車輪踏面凹形磨耗對動車組車輛運行性能的影響

殷俊，雷鵬程，崔浩蕾，趙銳，崔大賓

車輪踏面凹形磨耗對動車組車輛運行性能的影響

殷俊1，雷鵬程2，崔浩蕾3，趙銳2，崔大賓2

(1. 西南交通大學 希望學院，四川 成都 610400；2. 西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031；3. 山東省平度第一中學，山東 平度 266000)

基于武廣線上運行的某高速動車組車輪的磨耗狀態的跟蹤測試，發現車輪踏面以凹形磨耗為主。對不同運行階段實測車輪踏面磨耗狀態進行分析，研究磨耗車輪與鋼軌接觸時的接觸幾何參數。根據線路上實際運行動車組性能參數，運用SIMPACK軟件包完成車輛系統動力學模型，對比分析S1002CN車輪與實測踏面車輛的運行穩定性、平穩性及安全性指標，研究車輪踏面凹形磨耗對列車動力學性能的影響。研究結果表明：車輪踏面凹形磨耗將導致轉向架及輪對橫向加速度急劇增大，車輛穩定性、平穩性將有所降低，凹形磨耗是引起轉向架橫向報警的直接原因。

接觸幾何；踏面磨耗；凹形磨耗；動力學性能

目前，我國已擁有多條高速鐵路客運專線，高鐵已逐漸承擔了部分地區主要的客運任務。隨著鐵路運營速度增大，車輪磨耗日益嚴重[1]，甚至造成停車事故。凹形磨耗是鐵路車輪的主要磨耗形式，逐漸引起國內外學者的高度重視。車輪凹形磨耗與車輪踏面的磨耗位置、磨耗寬度及深度有關，是多種因素綜合作用的結果，形成機理較復雜。踏面凹形磨耗程度一般用凹陷值表示，如圖1所示[2]。圖中點位于踏面外側(遠離輪緣側)最高點，點位于踏面最低點，這2點間的垂向距離定義為凹陷值。車輪踏面凹形磨耗后會改變初始的輪軌接觸狀態，影響車輪運行平穩性及穩定性。隨著列車運行速度的提高，凹形磨耗對車輛性能影響越來越大，這些問題深入研究對我國高速列車安全運營和降低運輸成本具有重要意義[3]。Sawley等[4?5]闡述了車輪踏面凹形磨耗的形成過程及其對輪軌接觸狀態的影響，并對某型號貨車車輪磨耗進行了大量的跟蹤測量，分析了凹形磨耗車輪踏面對車輛動力學性能的影響。Frohling等[6]從力學角度分析了凹形磨耗對輪軌接觸狀態產生的不良影響。Stephen[7]指出車輪踏面凹形磨耗會降低車輛的曲線通過能力，從而引發許多不利影響。CUI等[8]從車輛系統動力學的角度分析了在車輪凹坑磨耗情況下的車輪鏇修閾值。雖然在我國普速鐵路營運中早已出現了踏面凹磨問題，但因其運營速度較低，普速鐵路并未將其作為影響安全運營的關鍵因素[9]，而高速運行下，車輛運行性能對車輪輪廓十分敏感。調查發現，我國新建高速鐵路上運營的動車組車輪主要以凹形磨耗為主，由此帶來的影響也進行了研究[10?11]，但凹形磨耗對動車組運行性能的影響研究較少。本文對武廣線某動車組車輪磨耗形態進行了跟蹤測試，分析了車輪磨耗形態對輪軌接觸幾何性能的影響，并結合動車組實際性能參數，仿真分析了凹形磨耗對車輪動力學性能的影響。

圖1 凹形踏面

1 踏面磨耗狀態分析

武廣線動車組車輪正常鏇修周期為20萬km，但在運營中發現，部分列車運行15萬km以內，車輛出現173D/173E(轉向架橫向失穩報警代碼)報警而導致列車自動降速運行。為保證列車正常運行，需對相應車輪進行鏇修。部分車輛車輪的鏇修周期甚至保持在10萬km以內。如此頻繁的車輪鏇修給維修部門帶來巨大的壓力，并產生高額的維修及停車費用，這也必將縮短車輪的服役時間。

