基于實測鋼軌廓形的輪軌匹配等效錐度對比研究

侯茂銳，郭濤，張志波

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道科學技術研究發展中心，北京100081；2.中車唐山機車車輛有限公司 轉向架技術中心，河北 唐山063500；3.中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心，山東 青島266000）

1 概述

輪軌系統技術是高速鐵路的核心技術之一，輪軌服役行為直接關系到列車的運行安全，是保障高速鐵路安全、高效運營的重要支撐。自2008年第1條高速鐵路——京津城際開通以來，我國高速鐵路總體保持了優良的平穩性和舒適性，極大的滿足了人們出行方式的轉變。但由于我國高速鐵路輪軌匹配的復雜性，也出現了一些由于局部輪軌匹配不良引發的動車組構架橫向加速度報警、晃車、抖車等車體低頻異常振動和扣件彈條斷裂、車輪多邊形等高頻異常振動問題［1-2］。

等效錐度是車輪踏面與鋼軌軌頭廓形進行匹配，經過計算得到的與輪對橫移量之間相關的非線性曲線。為了使用方便，規定輪對橫移量3 mm時對應的等效錐度為名義等效錐度［3］。由于名義等效錐度具有直觀、簡潔等特點，現場廣泛用于評價輪軌型面匹配性能［4-5］。本次研究的等效錐度均指名義等效錐度。近年來，諸多研究人員對等效錐度及其對車輛異常振動的影響開展了多方面研究。文獻[6]研究了武廣高速鐵路CRH3型動車組構架橫向失穩問題，車輪凹磨、鋼軌雙光帶使得局部等效錐度達到0.5～0.7，由此引發構架橫向失穩。文獻[7-8]分別研究了衡柳線、海南環島高速鐵路由于輪軌匹配等效錐度過小（約0.07）引發的車體1～2 Hz低頻晃動問題。文獻[9]研究了哈齊客專運行的CRH5型動車組，由于鋼軌廓形打磨不到位使得等效錐度增大，引發車體出現6～8 Hz的高頻異常振動。文獻[10-11]根據現場服役動車組橫向穩定性情況，基于TB60鋼軌提出了4種車輪踏面不同速度級的服役等效錐度限值，為實現車輪狀態鏇修提供指導。

為了系統對比不同高速鐵路動車組輪軌型面匹配特性，在京滬、武廣、哈大、蘭新、貴廣、丹大等6條高速鐵路選擇典型地面測點和16列動車組車輪進行為期近2年的現場測試［12］。對現場試驗數據進行綜合比較，分析不同線路實測鋼軌廓形對不同車輪踏面等效錐度的影響，對比分析了3種主型平臺動車組車輪踏面與不同線路鋼軌廓形匹配的等效錐度差異，描繪出動車組鏇輪初期和鏇輪末期的等效錐度變化范圍，為不同線路控制合理的輪軌匹配狀態提供支撐。

2 地面鋼軌測點與跟蹤試驗動車組

在6條高速鐵路共選擇42個鋼軌斷面進行長期跟蹤測試，在每條線路選擇1個典型斷面的鋼軌廓形數據進行輪軌匹配等效錐度計算分析［12］。跟蹤測試動車組包括3種平臺的不同速度等級動車組16列，包含了LMA、S1002CN、LMB-10、XP55四種車輪踏面類型。CRH2平臺動車組應用LMA車輪踏面，CRH3平臺動車組主要應用S1002CN車輪踏面，部分動車組優化為LMB-10車輪踏面，CRH5平臺動車組主要應用XP55車輪踏面。選擇1個鏇輪周期的車輪踏面數據進行等效錐度計算分析，具體地面鋼軌測點及跟蹤測試動車組信息見表1。

表1 地面鋼軌測點及跟蹤測試動車組信息

3 實測鋼軌廓形與設計車輪踏面匹配

6條線路鋼軌設計廓形不同，主要有TB60和60N，鋼軌打磨指導廓形為60D。由于鋼軌打磨一般應用多頭打磨車，主要依靠砂輪對鋼軌軌頭廓形進行磨削，加工精度達不到機加工的表面精度；此外，不同鐵路局集團公司不同工務段的打磨方式、策略也不盡相同，開通運營時間和線路通過總重也不完全相同，因此，影響鋼軌軌頭廓形變化的因素較多。

不同線路測點鋼軌軌頭廓形比較見圖1，3種標準車輪踏面廓形比較見圖2。由圖1可知，哈大高鐵和武廣高鐵的鋼軌軌頭廓形比較接近，工作邊軌距角與其他4條線軌頭廓形相差較大，軌距角處打磨去除材料較多。由圖2可知，S1002CN車輪踏面厚度最大，XP55車輪踏面的輪緣較高，且踏面外側斜率較大。

為對比分析不同鋼軌軌頭廓形變化對輪軌接觸幾何關系的影響，特分析LMA、S1002CN、XP55標準車輪踏面與線路實測鋼軌匹配的等效錐度變化規律。

LMA車輪踏面與TB60鋼軌、60N鋼軌以及6條線路實測鋼軌廓形匹配的等效錐度比較見圖3。由圖3可知，LMA踏面與不同鋼軌廓形匹配的等效錐度差異較小，基本在0.03附近波動。

