某型軌道車輛輪緣異常磨耗問題研究

王云朋， 李曉峰， 李文學

(中車長春軌道客車股份有限公司 轉向架研發部, 長春 130062)

車輪做為轉向架重要組成部件，可在鋼軌上滾動并能承擔車輛的全部質量，同時還承受從車體、鋼軌兩方面傳遞來的其他各種靜、動載荷,另外還具有導向、傳遞驅動力和制動力的功能。當車輛通過曲線時，輪緣與鋼軌貼靠，造成輪緣和鋼軌的磨耗。車輛的曲線通過性和直線穩定性是矛盾的[1]，輪對的輪徑差大，曲線通過性好，但也帶來了等效錐度大，高速穩定性降低，一般根據項目需要綜合考慮。劉宏友等[2]針對我國青藏鐵路客車車輪異常磨耗問題進行了調研，并對輪對旋修問題進行了經濟性分析，認為在限度內輪緣厚度越小旋修越經濟。

圖1 輪軌接觸形式

輪緣厚度作為運行安全性要求，影響列車的防脫軌性能及道岔幾何通過性能，因此在車輛運行維護時定期檢測輪緣厚度等踏面參數，輪緣厚度方向磨耗超過給定標準時，需進行踏面旋修，為恢復輪緣厚度而進行的修復性旋修是影響車輪使用壽命的主要原因，國內多采用薄輪緣經濟旋修方案來避免。

1 問題描述

某出口項目鐵路客車在運用過程中，用戶反饋車輪輪緣磨耗異常，磨耗速率偏快，導致旋修周期縮短，嚴重影響車輪使用壽命。圖2給出了實測車輪輪緣異常磨耗情況，圖3是車輛踏面外形圖。整個輪緣內側及根部都有磨損，根據現場測量車輛運行1萬km輪緣磨耗量達2～3 mm，旋輪周期不到5萬km。

車輛設計速度為120 km/h，轉向架結構如圖4所示，一系定位結構采用軸箱轉臂式定位，同時為提高車輛高速穩定性，加裝了抗蛇行減振器，車輪踏面外形為用戶自主設計且已批量運用，踏面部分為近似錐形踏面，與標準鋼軌匹配等效錐度為0.053。

該客車自2016年出口某國家，車輛上線后運行不久，用戶即反饋車輪輪緣磨耗異常，輪緣厚度方向磨耗較快，車輪旋修周期較短，繼續下去將嚴重影響車輪使用壽命。從圖2中可以看出踏面中間滾動圓位置磨耗很小，而輪緣厚度方向磨耗卻很大，滾動圓與輪緣之間有部分區域始終不與鋼軌接觸。以該輪緣異常磨耗問題為例，分析其問題原因，并給出相應的措施。

圖2 輪緣異常磨耗情況

圖3 車輛踏面外形

圖4 轉向架結構示意

2 問題分析

針對造成輪緣異常磨耗的可能因素(如圖5所示)，從線路、車輛、車線匹配3個方面進行調查、測試，利用踏面測量儀、軌道測量儀對車輪踏面形狀、軌道參數及軌廓形狀進行跟蹤測量，同時利用加速度傳感器、位移傳感器對車輛運行性能進行測試，以便為后續分析輪緣異常磨耗原因提供足夠的數據支持。

根據調查，發生輪緣異常磨耗的線路，全長750 km，其中前500 km左右，主要以直線和大曲線為主，速度一般80～100 km/h。后250 km左右，主要以山區線路為主，線路曲線較多，且曲線半徑較小，小曲線速度一般40～60 km/h。輪緣異常磨耗主要發生在山區線路的小曲線上。

圖5 輪緣異常磨耗響應因素

2.1 線路因素分析

因為輪緣異常磨耗主要發生在山區線路曲線較多的線路，所有線路調查主要集中在山區曲線上，根據用戶提供的線路圖，針對不同半徑曲線進行軌距、外軌超高、軌距加寬、軌底坡等軌道參數進行實際測量，按照實測結果，軌道參數均符合設計要求。車輛在經過曲線時的速度符合線路圖上車輛限速要求，未平衡加速度(或欠超高)很小，不會因為車輛曲線通過速度過大造成輪緣異常磨耗。

鋼軌的磨損，在曲線半徑較小的線路上，特別是R180 m、R200 m的小曲線上，外軌鋼軌磨損較重，部分小曲線軌道上設有輪緣潤滑裝置，其鋼軌磨損相對較小。但是因為小曲線主要集中在山區線路，線路坡道較多且坡度較大，為防止輪緣潤滑裝置油脂轉移到踏面上，影響輪軌間摩擦系數，造成車輪打滑，無法增加軌道上輪緣潤滑裝置數量。

圖6 曲線外軌磨損(R180 m)

根據對線路因素的調查分析，造成輪緣磨耗較快的原因在于山區線路曲線較多，曲線半徑較小、同時又無法增加軌道輪緣潤滑數量。

2.2 車輛因素分析

2.2.1一系定位剛度

為分析一系定位剛度對車輪磨耗的影響，通過建立多體動力學仿真模型，按照實際運行線路及限速設置，計算不同定位剛度對整車磨耗功率的影響。本項目轉向架采用軸箱轉臂式定位，一系橫向和垂向定位剛度設計值分別為6 MN/m、10 MN/m。

