動車組小曲線通過輪緣減磨措施深化研究*

李建平，許自強

（1 中國鐵路武漢鐵路局有限公司，武漢430071；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

隨著中國鐵路快速發展，越來越多高速城際線路開通。城際線路小半徑曲線多，服役動車組輪緣磨耗問題越來越突出，部分動車組由于輪緣快速磨耗，輪對輪徑很快到使用壽命，顯著提高動車組維護成本，同時頻繁旋修或更換輪對也顯著影響運營秩序［1-2］。

針對小曲線輪軌磨耗問題，國內外學者已經進行了大量研究，主要集中在4個方面：輪緣磨耗影響因素分析［3-4］、以降低輪緣磨耗為目標的輪軌型面優化［5-6］、輪軌磨耗的預測模型研究［7-8］、輪緣磨耗的控制措施研究［9-10］。以往對輪緣減磨措施的研究大多數依托仿真分析手段，與現場運用規律存在差異。文中基于某城際線路開展輪緣磨耗機理與控制措施的研究，首先通過線路調研、輪軌型面測試、輪軌匹配分析確定輪緣磨耗機理；再通過仿真分析與線路試驗，對輪緣磨耗措施進行驗證，深入分析不同減磨措施的效果，最終按照優先級提出輪緣減磨措施的建議。

1 動車組輪緣異常磨耗原因分析

某城際線路在開通運營后出現了動車組車輪輪緣異常快速磨耗問題，其5列主要在該城際線服役的動車組輪緣磨耗統計如圖1所示。動車組3持續在城際線運行，輪緣磨耗速率最大可達0.55 mm/萬km。對旋修恢復輪緣厚度時的輪徑損失量進行大樣本統計，結果顯示旋修每恢復1 mm的輪緣厚度，輪徑損失量的平均值達到6～8 mm。該城際線路輪緣磨耗顯著偏離正常速率導致車輪頻繁旋修、車輪使用壽命顯著降低，影響運行秩序和經濟性。

圖1 動車組輪緣磨耗量統計

為了研究該城際動車組輪緣異常磨耗的原因，對城際線路小曲線、動車所站場小曲線進行了鋼軌調研、測試，實測鋼軌廓形與照片如圖2、圖3所示。結果顯示：該城際線正線半徑R1000 m以下的小曲線外軌都存在鋼軌側磨，而且曲線半徑越小曲線外軌的側磨越明顯，小曲線外軌側磨高度約為14～16 mm。同時該城際線路小半徑曲線比例大，上下行共有22段半徑小于R1000 m曲線，總長12.3 km，占總里程的36.5%；動車組的站場進庫曲線半徑僅R300 m，由于車輛通過量大且長時間未維護，曲線外軌鋼軌存在較大的鋼軌側磨，軌頂向下16 mm處的軌距角磨耗達到6.48～8.45 mm。

圖2 實測廓形與標準廓形對比

圖3 實際照片

通過輪軌調研分析，該城際線路動車組輪緣異常磨耗的原因可以推測為：動車組外側車輪通過正線小半徑曲線時車輪與外軌鋼軌兩點接觸產生輪緣磨耗，由于小半徑曲線總里程長即輪緣磨耗距離長，造成輪緣厚度、QR值的快速降低；同時，城際線路站場線、動走線小半徑曲線鋼軌偏離設計廓形，也加劇了輪緣磨耗?；谶@種判斷，文中開展了仿真和現場試驗，復現輪軌磨耗過程，并研究緩解措施。

2 輪緣磨耗評價指標

為了能夠制定實際有效的輪緣減磨措施，通過線路試驗與仿真結合的手段對減磨措施進行驗證。為了準確評估輪緣磨耗程度，線路試驗通過對比試驗前后的輪緣磨耗深度與輪緣磨耗面積以及曲線通過時外軌車輪橫向力評價輪緣磨耗程度。

仿真分析中評價輪緣磨耗的經驗方法較多，比較典型的評價指標有赫曼（Heumann）磨耗因數、接觸斑磨耗功、接觸斑磨耗功率等［11］，計算方法如下：

（1）赫曼（Heumann）磨耗因數為式（1）：

式中：μ為輪軌間的摩擦系數；H為輪緣導向力，或用輪軌間的總橫向力代替；α為輪軌沖角。

（2）接觸斑磨耗功為式（2）：

式中：Fx、Fy為縱向蠕滑力、橫向蠕滑力；Msp為自旋（法向）蠕滑力矩；εx、εy、εsp為縱向蠕滑率、橫向蠕滑率、自旋蠕滑率。

（3）接觸斑磨耗功率為式（3）：

式中：v為曲線通過速度。

接觸斑磨耗功可以區分踏面與輪緣區域的接觸情況，考慮了輪緣接觸斑的蠕滑率、蠕滑力、輪對沖角的影響，可以較準確的反映輪緣磨耗的趨勢；而接觸斑磨耗功率考慮了曲線通過速度的影響，在變速運行時放大了速度的影響。故文中采用磨耗功來表征小曲線通過時的輪緣磨耗程度。

