武廣客專(zhuān)動(dòng)車(chē)組車(chē)輪磨耗及振動(dòng)性能跟蹤研究＊

刁曉明，朱韶光，董孝卿

（1 北京交通大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京100044；2 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京100081；3 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

列車(chē)在使用過(guò)程中，輪軌接觸幾何關(guān)系直接決定著列車(chē)運(yùn)行安全性、乘坐舒適度，并對(duì)車(chē)輛軌道系統(tǒng)各個(gè)部件使用壽命都有很大影響。隨運(yùn)行里程增加，車(chē)輪踏面不斷磨損，車(chē)輪踏面外形不斷變化，導(dǎo)致輪軌接觸幾何關(guān)系發(fā)生變化，從而影響列車(chē)的振動(dòng)性能，嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)引起安全事故。通過(guò)制定合理的旋修方案，優(yōu)化輪軌踏面形狀，降低輪軌磨耗等方法可以?xún)?yōu)化軌軌匹配關(guān)系，達(dá)到降低磨耗，提高振動(dòng)性能的目的。這些工作的前提是要得到列車(chē)運(yùn)行過(guò)程的輪軌磨耗規(guī)律及相應(yīng)的振動(dòng)變化規(guī)律。

武廣客運(yùn)專(zhuān)線（簡(jiǎn)稱(chēng)：武廣客專(zhuān)）于2009年開(kāi)通，為掌握武廣客專(zhuān)動(dòng)車(chē)組振動(dòng)性能和車(chē)輪磨耗演變規(guī)律，選擇了不同車(chē)輪踏面的兩列動(dòng)車(chē)組作為試驗(yàn)列車(chē)，對(duì)其車(chē)輪磨耗和車(chē)輛振動(dòng)性能進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試研究，研究?jī)?nèi)容見(jiàn)表1。采用丹麥GREENWOOD公司生產(chǎn)的MiniProf測(cè)量車(chē)輪踏面外形，列車(chē)每運(yùn)行5萬(wàn)km左右進(jìn)行一次測(cè)量（見(jiàn)圖1）。制作了便攜式的跟蹤測(cè)試硬件（見(jiàn)圖2）測(cè)試動(dòng)車(chē)組的車(chē)體、構(gòu)架、軸箱橫向和垂向加速度，并采用中國(guó)鐵道科學(xué)研究院DASO測(cè)試軟件進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)處理和分析。

表1 測(cè)試內(nèi)容

圖1 車(chē)輪踏面測(cè)量方式

1 動(dòng)車(chē)組車(chē)輪磨耗規(guī)律

1.1 磨耗量和磨耗率變化規(guī)律

采用磨耗量和10萬(wàn)km平均磨耗量來(lái)評(píng)估車(chē)輪踏面磨耗。

圖2 車(chē)輛振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

磨耗量用于評(píng)價(jià)車(chē)輪踏面在1個(gè)測(cè)量周期內(nèi)車(chē)輪踏面磨耗程度，10萬(wàn)km平均磨耗量用于評(píng)價(jià)車(chē)輪在一個(gè)旋修周期內(nèi)不同時(shí)期的磨耗速度。

2011－07武廣客專(zhuān)動(dòng)車(chē)組主要運(yùn)營(yíng)速度由330～340km／h調(diào)整到290～310km／h。對(duì)調(diào)速前后的動(dòng)車(chē)組1LMA車(chē)輪踏面外形均進(jìn)行了測(cè)量，僅對(duì)調(diào)速前的動(dòng)車(chē)組2的S1002G（CN）車(chē)輪踏面外形進(jìn)行了測(cè)量。圖3給出調(diào)速前后的LMA車(chē)輪踏面測(cè)量結(jié)果和S1002G（CN）車(chē)輪踏面外形的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果顯示，兩種車(chē)輪踏面外形的磨耗量均隨運(yùn)行里程的增加而增大；LMA踏面外形磨耗量在調(diào)速前（主要速度330～340 km／h）隨運(yùn)行里程的增加而增大，且呈逐漸增大趨勢(shì)，調(diào)速后（主要速度290～310km／h）磨耗量隨運(yùn)行里程的增加而增大的趨勢(shì)出現(xiàn)放緩跡象。S1002G（CN）車(chē)輪踏面外形磨耗量變化規(guī)律與調(diào)速前LMA車(chē)輪踏面外形相似。圖4為兩種車(chē)輪踏面外形10萬(wàn)km平均磨耗量對(duì)比，結(jié)果顯示，調(diào)速后的S1002CN和調(diào)速前的LMA車(chē)輪踏面外形的10萬(wàn)km平均磨耗量隨運(yùn)行里程均呈現(xiàn)高、低、高的磨耗規(guī)律，而調(diào)速后的LMA踏面外形10萬(wàn)km平均磨耗量呈現(xiàn)逐漸下降的跡象。

