CR200J 型動車組車輪踏面磨耗及其對動力學性能影響的分析研究

史新偉

（中國鐵路西安局集團有限公司，陜西西安 710054）

1 引言

為充分發揮既有線鐵路的運輸效能，提高線路的運行服務品質，我國在既有25T 型客車技術基礎上研制了CR200J 型動車組，該車型具有運用范圍廣、運行速度高、建造成本低、運輸組織效率高等優勢[1]。作為新一代既有線的主力車型，良好的動力學性能對保障運行安全性、舒適性及檢修維護等方面具有重要意義[2-4]。但不論何種車型，由于車輛在實際運用過程中，車輪踏面磨耗處于持續發展狀態，極易導致輪軌接觸關系逐漸惡化，并成為影響車輛動力學性能的關鍵因素之一。車輪磨損問題一直廣受研究者們的關注[5-6]。隨著車輪磨耗的發展，輪軌接觸關系會產生明顯的變化，對車輛動力學性能產生影響，楊震寰等[7]基于實測鋼軌和車輪踏面廓形開展輪軌接觸關系分析，發現輪對橫移量在0～3 mm 范圍內的等效錐度水平較高是造成車輛異常振動的原因，由此提出精確控制鋼軌廓形等控制措施，以提高動車組的線路適應性。茍立波[8]等開展CRH3 型動車組車輪踏面跟蹤測試，研究了車輪踏面磨耗的發展規律，分析了車輪磨耗對車輛運行性能的影響，并在實測數據和仿真結果的基礎上提出了車輪鏇修的建議周期。為保證動車組安全、舒適的運行，本文根據某線路CR200J 型動車組車輪磨耗踏面的跟蹤測試數據，基于多體動力學分析軟件（SIMPACK）建立車輛動力學模型，通過仿真手段研究隨鏇后里程發展下的車輪磨耗對車輛動力學性能的影響，為車輪鏇修里程的優化提供數據支撐。

2 車輪踏面測量及分析

CR200J 型動車組采用LM 踏面，普遍應用于我國準軌客車。為研究CR200J 型動車組車輪踏面磨耗發展規律，在某線路選取一列CR200J 型動車組為研究對象，當其鏇后里程達到15 萬km 以后，對其開展車輪踏面廓形測試，實測得到鏇后里程為15.5 萬km、19.3萬km、25.2 萬km、30.1 萬km 時的全列車輪磨耗踏面。測試結果表明，在一個鏇修周期內，整列車輪具有相同的磨耗發展規律，因此選取典型車輪作為代表，其廓形發展演變如圖1 所示。由圖可見，車輪踏面在名義滾動圓±30 mm 范圍內發生磨耗，未形成明顯的凹槽磨耗，總體磨耗范圍較寬，鏇后里程達到30.1 萬km 時，名義滾動圓處踏面最大磨耗量達到1.70 mm；同時，輪緣位置也產生了一定程度的磨耗，但該情況主要發生在鏇修初期，后期輪緣磨耗速率逐漸放緩，輪緣厚度趨于穩定。

圖1 車輪磨耗發展規律

車輪踏面磨耗直接影響輪軌接觸關系，將車輪磨耗踏面與標準TB 60 鋼軌匹配，軌底坡為1/40，軌距為1 435 mm，接觸點計算時采用準彈性接觸參數修正[9]，計算得到輪軌接觸關系如圖2 所示。結果顯示，鏇后里程為15.5 萬km 時，輪軌接觸點隨輪軸橫移量的變化分布均勻且連續，輪軌接觸關系良好。隨著鏇后里程的增長，輪軌接觸關系逐漸惡化，當鏇后里程達到30.1 萬km時，輪對橫移量在±3 mm 內的接觸點分布十分稀疏，甚至出現跳變，這將影響車輛構架的橫向穩定性，下文將對其進行具體分析。

為進一步分析車輪等效錐度及接觸帶寬演變規律，采用UIC 519 方法進行等效錐度計算，結果如圖3 所示。鏇后里程為15.5 萬km 時，車輪等效錐度為0.442，接觸帶寬為25.1 mm；鏇后里程為30.1 萬km 時，等效錐度發展到0.704，接觸帶寬為42.8 mm。分析可得，車輪踏面等效錐度呈線性增長，增長速率為0.201/10 萬km，接觸帶寬增長則有放緩的趨勢。