圖1 不同線路測點鋼軌軌頭廓形比較

圖2 3種標準車輪踏面廓形比較

圖3 LMA車輪踏面與不同鋼軌廓形匹配的等效錐度比較

S1002CN車輪踏面與TB60鋼軌、60N鋼軌以及6條線路實測鋼軌廓形匹配的等效錐度比較見圖4。由圖4可知，S1002CN車輪踏面與不同鋼軌廓形匹配的等效錐度差異較大，武廣高鐵鋼軌廓形匹配的等效錐度最小，約為0.09；哈大、蘭新高鐵鋼軌廓形匹配的等效錐度比武廣高鐵稍大，等于0.10；其他3條線的等效錐度在0.13左右，分布在TB60鋼軌的0.17與60N鋼軌的0.12之間。可見，S1002CN車輪踏面對鋼軌廓形的變化較為敏感，鋼軌廓形的微小差異均會引起S1002CN車輪踏面等效錐度較大的波動。

圖4 S1002CN車輪踏面與不同鋼軌廓形匹配的等效錐度比較

XP55車輪踏面分別與TB60鋼軌、60N鋼軌及6條線路實測鋼軌廓形匹配的等效錐度比較見圖5。由圖5可知，XP55車輪踏面與實測鋼軌廓形匹配的等效錐度差異非常小，主要分布在0.05～0.06。

圖5 XP55車輪踏面與不同鋼軌廓形匹配的等效錐度比較

4 實測鋼軌廓形與實測車輪踏面匹配

在1個鏇輪周期內，不同線路、不同動車組分別采用實測車輪與相對應的線路典型實測鋼軌廓形進行匹配，計算等效錐度。由于各條線路的鏇輪周期不盡相同，部分動車組鏇輪周期甚至超過25萬km，大多鏇輪周期為20萬～25萬km，部分特殊情況可能為15萬km。為便于分析，將鏇輪后首次測試（約5萬km以內）稱為“鏇輪初期”，將鏇輪周期內最后一次的測試稱為“鏇輪末期”。平均等效錐度指全列車64個車輪等效錐度的平均值，重點關注鏇輪初期和鏇輪末期的等效錐度對比，鏇輪周期內等效錐度隨服役里程的變化規律參見文獻[13]。

16列動車組鏇輪初期和鏇輪末期的平均等效錐度變化見圖6。由圖6可知，不同線路不同型號動車組的等效錐度差異較大，鏇輪初期平均等效錐度值分布在0.03～0.20，鏇輪末期平均等效錐度值分布在0.03～0.40。等效錐度分布范圍較大與動車組類型、踏面類型和鋼軌型面均有一定關系。

圖6 不同動車組鏇輪初期和鏇輪末期的平均等效錐度變化

為了清晰對比不同型號動車組在不同線路運行時的等效錐度變化特性，分別按照CRH2平臺、CRH3平臺和CRH5平臺動車組分別進行對比分析，找出動車組在運行線路上的等效錐度分布范圍。

4.1 CRH2平臺動車組

CRH2平臺動車組鏇輪初期、鏇輪末期實測車輪踏面分別與實測鋼軌廓形匹配的平均等效錐度比較見圖7。由圖7可知，京滬高鐵編號為1的CRH380AL動車組、武廣高鐵編號為5的CRH380AL動車組以及貴廣客專編號分別為12、13的CRH2A動車組等效錐度分布基本一致，鏇輪初期和鏇輪末期等效錐度相差較小，鏇輪初期平均等效錐度約等于0.03，鏇輪末期平均等效錐度約等于0.06，分布范圍為0.03～0.06。蘭新客專編號為10的CRH2G動車組等效錐度變化范圍與京滬、武廣、貴廣高鐵的CRH2平臺動車組等效錐度變化范圍相差較大，鏇輪初期平均等效錐度約為0.07，鏇輪末期平均等效錐度約為0.19，分布范圍為0.04～0.19。

圖7 CRH2平臺動車組等效錐度平均值變化

4.2 CRH3平臺動車組

CRH3平臺動車組鏇輪初期、鏇輪末期實測車輪踏面分別與實測鋼軌廓形匹配的平均等效錐度比較見圖8。京滬高鐵編號為2的CRH380BL動車組應用LMB-10車輪踏面，編號3和4的CRH380BL動車組均應用S1002CN車輪踏面。由圖4可知，LMB-10車輪踏面鏇輪初期平均等效錐度約等于0.13，鏇輪末期平均等效錐度約等于0.25，分布范圍為0.13～0.25。S1002CN車輪踏面鏇輪初期平均等效錐度約等于0.16，鏇輪末期平均等效錐度約等于0.39，分布范圍為0.16～0.39。可見，1個鏇輪周期內LMB-10車輪踏面的等效錐度低于S1002CN踏面，對于緩解轉向架構架橫向振動加速度超限報警具有一定作用。

