標準動車組車輪磨耗特征研究

范 軍，王 鵬，劉孟奇，李 偉

（1.中車長春軌道客車股份有限公司， 長春130062;2.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室， 成都610031）

隨著我國高速鐵路快速發(fā)展，對核心技術掌握的需求越來越迫切。對于高速動車組來說，轉向架技術作為核心關鍵技術之一，對車輛安全平穩(wěn)運行起決定作用。輪軌關系又是高速轉向架技術的核心問題，輪軌接觸關系具有強非線性特征，直接影響轉向架的動力學性能。我國高速鐵路的輪軌匹配狀態(tài)較為復雜，不同型號動車組車輪型面不同，不同線路鋼軌實際打磨外形亦有差異，對轉向架設計提出了巨大的挑戰(zhàn)。標準動車組轉向架采用了自主研發(fā)設計的車輪踏面外形，從正向設計思路確定了懸掛參數(shù)，相比引進的動車組有明顯差異，因此有必要研究標準動車組車輪磨耗特征發(fā)展規(guī)律。

羅仁等[1]建立了車輛多體系統(tǒng)動力學和車輪磨耗耦合模型，通過仿真方法預測車輪型面的磨耗，可為高速列車的安全可靠運行提供指導。肖廣文等[2]考察了LM、LMA、S1002和XP55等4種車輪踏面對高速客車動力學性能的影響，指出LMA型車輪踏面與1353 mm的輪對內側距匹配具有較好的動力學性能。王憶佳等[3]根據(jù)線路上實際測量的高速車輛車輪踏面外形，分析了不同磨耗里程下S1002G踏面的輪軌接觸幾何關系的變化規(guī)律。梁樹林等[4]在分析高速輪軌匹配特征的基礎上，根據(jù)曲線踏面磨耗情況確定了CRH3 動車組選用3 個典型車輪踏面（XP55、S1002CN 和LMA）可以達到的最高商業(yè)運營速度。馬曉川等[5]建立車輛-軌道耦合動力學模型，計算和分析LMA型面的車輪在不同磨耗程度下與60N鋼軌匹配時高鐵車輛直線運行過程中車輪的等效錐度和輪軌動態(tài)接觸點位置及平穩(wěn)性、脫軌系數(shù)等指標。張旭[6]以某動車所CRH380A 型動車組為研究對象，采集現(xiàn)場運用的動車組踏面磨耗數(shù)據(jù)，應用多體動力學軟件UM 建立高速車輛動力學模型，得出踏面磨耗對動車組車輛系統(tǒng)動力學性能的具體影響。曾元辰等[7]提出基于離散點直接積分的磨耗面積表征方法，結合動力學建模與仿真和實測數(shù)據(jù)，研究踏面凹形磨耗對高速列車動力學的影響規(guī)律。李國棟等[8]研究了改進的LMB_10 型車輪踏面輪軌匹配關系。文獻[9-12]研究了車輪踏面外形的磨耗演變規(guī)律、踏面外形優(yōu)化以及對動力學性能的影響。Meink 等[13]指出動靜態(tài)不平衡可能引起車輪多邊形。通過有限元彈性振動模型，陳光雄等[14]指出輪軌系統(tǒng)自激振動可能引起車輪多邊形磨耗。陶功權等的研究[15]表明輪對的1 階彎曲共振是電力機車多邊形磨耗的根本原因。吳興文等[16]研究表明高速列車車輪多邊形是由于其通過軌枕時產生振動沖擊而引起。金學松等[17]系統(tǒng)闡述了車輪非圓化磨耗對車輛/軌道系統(tǒng)動力學行為、車輛噪聲的影響；分析了列車車輪非圓化磨耗發(fā)展規(guī)律和列車車輪多邊形磨耗機理；討論了列車車輪非圓化磨耗檢測技術。

目前大多數(shù)研究主要針對CRH2 系列或者CRH380 系列高速動車組。本文針對標準動車組輪軌磨耗進行了跟蹤測試，分析了實測車輪型面和TB60鋼軌匹配的輪軌接觸幾何關系，在不同運營速度和線路條件下，總結出多邊形磨耗特征和相關影響因素，上述結果為進一步的相關研究提供參考。

