晃車；當光帶寬度大于45 mm時，由于名義等效錐度過大，易出現轉向架橫向振動加速度報警。

圖10 不同頂弧半徑的鋼軌擬合型面

圖11 名義等效錐度與鋼軌光帶寬度對應關系

圖12 高速鐵路異常振動區段的鋼軌光帶寬度實測情況

高速鐵路出現轉向架橫向振動加速度報警和車體晃動區段的鋼軌光帶寬度實測情況如圖12所示。從圖12可知，轉向架橫向振動加速度報警區段的鋼軌光帶寬度約為50 mm，車體晃動區段的鋼軌光帶寬度約為18 mm，均超出上文提出的鋼軌光帶寬度合理范圍。

4 結 論

(1)相同周期內，高速鐵路鋼軌磨耗遠小于車輪磨耗。1個鏇修周期內，LMA型面車輪的踏面磨耗為0.2～0.4 mm，LMB型面車輪踏面磨耗為0.5～0.7 mm；通過總重為42 Mt(14個月)時，直線區段鋼軌垂直磨耗僅為0.04 mm，型面變化及磨耗范圍為-20～20 mm，鋼軌磨耗會增大鋼軌頂弧半徑。

(2)動車組在直線運行時，LMB車輪型面對應的輪軌接觸范圍和名義等效錐度呈一定正相關性，且均隨輪軌磨耗增大而增大。同時，輪軌接觸寬度與鋼軌光帶寬度基本對應。

(3)結合名義等效錐度限值，需對鋼軌表面寬度予以限制。鋼軌表面光帶寬度小于20 mm時，易出現動車組車體晃車；當光帶寬度大于45 mm時，易出現轉向架橫向振動加速度報警。