圖8 CRH3平臺動車組等效錐度平均值變化

武廣高鐵編號為6的CRH3C動車組和編號為7的CRH380B動車組均應用S1002CN車輪踏面。由圖8可知，武廣高鐵的CRH3型動車組等效錐度明顯低于京滬、哈大高鐵。鏇輪初期平均等效錐度約為0.08，鏇輪末期平均等效錐度約為0.22，分布范圍為0.08～0.22。武廣高鐵由于鋼軌軌距角打磨量較大，使得S1002CN車輪踏面的等效錐度明顯降低，鏇輪初期（5萬km以內）的平均等效錐度小于0.10。

哈大高鐵編號為8的CRH380BG動車組應用S1002CN車輪踏面，編號為9的CRH380B動車組應用LMB-10車輪踏面。由圖8可知，LMB-10車輪踏面鏇輪初期平均等效錐度約為0.14，鏇輪末期平均等效錐度約為0.28，分布范圍為0.14～0.28。S1002CN車輪踏面鏇輪初期平均等效錐度約為0.20，鏇輪末期平均等效錐度約為0.37，分布范圍為0.20～0.37。LMB-10車輪踏面在鏇輪初期和鏇輪末期的等效錐度均小于S1002CN車輪踏面。

4.3 CRH5平臺動車組

CRH5平臺動車組鏇輪初期、鏇輪末期實測車輪踏面分別與實測鋼軌廓形匹配的平均等效錐度比較見圖9。由圖9可知，蘭新客專與丹大鐵路的CRH5型動車組等效錐度基本一致，蘭新客專編號為11的CRH5G動車組鏇輪初期平均等效錐度約為0.14，鏇輪末期平均等效錐度約為0.28，分布范圍為0.14～0.28；丹大鐵路CRH5型動車組鏇輪初期平均等效錐度約為0.09，鏇輪末期平均等效錐度約為0.28，分布范圍為0.09～0.28。

圖9 CRH5平臺動車組等效錐度平均值變化

綜上所述，與實測鋼軌廓形匹配，應用LMA車輪踏面的CRH2平臺動車組服役運用中的等效錐度變化范圍為0.03～0.19；應用S1002CN車輪踏面的CRH3平臺動車組服役運用中的等效錐度變化范圍為0.08～0.37；應用XP55車輪踏面的CRH5平臺動車組服役運用中的等效錐度變化范圍為0.09～0.28。課題組根據大量輪軌匹配等效錐度計算結果，結合車輛動力學性能試驗數據，制定了匹配TB60鋼軌廓形的等效錐度限值［11］。與實測鋼軌廓形匹配的等效錐度一般小于TB60鋼軌，下一步需要在前期等效錐度限值的基礎上，綜合考慮車輛動力學性能，提出匹配60D和60N廓形的等效錐度限值，為輪軌廓形養護維修提供指導。

5 結論

（1）通過不同鋼軌廓形與標準車輪踏面匹配的等效錐度分析，發現鋼軌廓形對S1002CN車輪踏面的等效錐度影響較大，其次是LMA車輪踏面，XP55車輪踏面受鋼軌廓形影響最小。相對于TB60鋼軌廓形，S1002CN車輪踏面等效錐度最大減小約50%，LMA車輪踏面最大減小約25%。

（2）應用LMA車輪踏面的CRH2平臺動車組，京滬高鐵和貴廣客專鏇輪末期和鏇輪初期的等效錐度基本一致，均小于TB60鋼軌廓形，存在由于等效錐度過小引起晃車的風險，并且隨著運行里程的增加得不到緩解。應用S1002CN車輪踏面的CRH3平臺動車組，在武廣高鐵1個鏇輪周期內的等效錐度變化區間均明顯小于其他線路，LMB-10車輪踏面的等效錐度較S1002CN有一定程度的減小；CRH3平臺動車組對輪軌廓形變化敏感，局部的輪軌型面匹配不良容易引發低錐度晃車或高錐度構架報警等異常振動問題。對于CRH5平臺動車組，受不同線路鋼軌廓形影響較小，不同線路鏇輪周期內等效錐度變化區間基本一致。

（3）與實測鋼軌廓形匹配，LMA、S1002CN和XP55車輪踏面服役運用等效錐度變化范圍分別為0.03～0.19，0.08～0.37和0.09～0.28，下一步需在前期等效錐度限值的基礎上，綜合考慮等效錐度對車輛動力學性能的影響，進一步修正提出匹配60D和60N廓形的等效錐度限值，為輪軌廓形的養護維修提供指導。

（4）輪軌匹配由車輪和鋼軌組成的輪軌系統空間共同決定，單一的改變其中某1個因素均不能實現輪軌匹配的最優化。建議下一步研究鋼軌打磨廓形的正負公差范圍，確定鋼軌廓形的包絡空間，并以此為基礎，進一步優化車輪踏面和部分懸掛參數性能，減小車輪踏面受鋼軌廓形影響的敏感性，不斷改善輪軌系統匹配性能，提升動車組運行平穩性和舒適性。