1 車輪踏面橫向磨耗

1.1 磨耗演變規(guī)律

通過對標準動車組一個鏇修周期的車輪磨耗進行跟蹤測試，獲得動車組全列車不同運行里程下的車輪踏面外形。下述分析運行里程、運行線路、載客量、不同生成廠家車輪等因素對車輛磨耗的影響。

圖1 實測車輪廓形及磨耗分布

圖1給出了不同運行里程下根據(jù)列車跟蹤測試所得的車輪踏面外形變化及踏面磨耗量。圖中實線為實測車輪廓形，可通過對每次全部車輪測試結果平均獲得，虛線為踏面磨耗量，為實測車輪踏面外形與標準設計踏面外形相減獲得。踏面磨耗分布主要分布在名義滾動圓附近-30 mm～+30 mm 范圍內，最大磨耗深度分布在名義滾動圓附近。

跟蹤期間動車組運行主要包括兩個階段，第1階段約0～13萬公里時在鄭徐客專運行，第2階段約13～30萬公里時主要在哈大客專運行。圖2(a)和圖2(b)中利用箱型圖給出車輪踏面和輪緣磨耗量隨運行里程和線路的變化。

踏面磨耗量隨運行里程基本呈線性增長，第2階段的踏面磨耗速率略大于第1 階段。第2 階段為載客運行，第1 階段為空載試驗，隨著載重量增加，車輪踏面磨耗速率增大。第2階段運行時的季節(jié)為北方秋冬季節(jié)，氣候干燥，輪軌摩擦系數(shù)較大，磨耗速率偏快，其他型動車組車輪磨耗也呈現(xiàn)相似規(guī)律。輪緣磨耗速率由0.034 mm/萬公里增加到0.077 mm/萬公里，這是由于換線運行造成，不同線路條件下輪軌匹配關系會有差異，當輪緣損失量均值達到2.7 mm時，輪緣磨耗量不再增加。

圖3(a)和圖3(b)中分別利用分布圖和柱狀圖給出車輪輪緣厚度隨運行里程和線路的變化趨勢。從分布圖中可以明顯看出車輛運行在鄭徐線時，左右側輪緣厚度相當，當在哈大線運行時，右側輪對輪緣厚度整體高于左側0.6 mm～0.8 mm，具有輕微偏磨現(xiàn)象。

對于高速列車，允許的凹坑磨耗深度不能超過0.2 mm，圖4和圖5分別給出了鋼軌軌頭現(xiàn)場照片和車輪凹坑磨損值。在車輪鏇后16 萬公里個別車輪出現(xiàn)凹坑磨損，并且在鏇后27.3萬公里出現(xiàn)超過0.2 mm的凹陷磨損。凹坑磨損主要與高速軌道平直度標準很高有關[18]。

我國高速動車組從引進時一直采用進口ER8材質的車輪，在標準動車組上首次對國內廠家D2材質的車輪進行了運用試驗。圖6給出了在同一列車上國內廠家與國外廠家的車輪磨耗對比，在車輛跟蹤周期內，不同廠家車輪踏面磨耗量基本相當。

圖2 實測車輪踏面和輪緣磨耗速率

圖3 輪緣厚度變化規(guī)律

圖4 鋼軌軌頭磨耗狀態(tài)

圖5 車輛凹坑磨損統(tǒng)計結果

1.2 輪軌接觸幾何關系分析

圖6 3種廠家車輪磨耗量變化規(guī)律

輪軌接觸幾何關系是分析車輛動力學、輪軌相互作用等研究的基礎[19]。利用實測車輪型面與標準TB60 鋼軌匹配進行輪軌接觸幾何分析。計算時軌距為1 435 mm，軌底坡為1/40，輪對內側距為1 353 mm，同一輪對左右車輪采用相應的實測廓形。輪對橫移量考慮為-12 mm～12 mm，間隔0.5 mm。圖7給出了不同磨耗時期的接觸點對分布情況。隨著踏面磨耗量增加，接觸點分布由集中在名義滾動圓附近發(fā)展到分散在名義滾動圓兩側，接觸點的變化引起了實際輪徑差、接觸角的變化，影響了輪對的蛇行運動特性。