為研究引起列車運營中車輛出現的173D/173E報警的原因，對某批次車輛進行了長期跟蹤測試，173D/173E報警車輛的輪對均出現不同程度的凹形磨耗，凹陷值大多處于0.1~0.2 mm之間，在凹陷值超過0.3 mm前均對車輪進行了鏇修。圖2給出了某車輛實測車輪踏面磨耗曲線，圖中可以看出，隨車輛運行里程的增加，踏面磨耗寬度變化不大，前4萬km踏面具有較快的磨耗速率，之后磨耗狀態趨于穩定。踏面磨耗速率與表面材料硬度有關，車輪踏面材料硬度較低踏面磨耗速率較快，反之較慢。圖3給出了不同時期的踏面硬度值。車輪鏇修前，車輪表面由于存在殘余應力等因素導致材料硬度較高，車輪鏇修時將材料硬化層鏇掉，從而導致表面材料硬度降低。較低的硬度必然引起材料的較快磨耗。當車輛運行4萬km后，踏面塑像變形逐漸累積而引起材料再次硬化，踏面磨耗速率有所降低。之后踏面外形及硬度都將趨于穩定。車輛運行8.4萬km時，踏面凹陷值為0.12 mm，車輛出現173D/173E報警，隨后對車輪進行鏇修。

圖2 實測踏面的磨耗形態

圖3 不同磨耗時期踏面平均硬度

本文根據實測的踏面磨耗狀態，采用改進的輪軌接觸幾何算法[12?13]對磨耗車輪與我國60 kg/m鋼軌匹配時的輪軌接觸幾何關系進行了計算。輪對從對中位置開始橫移，每步橫移0.5 mm、橫移25步，共橫移12 mm，得到不同橫移量下的輪軌接觸點對分布、輪徑差曲線等。計算時采用軌距1 435 mm，輪對內側距1 353 mm，軌底坡1/40。計算時沒有考慮輪對的搖頭運動。

輪徑差和等效錐度是輪軌匹配性能的重要指標，直接影響車輛的動力學性能及曲線通過性能，工程中常用等效錐度作為車輛的間接動力學性能衡量指標。本文采用簡化算法對車輪踏面等效錐度的進行求解，其公式如下：

式中：rl和rr分別為左右車輪滾動圓半徑；yG為輪對橫移量；Δr為左右車輪滾動圓半徑差。圖4給出了不同磨耗時期踏面輪徑差隨橫移量的變化。可以看出，在6 mm橫移量范圍內，輪徑差隨踏面的磨耗逐漸增大，較大的輪徑差有利于車輛的曲線通過，但存在誘發車輛蛇行的危險。從圖5可以看出，隨著磨耗的增加，踏面等效錐度逐漸增大，車輛運行8.4萬km時，踏面名義等效錐度(輪對橫移量為3 mm時的等效錐度)增加至0.28，約為新鏇車輪的2倍。隨運行里程的增加，等效錐度也呈增長趨勢，將引起輪對輪軌較大橫向作用了，加劇輪對的橫向晃動。

圖5 不同磨耗時期等效錐度

(a) 新車輪；(b) 運行8.4萬km車輪

圖6給出了車輛運行8.4萬km和新車輪時的輪軌接觸點對分布狀態。可以看出，車輪名義滾動圓附近的踏面凹陷的出現，導致名義滾動圓附近的踏面與鋼軌不易接觸，接觸點在凹陷區域發生較大跳躍。這種接觸點位置的跳躍將引起輪軌的相對滑動摩擦加快車輪磨耗及疲勞[14]。當車輛高速運行時，這種跳躍還會引起輪軌沖擊振動，增加輪對的橫向振動加速度，降低車輛的運行穩定性。