3 輪緣減磨措施深入研究

3.1 輪軌潤滑

為了驗證鋼軌潤滑的效果，在該城際線進行了3次正線試驗，其中試運行試驗與未潤滑拉鋸試驗時輪軌為未潤滑的干燥狀態，而第3次試驗對車輪輪緣涂抹了潤滑脂，試驗安排見表1。

表1 試驗過程

3次試驗每次試驗后都測試了導向輪對左右車輪踏面外形，并與試驗前的車輪外形進行對比，得到了各次試驗后的輪緣磨耗特征，結果如圖4所示，輪緣磨耗深度與磨耗面積的結果見表2。由試驗結果可知：

表2 輪緣磨耗統計

（1）輪緣潤滑后，輪緣磨耗深度與磨耗速率隨運行里程的增加趨勢有明顯減緩；

（2）按每公里運行里程的輪緣磨耗面積進行對比，潤滑前導向輪對左右輪的平均輪緣磨耗面積為0.008 mm2/km，潤滑后的輪緣磨耗面積的速率為0.003 mm2/km，潤滑后降低約63%。

輪軌潤滑本質是降低輪緣的摩擦系數，由于實際潤滑后的輪緣磨耗系數無法準確獲得，通過仿真進一步驗證輪軌潤滑效果。動車組通過R400 m小曲線，摩擦系數由0.1升高至0.6，輪緣摩擦功隨摩擦系數的變化趨勢如圖5所示。

仿真結果顯示摩擦系數對輪緣磨耗功有顯著的影響，當摩擦系數由0.4降低至0.2，輪緣磨耗功降低了53%。輪緣磨耗功可準確反映輪緣磨耗趨勢，仿真結果與線路試驗一致性較好，驗證了線路試驗的結果。

3.2 曲線半徑影響

曲線半徑越小輪軌作用力越大，同時輪緣磨耗速率也越快，但是很少有學者定量分析曲線半徑與輪緣磨耗的關系。通過線路試驗與仿真定量分析了曲線半徑與輪緣磨耗速率的關系。正線試驗時通過各曲線時導向輪軌左右輪的車輪橫向力如圖6所示，車輪橫向力統計見表3。

圖6 線路試驗實測波形

由圖表可知：車輪橫向力隨曲線半徑的減小明顯增大，以R400 m曲線車輪橫向力為基準，當曲線半徑由400 m增加至500 m，曲線半徑每增加50 m，車輪橫向力降低約15%；曲線半徑由500 m增加至800 m，曲線半徑每增加50 m，車輪橫向力降低約5%。趨勢表明，當曲線半徑達到500 m以上，隨著曲線半徑的增加，車輪橫向力的降低幅度越來越低，再提高曲線半徑對輪緣磨耗的降低效果有限。

由于線路試驗無法涵蓋所有曲線半徑，通過仿真補充可確認相對最佳的曲線半徑建議值。仿真的輪緣磨耗功與曲線半徑關系如圖7、圖8所示，當曲線半徑不斷增加，輪緣磨耗功呈降低趨勢，且降低率逐漸變緩。當通過曲線的半徑由300 m不斷增加，每次增加間隔為100 m，輪緣磨耗功變化率迅速降低，曲線半徑達到600 m時為拐點；當半徑600 m以內，輪緣磨耗功變化率在14%～19%；當曲線半徑達到600 m及以上，輪緣磨耗功變化率在14%左右，此后曲線半徑再增加磨耗功變化率較為穩定。

圖7 曲線半徑對輪緣磨耗功影響

圖8 磨耗功變化率

綜合線路試驗與仿真分析，建議城際線路的小曲線半徑大于等于600 m。

3.3 曲線通過速度

分析曲線通過速度對輪緣磨耗的影響程度，線路試驗測試的不同曲線通過速度下，R400 m、R450 m曲線外軌車輪橫向力波形如圖9所示。仿真分析不同曲線半徑、曲線通過速度對輪緣磨耗功的影響如圖10所示。