計算結果表明，整車磨耗功率隨縱向定位剛度降低而降低，而橫向定位剛度對整車磨耗功率基本無影響。當縱向定位剛度從10 MN/m降低至4 MN/m時，整車磨耗功下降率最大21.7%，但對于輪緣磨耗較大的R180 m、R200 m小曲線，整車磨耗功率下降為14.2%。見表1。

但一系縱向定位剛度直接影響車輛的運動穩定性，在降低輪緣磨的同時，還應兼顧穩定性。動力學仿真分析發現當一系縱向定位剛度從10 MN/m降低至8 MN/m以下時，隨著車輪踏面磨耗增加，等效錐度逐漸增大，車輛的臨界速度顯著減低，可能造成在車輪旋修周期后期車輛失穩。

綜上，在保證車輛運行安全的前提下，一系縱向剛度可降低至8 MN/m，而相應的整車磨耗下降率最大只有4.4%，對車輪輪緣磨耗的改善效果非常有限。

表1 磨耗功率隨節點縱向剛度變化率 %

2.2.2抗蛇行減振器

車輛進入曲線時，車體與轉向架之間的回轉阻力會增加導向軸外側車輪與鋼軌之間的貼靠力，根據EN 14363《鐵路車輛防出軌和防翻轉能力》標準給定公式，回轉阻力系數定義為c=T/(Q×d)，車輛與轉向架最大轉動角度A(車輛通過R180 m曲線)，T=A×ds×Ksx×2ds，其中：

T為轉向架相對車體旋轉所需要的力矩；

Q為轉向架車軸在平直軌道上測得的平均軸重；

d為轉向架軸距；

Ksx為空氣彈簧橫向靜剛度；

ds為空氣彈簧橫向跨距之半。

回轉阻力系數計算結果如表2所示，其計算結果滿足EN 14363標準規定的車體與轉向架之間回轉阻力系數不超過0.1的要求。

表2 回轉阻力系數計算

為進一步驗證抗蛇行減振器對輪緣磨耗的影響，分別選取4輛車進行對比試驗驗證，其中2輛車為新旋修車輪，2輛車為輪緣即將磨耗到限車輪，然后每組各選擇1輛車拆除抗蛇行減振器，具體工況見表3。測試結果表明，無論新輪還是磨耗車輪，有、無抗蛇行減振器對于輪緣磨耗無明顯影響，磨耗量相當，圖7給出了測試結果對比。

表3 測試工況

另外，通過新輪和磨耗輪車輛線路對比測試(山區線路往返一次)，磨耗輪的輪緣磨耗量明顯小于新輪，測試結果見圖8，因此建議車輛旋輪后先在非山區線路上運行一段時間后，然后再到山區線路上運行，根據用戶反饋該措施可將旋輪周期由原來的5萬km左右延長到15萬km左右。

圖7 有無抗蛇行減振器輪緣磨耗結果對比

圖8 輪緣磨耗量對比測試

2.2.3在線測試

根據線路動力學測試結果，車輛運行平穩性、脫軌系數、輪軸橫向力均滿足標準要求，根據測試時輪軌接觸視頻監控，輪緣磨耗主要發生在通過小半徑曲線時，見圖9。

2.3 輪軌匹配

2.3.1輪軌硬度匹配

根據用戶提供資料，鋼軌硬度260～300 HB，而車輪采用的材質為ER9，根據車輪表面硬度測量數據，新旋輪狀態車輪滾動圓表面硬度多數集中在280～300 HB之間，按照以往的研究和經驗，鋼軌硬度與車輪硬度比值在1.0～1.2之間時，車輪與鋼軌的磨耗速度相對較低。而且參照歐洲鐵路輪軌硬度的匹配原則，歐洲鐵路鋼軌硬度也是260～300 HB，車輪一般采用ER7和ER8材質，而該車所選ER9材質已經高于歐洲常用車輪硬度。

圖9 實際振動狀態

2.3.2輪軌型面匹配

通過分析輪軌接觸幾何關系可知：(1)由于車輪踏面為錐形踏面，輪徑差隨輪對橫移量變化關系斜率約為0.053的直線，等效錐度為0.053；(2)從接觸點位置分布來看，由于踏面名義滾動圓附近接觸點和輪緣附近接觸點沒有中間過渡點，在輪對橫移量為8 mm內等效錐度、輪徑差、接觸角差較小且基本不變，在通過小半徑曲線時輪緣易與鋼軌貼靠，由于等效錐度較小，無法實現蠕化力導向，完全依靠輪緣導向，進而引起較大的輪緣磨耗[6]，如圖10所示。