2 車輛動力學性能分析

根據線路實際運營動車組的具體參數(部分參數如表1所示)，采用我國60 kg/m鋼軌，軌距1 435 mm，輪對內側距1 353 mm，軌底坡1/40，車輪名義半徑460 mm，運用SIMPACK計算程序包對其進行了建模[15?17]，如圖7所示。仿真分析了S1002CN踏面與實測(8.4萬km時)磨耗踏面車輛的直線運行性能及曲線通過性能[18]。采用京津實測軌道譜作為仿真過程中的輪軌激勵。

表1 車輛主要性能參數

圖7 Simpack仿真模型

2.1 直線運行性能

車輛蛇行失穩臨界速度是車輛系統直線運行穩定性的評價指標。對于車輛系統動力學模型而言，因其中復雜的非線性因素有很多，車輛臨界速度用解析方法很難求出，通常是以車輛系統時域響應是否收斂判斷系統是否處于失穩臨界狀態，具體計算方法為[18]：首先讓車輛在施加了800 m實測隨機不平順譜的軌道上運行，使車輛系統得到充分激勵，然后車輛繼續駛入理想的平直平順軌道，觀察不同速度下車輛系統動態響應特征，當系統的響應是趨于穩定的極限環而不是通過衰減到平衡位置時，此速度便為車輛的失穩臨界速度。

圖8和圖9分別給出了S1002CN和凹形磨耗車輪踏面車輛以臨界速度運行時的輪對橫移量時域相應曲線。裝有S1002CN踏面車輛臨界速度為665 km/h，踏面凹形磨耗后車輛的臨界速度為505 km/h，明顯低與標準車輪，這是由于踏面凹形磨耗引起輪軌接觸點跳躍而導致踏面等效錐度增大 所致。

圖10給出了裝有2種車輪的車輛以350 km/h速度在直線軌道上運行時的輪對橫移量，從圖中可以看出，踏面凹形磨耗對輪對橫移量幅值影響不大，但輪對的橫向振動加速度明顯增加，這將導致輪對橫移加速度的增大(圖11)。

圖8 S1002CN踏面的臨界速度

圖9 凹陷踏面的臨界速度

圖10 直線運行時的輪對橫移量

圖11 輪對橫向加速度

圖12 輪對加速度的均方根值

圖13 構架橫向加速度

我國通常采用Sperling平穩性指數對車輛的運行平穩性進行評價[19]。Sperling平穩性指標的公 式為：

式中：為平穩性指數；為加速度，cm/s2，為振動頻率；()為與振動頻率有關的加權系數。在計算車輛平穩性指標時，對車輛系統加速度響應(時域)作FFT變換，得到加速度頻率響應函數，然后對每一頻段計算各自的平穩性指標，最后用下式求得全頻段總的平穩性指標：

從圖14可以看出，隨著運行速度的提高，車輛的橫向平穩性指標均呈增大趨勢，凹陷踏面的平穩性指標明顯高于S1002CN踏面，影響乘坐舒適性；平穩性指數增大的原因是凹陷踏面改變了原始輪軌型面匹配的等效錐度，造成車輛行駛過程中車體橫向加速度幅值及頻率增加，使其平穩性降低。

圖14 不同速度下的車輛平穩性指標

車輛運行過程中，凹陷踏面輪軌接觸時會出現從輪緣到假輪緣的橫向振動沖擊，對輪軌橫向力產生一定影響。如圖15給出了車輛以350 km/h速度行駛時的輪軌橫向力均方根值，可以看出凹陷后踏面輪軌橫向力明顯高于標準車輪。輪軌橫向力的增大將造成踏面接觸斑上切向力增加而加快輪軌磨耗，過大的橫向力將對軌道系統產生不良影響，導致軌枕以及扣件的損壞等。