圖9 不同曲線通過速度時外軌車輪橫向力波形

圖10 不同速度對輪軌力與輪緣磨耗功的影響

線路試驗與仿真分析都顯示曲線通過速度對車輪橫向力與輪緣磨耗功影響較小，線路試驗中運行速度由40 km/h增加至70 km/h，車輪橫向力增加約3%；仿真以R500 m曲線為例，當曲線通過速度由50 km/h增加至90 km/h，輪緣磨耗指數僅增加了13.2%。

3.4 輪軌型面優化

由于輪軌型面不匹配輪緣磨耗速率將顯著增加，輪軌型面恢復設計值可以有效降低車輪輪緣磨耗速率，但是不同的標準輪軌型面對小曲線通過時的輪緣磨耗影響并不清楚。

LMA踏面與TB60、60N、60D這3種標準鋼軌型面的匹配特性對比如圖11所示。由圖可知：LMA踏面與TB60匹配等效錐度最大，且隨著輪對橫移等效錐度均勻增加，在曲線通過時等效錐度大，可以提供較大的對中力；LMA踏面與60N、60D匹配等效錐度小于TB60，而且在橫移量1～8 mm等效錐度幅值幾乎不變，超過8 mm后出現跳變，這說明60N與60D外形在軌頂的接觸區域集中，在小曲線通過輪對大橫移量時容易出現接觸點跳變并造成輪緣接觸。LMA踏面與TB60、60N、60D這3種標準鋼軌型面的小曲線通過接觸功如圖12所示，其中仿真分析的曲線半徑為R400 m。LMA踏面與TB60匹配通過小曲線時未發生2點接觸，輪緣磨耗功為0；對比LMA與60N、60D匹配的輪緣磨耗功，其最大值分別為668 N、531 N。所以從輪軌匹配角度來說TB60外形有利于降低曲線通過輪軌磨耗，其次是60D廓形。

圖11 LMA與不同鋼軌匹配等效錐度

圖12 不同鋼軌廓形的小曲線輪緣磨耗功

LMA、LM這2種踏面與60D廓形匹配的等效錐度和輪緣磨耗功如圖13、圖14所示。LMA、LM的匹配等效錐度分別為0.034、0.075，輪緣磨耗功分別為466 N、295 N，采用LM的輪緣磨耗功明顯低于LMA踏面，即采用LM踏面相比LMA輪緣磨耗降低。

圖13 60D鋼軌與不同車輪踏面匹配等效錐度

圖14 不同車輪型面的小曲線輪緣磨耗功

3.5 其他控制措施

曲線超高、軌矩加寬、車輛懸掛參數優化在線路試驗無法驗證，于是進行了仿真分析。

（1）曲線超高優化

曲線超高變化對輪緣磨耗功影響如圖15所示。對于R400 m曲線，增大超高后輪緣磨耗功降低，當超高由60 mm增加至80 mm，輪緣磨耗功降低了15.8%；當超高由80 mm增加至100 mm，輪緣磨耗功降低了17.0%。

圖15 曲線超高影響

（2）軌距加寬

軌距加寬變化對輪緣磨耗功影響如圖16所示。軌距加寬可以降低輪緣的磨耗功，但是從數值來說影響比較小。軌距由1435 mm增加至1445 mm，輪緣磨耗功降低幅度約為2%。

圖16 軌距加寬影響

（3）懸掛參數優化

降低一系懸掛的搖頭剛度可以提高車輛的曲線通過能力，降低輪緣磨耗功，但是不利于直線運行穩定性。動車組懸掛參數優化難度較大，針對既有動車組不易實施。

4 結論

通過對城際動車組與城際線路的調研測試、輪軌匹配分析了輪緣快速磨耗的機理：動車組通過該城際線正線小半徑曲線時車輪與外軌鋼軌兩點接觸產生輪緣磨耗，由于該城際小半徑曲線多總里程長，輪緣長時間接觸下輪緣快速磨耗；同時，動車所站場線、動走線小半徑曲線偏離設計廓形，也加劇了輪緣磨耗。

通過線路試驗與仿真手段定量分析了曲線半徑對輪緣磨耗的影響，建議城際線路的小曲線半徑應盡量大于600 m。

對可能影響輪緣磨耗的多種因素進行了試驗與仿真分析，為了降低輪緣磨耗，優先采取輪軌潤滑與輪軌型面修型措施；適當增加曲線外軌超高有利于降低輪緣磨耗，而曲線通過速度與軌距加寬的影響不明顯。此外，曲線外軌鋼軌打磨廓形建議為TB60廓形，而對于車輪標準踏面LMA、LM，選LM踏面外形輪緣磨耗相對小。