圖10 原始踏面軌接觸幾何關系

根據自由輪對純滾動經過曲線示意圖如圖11，曲線半徑越小、等效錐度越小，純滾線偏離軌道中心線越遠。而輪軌間隙只有9 mm，所以車輛通過小半徑曲線時容易輪緣貼靠，這就需要借助輪緣導向來通過曲線了。

綜上論述，現有車輪踏面與鋼軌匹配存在等效錐度偏低，車輛通過曲線過程中無法提供足夠輪徑差，主要借助輪緣貼靠來通過曲線，從而造成輪緣嚴重磨耗。

3 車輪踏面優化設計

根據2.3節輪軌型面匹配分析，目前采用的錐形踏面，接觸角差小，輪徑差小，無法在通過曲線時提供足夠的輪徑差和恢復力，導致車輪輪緣磨耗嚴重。因此，通過優化車輪踏面外形來研究其對緩解車輪輪緣磨耗的影響。目前，車輪踏面優化設計主要方法包括輪軌踏面同步設計方法、基于鋼軌型面的擴展方法、滾動半徑差曲線法、接觸角曲線法，前兩種對設計經驗依賴性較大，而后兩種方法是轉化為對輪軌幾何接觸曲線優化的問題。而實際上評估車輪踏面外形的目標并不是單一的，既要考慮車輛動力學問題，還需考慮與軌道的接觸問題，輪軌磨耗問題等，逐漸發展起來了多目標優化設計方法，常用遺傳算法和響應面方法進行數值求解[3]。

以既有踏面為基礎，其以輪徑差為目標，建立以踏面外形誤差最小化為目標的最優化模型，在已知初始的踏面、軌面外形和輪徑差曲線的基礎上，給定輪軌初始接觸點位置，采用循環迭代的數值計算方法，得出最優的踏面反向設計參數流程見圖12以及與初始踏面基本一致的踏面外形。與其他方法不同的是，本計算方法在滿足輪徑差的同時，可根據需要控制設計出的踏面外形以及輪軌初始接觸點位置[5]。

(1)新優化設計的踏面如圖13所示，可知：設計的踏面外形未改變輪緣外形，從而保證道岔幾何通過安全性；

(2)在名義滾動圓外側40 mm以外的外形與原始踏面一致；

(3)名義滾動圓附近外形做了局部細微修改；

(4)修正名義滾動圓和輪緣連接處外形，使其緩慢過渡。

圖13 新踏面與原始踏面對比

通過對新優化設計的車輪踏面進行輪軌接觸幾何關系分析，結果見圖14，從中可以看出：

①新設計的車輪踏面在輪對橫移3 mm時的等效錐度為0.05，與原踏面等效錐度一致；

②在輪對橫移4～8.3 mm范圍內，設計踏面的等效錐度和輪徑差隨著橫移量增加而逐漸增大，較原踏面增大1～3倍，有利于車輛的曲線通過；

③在輪軌接觸點分布方面，踏面名義滾動圓附近接觸點和輪緣附近接觸點中間過渡點增加，輪軌接觸帶寬增大，有利于減小車輪踏面在常接觸區內的磨耗。

為驗證優化踏面對減緩輪緣磨耗的效果，通過動力學仿真分析，按照實際線路和運行限速設置，計算結果表明：優化踏面的磨耗指數明顯降低，可降低約35.9%～44.36%，可有效改善輪緣磨耗；車輛的運行平穩性、運動穩定性、安全性等動力學指標均滿足相關標準要求。

4 結論及建議

針對某車輛出現的輪緣異常磨耗問題，通過對線路、車輛、車線匹配3個方面的調查和分析：

(1)輪緣異常磨耗主要原因為運行線路中存在較多的半徑小于200 m的曲線，輪軌型面匹配時接觸角差和輪徑差較小。

(2)雖然降低一系縱向定位剛度可一定程度減緩輪緣磨耗，但同時還需兼顧車輛穩定性，因此在有限范圍內降低一系縱向定位剛度，計算分析其對減緩輪緣磨耗效果不明顯；抗蛇行減振器對輪緣異常磨耗無明顯影響。

圖14 新踏面軌接觸幾何關系

曲線半徑/m超高/mm通過速度/(km·h-1)磨耗指數原始踏面設計踏面減小%1807545923.91591.0335.92007045811.46519.03362008550814.62521.3735.993004545589.04362.8738.53009065634.64391.9438.34007065492.18293.1040.45005565449.96265.7040.976004565417.56232.9844.368003565377.04216.7242.7

(3)利用踏面反向設計方法對既有踏面進行優化設計，計算結果表明其對降低磨耗有顯著效果，且車輛動力學性能均滿足相關標準要求。

根據調查分析，為減緩輪緣磨耗，減少旋修，延長車輪使用壽命，建議如下：

(1)車輛和線路均增加輪緣潤滑裝置，既能降低車輪輪緣磨耗，也可降低鋼軌側磨；

(2)對優化設計的踏面進行實際線路運用考核驗證；

(3)新旋修的車輛優先安排在小半徑曲線較少的線路運行，待運行一定里程后可調至小半徑曲線較多的線路，經實際驗證可將旋輪周期由5萬km左右延長到15萬km左右；