圖15 輪軌橫向力均方根值

2.2 曲線通過性能

進行凹陷踏面車輛的曲線通過性能的仿真計算時采用相同的模型，相同的車輛、軌道、輪對參數。仿真分析了車輛以300 km/h速度通過半徑7 000 m曲線時的動力學性能。其中圓曲線長1 880 m，超高145 mm，兩端各設緩和曲線670 m，前直線200 m，后直線500 m。

圖16給出了車輛運行過程中下2種踏面的磨耗功率隨時間的分布，可以看出踏面凹形磨耗后輪軌磨耗功明顯高于S1002CN踏面，這與凹陷踏面較大的輪對橫向振動加速度有關。較高的磨耗功必然加快輪軌磨耗速率，加快踏面惡化。

調查2種踏面車輛在施加了京津實測軌道不平順曲線上行駛時的輪對加速度，如圖17所示。可見凹陷踏面大大提高了輪對加速度均方根值，由于穩定性的好壞與輪對加速度有直接關系，導致凹陷踏面的穩定性指標低于S1002CN踏面。

圖16 曲線通過時的磨耗功率

圖17 曲線通過時的輪對加速度均方根

根據我國《200 km/h及以上速度級動車組動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》，脫軌系數評定限度值為：(/)lim=0.8，在計算時取輪軌橫向力向右為正；當運行速度大于160 km/h時起輪重減載率評定限度值為：(Δ/)lim=0.8(動態)。從圖18，19和20可以看出曲線通過時的輪對橫移量、輪重減載率、脫軌系數等指標，凹陷踏面比S1002CN略大，對性能有一定的影響，但相差不大。

圖18 曲線運行時的輪對橫移量

圖19 曲線運行時的脫軌系數

圖20 曲線運行時的輪重減載率

3 結論

1) 對武廣線路上某型動車組車輪踏面耗狀態進行了跟蹤測試，通過對比分析磨耗前后踏面的輪軌接觸特性，發現凹形磨耗踏面車輪名義滾動圓附近踏面區域由于踏面凹形磨耗不易與鋼軌接觸便導致接觸點在此處發生較大跳躍，加快車輪磨耗。凹形磨耗踏面等效錐度明顯高于標準踏面，對車輛的動力學性能不利。

2) 踏面凹形磨耗會降低車輛的運行臨界速度，當車輛在高速運行時輪軌接觸點的從輪緣到假輪緣的沖擊將加大輪軌橫向振動加速度，使輪軌橫向力有所增加，同時引起構架橫向加速度增加，且嚴重增加輪軌磨耗功，使輪軌接觸狀態急速惡化。

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Influence of hollow-worn wheels tread on running performance of EMU

YIN Jun1, LEI Pengcheng2, CUI Haolei3,ZHAO Rui2, CUI Dabin2

(1. Hope College, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610400, China;2. School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. Pingdu No.1 High School of Shandong Province, Pingdu 266000, China)

Based on the measured wear data of the wheel profile for a high-speed EMU of the line of WU-GUANG, hollow-wear is found to be the main wear style for wheel profile. Measured tread wear at different stages was analyzed, and the parameters of contact geometry were also studied when the wheel and rail are in contact. According to the parameters of EMU of the line of WU-GUANG, a multi-body dynamics system model was built by using SIMPACK packages. The stability, ride quality and safety index were analyzed in the comparison between the standard S1002CN and hollow-wear tread to obtain the influence of hollow-wear on the above dynamic performance of the train. The results indicate that the existence of hollow-wear results in the sharp increase of the lateral acceleration of bogie and wheelset and the reduction of vehicle stability, ride quality. This is the direct cause of the lateral alarm of the bogie.

contact geometry; tread wear; hollow-wear; dynamic performance

U211.5

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0297 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190515

2019?06?12

國家自然科學基金青年基金資助項目(51605394)

崔大賓(1982?)，男，山東青島人，副教授，博士，從事輪軌關系與機械設計及理論研究；E?mail：cdb1645@163.com

(編輯 蔣學東)