圖7 不同運營里程下輪軌接觸點對變化

輪軌接觸點分布隨車輪磨耗的改變直接體現(xiàn)在輪軌匹配等效錐度上。等效錐度是描述輪軌幾何接觸狀態(tài)的重要指標，直接影響車輛的蛇行穩(wěn)定性[11]。圖8為跟蹤測試的車輪踏面外形與TB60 鋼軌匹配的名義等效錐度，按照UIC-519標準要求進行計算，新輪狀態(tài)等效錐度約0.1，運行里程為30萬公里時等效錐度約0.33～0.4，在運用經驗限值內。在跟蹤周期內，等效錐度的增長速率隨里程增加而減小，尤其在15～30萬公里后等效錐度增長減緩。

圖8 等效錐度變化規(guī)律

2 車輪踏面圓周磨耗

標準動車組跟蹤測試期間運行速度從350 km/h降到300 km/h，運行線路從鄭徐線轉至哈大線，車輪直徑基本保持在900 mm～910 mm之間。

圖9給出了不同時期標準動車組非圓化的極坐標和階次演變規(guī)律。

由圖9（b）可知，在鄭徐線上車輪集中表現(xiàn)出16、17邊形磨損現(xiàn)象，結合文獻[20]，在580 Hz附近，轉向架輪對和構架存在模態(tài)耦合共振問題，這和車輪多邊形磨耗的形成密切相關。當速度提高到350 km/h，多邊形波長增大，多邊形階數(shù)會降到16 或17階。多邊形波長計算公式可表示為

運行在哈大線上時車輪主要表現(xiàn)出偏心和高階12、14、19、20、22和23邊形磨損。其中19、20邊形同樣是由于300 km/h速度下輪對和構架的耦合共振而引起，12、14、22 和23 階多邊形激發(fā)的頻率依次是351 Hz、410 Hz、643 Hz 和672 Hz，結合文獻[22]，多邊形相關頻率與行車速度、軌枕間距以及軸距有關，主要和相鄰輪對之間的鋼軌第3階垂向彎曲模態(tài)相關。圖10給出時速為300公里/時的高寒車鏇后3萬公里的車輪階次和相關部件振動加速度級示意圖，從圖10（a）看出車輪無明顯高階多邊形，但是圖10（b）顯示378 Hz、414 Hz、641 Hz 和672 Hz 處出現(xiàn)加速度級峰值，即相應加速度級峰值頻率不是由車輪多邊形引起的，且與車輪的12、14、22和23邊形激振頻率一一對應。說明在哈大線運行時，軌道系統(tǒng)固有特性對車輪高階多邊形有所貢獻。

雖然哈大線上表現(xiàn)出的多邊形粗糙度值整體高于鄭徐線，但是沒有形成單一的尖峰，多邊形能量相對“分散”，它們在發(fā)展過程中互相制約，不會對行車安全造成影響。

3 結語

通過對中國標準動車組開展車輪踏面磨耗跟蹤測試，分析總結了實測車輪廓形與標準TB60鋼軌匹配對輪軌接觸特性的影響以及多邊形發(fā)展演變規(guī)律。得出以下結論：

圖9 標準動車組車輪階次變化趨勢

圖10 某高寒車車輪階次和振動加速度級測試結果

（1）車輪踏面磨耗分布在名義滾動圓附近-30 mm～30 mm范圍內，踏面磨耗深度與運營里程基本呈線性關系。

（2）鏇后16 萬公里輪緣出現(xiàn)明顯凹坑磨損，接觸點對分布在凹坑兩側，造成等效錐度增長較快。

（3）在580 Hz附近轉向架輪對和構架存在模態(tài)耦合共振問題，在350 km/h 和300 km/h 工況下分別形成16、17邊形和19、20邊形，在哈大線上運行時形成的12、14、22 和23 邊形對應351 Hz、410 Hz、643 Hz和672 Hz的振動頻率，可能與軌道系統(tǒng)固有特性有關。