圖3 3 mm 等效錐度及接觸帶寬演變規律

3 動力學模型建立

為分析車輪踏面磨耗對車輛動力學性能的影響，基于上述4 組車輪磨耗踏面，通過SIMPACK 建立CR200J 型動車組普通硬座車的動力學模型。該模型包括1 個車體、2 個構架、4 條輪對和8 個軸箱，車體、構架、輪對具有橫向、垂向、縱向、點頭、搖頭和側滾6個方向的自由度，其中輪對的垂向和側滾為非獨立自由度，而軸箱只有點頭方向自由度，車輛系統共有46 個獨立自由度，主要參數如表1 所示。為盡可能真實反映車輛的運行環境，采用實測京山線軌道不平順激勵，測量步長為0.25 m，數據基于線性擬合，如圖4所示。縱觀全程，左右高低不平順沿縱向距離具有相近的變化趨勢，主要在±14 mm 之間分布；左右軌向不平順沿縱向距離同樣具有相近的變化趨勢，主要在±5 mm 之間分布[10-13]，峰值可達10 mm。仿真分析采用典型的運行工況，線路設置如表2 所示。

圖4 實測京山線軌道不平順激勵

4 車輪磨耗對車輛動力學性能的影響

4.1 構架橫向穩定性

計算車輛在不同運行速度時軌道激勵作用下構架橫向加速度最大值（采用0.5～10 Hz 帶通濾波），結果顯示（圖5），構架橫向加速度最大值隨速度的增加整體呈上升趨勢，等效錐度越高其值越大；等效錐度為0.704時，構架橫向加速度最大值有明顯增長，160 km/h 速度級下最大值為7.16 m/s2。顯然，隨著車輪磨耗的發展，等效錐度逐漸增大將不利于構架橫向穩定性。若進一步發展，過高的等效錐度將導致構架面臨失穩的風險。

圖5 構架橫向加速度最大值仿真結果

4.2 運行平穩性

車輛運行平穩性指標是衡量旅客乘坐舒適性的關鍵指標，反映人體對車輛振動的感受。分析直線工況下不同等效錐度時車輛運行平穩性指標隨速度的變化趨勢，如圖6 所示。結果顯示，等效錐度的增長對橫向平穩性有一定改善，對垂向平穩性幾乎沒有影響。

圖6 運行平穩性仿真結果

4.3 曲線通過性

依據表2 在SIMPACK 中建立曲線線路，按等效錐度分類設置仿真工況，如表3 所示。圖7 給出了車輛通過R300 m、R600 m、R800 m、R1 600 m 半徑曲線時的動力學性能指標。從脫軌系數來看，等效錐度增長有利于車輛通過小半徑曲線，一定程度上提高安全裕度，但對于大半徑曲線，反而會導致脫軌系數指標的惡化；輪重減載率幾乎不受等效錐度增長的影響；從輪軌力方面看，隨著等效錐度的增長，輪軌相互作用力逐漸加劇，車輛通過曲線時的輪軸橫向力、輪軌垂向力逐漸增大，該情況將導致輪軌磨耗速率加快，同時將加劇軌道不平順問題，給線路維護帶來困難[14-15]。

表3 曲線仿真工況

圖7 運行安全性仿真結果

5 結論

本文對CR200J 型動車組車輪踏面進行跟蹤測試，分析車輪踏面磨耗特征隨鏇后里程的發展規律，并通過動力學軟件SIMPACK 建立基于不同鏇后里程車輪磨耗踏面下的車輛動力學模型，分析車輪磨耗的發展對車輛動力學性能的影響，得出以下結論。

（1）隨著鏇后里程的增長，車輪在輪緣及名義滾動圓附近均產生磨耗，但未形成明顯凹槽磨耗，總體磨耗較為均勻。車輪等效錐度總體呈線性增長，約為0.201/10 萬km。隨著鏇后里程的增長，輪軌接觸關系逐漸劣化。

（2）等效錐度逐漸增大將不利于構架橫向穩定性，等效錐度為0.704 時，構架橫向加速度最大值有明顯增長，若進一步發展，將導致構架面臨失穩的風險。同時，等效錐度的增長對改善車輛橫向運行平穩性有輕微作用，但對垂向平穩性影響較弱。此外，車輪磨耗的發展對降低車輛通過小半徑曲線的脫軌系數有利，但對大半徑曲線不利，并且會加劇輪軌相互作用力。

（3）通過對車輪踏面磨耗規律的總結及其對動力學性能的影響分析，車輪踏面按照30 萬km 運行里程進行鏇修管控是合理可行的。建議加強車輛運用期間車輪廓形的監測，對于磨耗發展過快、等效錐度過高的車輪加強鏇修管理。

（4）保持輪軌良好的接觸關系，是車輛安全舒適運行的重要保障。車輪等效錐度處于合理范圍內時，局部線路區段出現車輛異常振動情況時，需與實測鋼軌廓形進行匹配分析，找到車輛異常振動的原因。