車輪磨耗對輪軌匹配的影響規律

劉闖，李國棟，宋春元，李曉峰

（中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心轉向架研發部，吉林 長春 130000）

車輪磨耗對輪軌匹配的影響規律

劉闖，李國棟，宋春元，李曉峰

（中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心轉向架研發部，吉林 長春 130000）

輪軌匹配是影響高速動車組動力學性能的重要因素，合理的車輪型面可以提高輪軌匹配特性，從而減小輪軌間作用力。選取一列狀態良好、運行固定交路的高速動車組進行長期跟蹤測試，對比分析不同里程下的車輪踏面狀態，對照相應里程時的車輛動力學性能，分析研究各磨耗階段輪軌匹配對車輛性能的影響。

動車組；車輪；輪軌匹配；等效錐度；磨耗；動力學

隨著我國高速鐵路的發展，車輛、線路與配套設備的長期運用產生了多種問題，車輪與鋼軌的磨耗問題尤為突出。輪軌間磨耗損傷主要是由于滾動接觸疲勞產生的。鋼軌波磨和軌頭斜裂紋等問題可通過定期鋼軌打磨修型消除。車輪異常磨耗等問題可通過定期鏇修進行控制。但鋼軌打磨與車輪鏇修都加大了車輛運營成本。為了解決輪軌間磨耗問題，改善車輛運行品質，國內外學者開展了大量研究，包括軌道振動特性、車輛懸掛參數、車輪與鋼軌廓形、車輪與鋼軌材質及熱處理工藝等方面[1-2]。

影響車輛運行品質的因素多種多樣，為了專項研究車輪磨耗狀態對車輛運行狀態的影響，選取一列狀態良好、運行固定交路的CRH3型動車組進行長期跟蹤測試，車輪初始踏面廓形為S1002CN踏面。對比分析不同里程下的車輪踏面狀態，對照相應里程時的車輛動力學性能，分析研究各磨耗階段輪軌匹配對車輛性能的影響。

1 不同磨耗里程下車輪踏面變化規律

1.1 等效錐度

等效錐度是輪軌關系中影響高速動車組車輛動力學性能的重要參數，等效錐度過大，高速動車組的蛇行運動穩定性很難得到保證；等效錐度過小，則會降低車輛對中性[3]。

以實測踏面與60D鋼軌匹配，依據UIC 519標準，計算不同磨耗里程下車輪踏面的等效錐度（見圖1）。在一個鏇輪周期內，等效錐度隨著運營里程逐漸增長，增長速率約為0.01/萬km。

圖1 踏面等效錐度隨運營里程的變化規律

1.2 接觸帶寬

車輪接觸帶寬在鏇輪初期約為17.5 mm，鏇修周期末達到33.0 mm，運行過程中隨運營里程逐漸增長，平均增長速率約為1 mm/萬km。一般接觸帶寬越寬，車輪磨耗面積越大，徑向磨耗量就會相應越小。接觸帶寬隨運營里程的變化規律見圖2。

圖2 接觸帶寬隨運營里程的變化規律

1.3 踏面磨耗量

隨著運營里程增加、等效錐度增大，踏面磨耗速率逐漸增快。踏面平均磨耗速率約為0.2 mm/10萬km。不同車型、輪徑及橡膠元件的老化，甚至包括氣候環境，都會對車輪磨耗量造成影響[4]。大量實測表明，在一個鏇修周期內，車輪磨耗量幾乎不超過1 mm。踏面磨耗量隨運營里程的變化規律見圖3。

圖3 踏面磨耗量隨運營里程的變化規律

2 車輛動力學性能變化規律

高速動車組的運行狀態受到眾多因素影響，包括輪軌相互作用、空氣動力作用、車輛自身結構與懸掛參數等[5]。為了驗證不同里程磨耗后的車輪踏面對車輛動力學性能的影響，對車輛動態響應進行一個鏇修周期的持續跟蹤。

2.1 運營里程與穩定性的關系

車輛非線性臨界速度的大小受等效錐度的影響，隨著等效錐度的增大，非線性臨界速度會呈現先增大后減小的趨勢，不同車輛狀態情況下，臨界速度變化的拐點不同。這與Polach提出的非線性臨界速度分布特點類似，車輛存在2個低臨界速度區域[6]。

以5次車輪踏面測量得到的實際踏面形狀為基礎，選取每次測量中接近平均等效錐度的踏面作為典型踏面，通過多體動力學軟件進行仿真分析，得出車輛非線性臨界速度變化趨勢（見圖4）。

圖4 車輛非線性臨界速度變化趨勢

2.2 運營里程與平穩性的關系

針對高速動車組一個完整周期內的平穩性變化規律，在全列鏇修后，定期測試分析其平穩性。以全程時域平穩性信號進行計算，考慮99.85%置信度統計最大值。動車組均以300 km/h速度運用于京滬高鐵，執行交路為北京南—上海虹橋往返。完整鏇修周期內，平穩性變化規律具有以下特點：在整個鏇修周期內，橫向平穩性普遍為1.6～2.2，垂向平穩性普遍為1.6～2.0，在整個周期內平穩性沒有顯著變化。鏇后0.2萬km時，其橫向和垂向平穩性指標處于整個周期內的最大值，之后逐漸減小，鏇后5.0萬km后平穩性指標保持穩定。全鏇修周期內，垂向平穩性指標變化幅度小于橫向平穩性指標。頭車完整鏇修周期內平穩性指標變化規律見圖5。

圖5 頭車完整鏇修周期內平穩性指標變化規律

對比分析1車（動車）與2車（拖車）在測試踏面廓形相近時間點的平穩性指標變化規律（見圖6—圖9）?？梢钥闯?，2車（拖車）橫向平穩性指標小于1車（動車），在整個鏇修周期內，其平穩性指標保持穩定，且均為優秀；2車（拖車）垂向平穩性指標在整個鏇修周期內保持穩定，略小于1車（動車）同期垂向平穩性指標。

2.3 運營里程與構架加速度的關系

構架橫向加速度采用10 Hz濾波，以連續6次峰值達到某一值作為判定依據統計構架橫向加速度（見圖10）。統計結果顯示，構架橫向加速度在完整鏇修周期內隨里程增加而有增大趨勢。在鏇修周期末，車輪等效錐度較大時，構架橫向加速度達到最大。

3 結束語

根據實測的完整鏇修周期內車輛各階段踏面磨耗情況與車輛動力學性能，研究車輛踏面磨耗對車輛動力學性能的影響規律。研究表明，隨著車輛運行里程的增加，車輪踏面磨耗增大，輪軌匹配等效錐度與輪軌接觸帶寬逐漸增大；車輛非線性臨界速度呈現先增大后減小的趨勢；車體橫向與垂向平穩性指標在全頻段范圍內與在車輪踏面磨耗各階段比較變化不明顯；構架橫向加速度隨著車輪磨耗的增加逐漸增大。

本次跟蹤測試以采用S1002CN踏面的CRH3型動車組為參考對象，跟蹤其在一個鏇修周期內的特征。研究過程中車輛受外界影響因素較復雜，一個鏇修周期內的數據不足以充分確定車輪踏面磨耗對輪軌匹配的影響規律，希望在以后工作中能大量積累試驗數據，詳細統計分析踏面各磨耗位置磨耗量對輪軌匹配的影響，從而對踏面輪廓的改進提供借鑒。

圖6 1車（動車）完整鏇修周期內橫向平穩性指標變化規律

圖7 1車（動車）完整鏇修周期內垂向平穩性指標變化規律

圖8 2車（拖車）完整鏇修周期內橫向平穩性指標變化規律

圖9 2車（拖車）完整鏇修周期內垂向平穩性指標變化規律

圖10 構架橫向加速度隨運行里程變化規律

[1]王一平，羅仁，胡俊波．不同配準策略下的輪軌磨 耗量研究[J]．中國鐵路，2017(9)：83-90．

[2]徐凱，李芾，李東宇，等．動車組車輪踏面磨耗對動 力學性能的影響[J]．中國鐵路，2016(9)：40-44．

[3]王福天．車輛系統動力學[M]．成都：西南交通大學 出版社，2007．

[4]任尊松．輪軌多點接觸及車輛-道岔系統動態相互 作用[M]．北京：科學出版社，2014．

[5]池茂儒，張衛華，曾京，等．輪徑差對車輛系統穩定 性的影響[J]．中國鐵道科學，2008，26(6)：65-69．

[6]李艷．高速列車動力學參數影響度的研究與應用[D]. 成都：西南交通大學，2008．

Impact of Wheel Wear on Wheel/rail Relationship

LIU Chuang，LI Guodong，SONG Chunyuan，LI Xiaofeng
（Bogie R&D Department of National Passenger Vehicle Research Center，CRRC Changchun Railway Vehicles Co Ltd，Changchun Jilin 130000，China）

Wheel/rail interaction is an important issue influencing the dynamic performance of high speed EMU. Ideal wheel pro fi le could improve the wheel/rail interaction and reduce the contact force between wheel and rail. A high speed EMU of good conditions and fi xed operation routing is selected for long term monitoring,with wheel tread status after di ff erent running mileages analyzed and compared so that the dynamic performance of the vehicles can also be compared. Impact of wheel/rail interaction in different wear conditions on the dynamic performance of vehicles are analyzed accordingly.

EMU；wheel；wheel/rail interaction；equivalent taper；wear；dynamics

U270.1

A

1001-683X（2017）12-0023-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.023

中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目（Z2015J-006）

劉闖（1990—），男，工程師。 E-mail：lch20121007@163.com

責任編輯 高紅義

2017-08-15