圖3 車(chē)輪踏面磨耗量變化規(guī)律

圖4 10萬(wàn)公里平均磨耗量變化規(guī)律

1.2 車(chē)輪磨耗區(qū)域

車(chē)輪磨耗區(qū)域即輪軌相互接觸的區(qū)域，對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能有較大影響。列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)輪磨耗的區(qū)域取決于輪軌真實(shí)的接觸點(diǎn)位置，與具體線路、車(chē)輛參數(shù)和輪軌接觸外形等直接相關(guān)。圖5和圖6顯示，輪軌接觸過(guò)程中，在車(chē)輪滾動(dòng)圓附近踏面出現(xiàn)下凹形磨耗，LMA車(chē)輪踏面外形的主要磨耗區(qū)域處于距輪緣內(nèi)側(cè)60～90mm范圍內(nèi)，最大磨耗位置基本穩(wěn)定在75mm附近，S1002G車(chē)輪踏面外形的主要磨耗區(qū)域處于距輪緣內(nèi)側(cè)60～90mm范圍內(nèi)，最大磨耗位置變化較大：剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，最大磨耗位置位于70mm附近，隨運(yùn)行里程增加逐漸過(guò)渡到75mm附近。

圖5 LMA踏面主要磨耗位置

圖6 S1002G踏面主要磨耗位置

2 車(chē)輪踏面磨耗對(duì)振動(dòng)性能的影響

2.1 振動(dòng)性能隨車(chē)輪踏面磨耗的變化

車(chē)輪踏面磨耗會(huì)直接引起輪軌接觸幾何關(guān)系的變化，從而引起車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)影響行車(chē)安全性。對(duì)不同磨耗狀態(tài)下的列車(chē)振動(dòng)性能進(jìn)行了對(duì)比。圖7～圖9為武廣客專(zhuān)跟蹤動(dòng)車(chē)組1和動(dòng)車(chē)組2的橫向車(chē)體橫向、垂向平穩(wěn)性和構(gòu)架橫向加速度隨運(yùn)行里程（等效錐度）的變化，對(duì)比數(shù)據(jù)為250km／h～340 km／h內(nèi)所有數(shù)據(jù)。圖10為該動(dòng)車(chē)組2構(gòu)架橫向加速度最大值附近的時(shí)域波形。數(shù)據(jù)顯示，動(dòng)車(chē)組1和動(dòng)車(chē)組2車(chē)體橫向平穩(wěn)性和構(gòu)架橫向加速度隨車(chē)輪踏面磨耗增加而逐漸增大；動(dòng)車(chē)組2車(chē)體垂向平穩(wěn)性無(wú)明顯變化；相比動(dòng)車(chē)組1而言，動(dòng)車(chē)組2的振動(dòng)性能隨運(yùn)行里程（車(chē)輪踏面磨耗）增加而增大的速度較快，運(yùn)行里程為18萬(wàn)km時(shí)（等效錐度0.44），動(dòng)車(chē)組2的3個(gè)車(chē)體橫向平穩(wěn)性數(shù)據(jù)點(diǎn)大于2.5，6個(gè)構(gòu)架橫向加速度大于8.0m／s2，但未出現(xiàn)連續(xù)6次超過(guò)8m／s2的現(xiàn)象。運(yùn)行里程為21.1萬(wàn)km時(shí)（等效錐度0.47），動(dòng)車(chē)組2的18個(gè)車(chē)體橫向平穩(wěn)性數(shù)據(jù)點(diǎn)大于2.5，19個(gè)構(gòu)架橫向加速度大于8.0m／s2（最大值已達(dá)到10m／s2），且出現(xiàn)了連續(xù)6次超過(guò)8m／s2的現(xiàn)象（見(jiàn)圖10）。以上數(shù)據(jù)和現(xiàn)象表明，車(chē)輪踏面磨耗對(duì)動(dòng)車(chē)組1的橫向和垂向振動(dòng)均影響較大；車(chē)輪踏面磨耗對(duì)動(dòng)車(chē)組2的橫向振動(dòng)影響較大，但對(duì)垂向振動(dòng)，尤其是車(chē)體垂向平穩(wěn)性影響較小。

2.2 等效錐度對(duì)構(gòu)架振動(dòng)性能影響研究

圖7 橫向平穩(wěn)性隨車(chē)輪磨耗的變化

圖8 垂向平穩(wěn)性隨車(chē)輪磨耗的變化

圖9 構(gòu)架橫向加速度隨車(chē)輪磨耗的變化

圖10 動(dòng)車(chē)組2運(yùn)行21.1萬(wàn)km構(gòu)架橫向最大值處波形

輪軌等效錐度是計(jì)算、評(píng)估輪對(duì)蛇行失穩(wěn)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)也可以評(píng)估車(chē)輪踏面磨耗對(duì)輪軌接觸幾何關(guān)系的影響。所以本文采用等效錐度作為車(chē)輪踏面磨耗和車(chē)輪踏面磨耗引起列車(chē)振動(dòng)的評(píng)估參數(shù)。轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性采用0.5～10Hz內(nèi)的構(gòu)架橫向加速度來(lái)表征。

表2為不同等效錐度下的構(gòu)架橫向加速度數(shù)據(jù)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，圖11為構(gòu)架橫向加速度大值點(diǎn)占總數(shù)據(jù)點(diǎn)的百分比隨等效錐度的變化趨勢(shì)。圖表顯示，等效錐度超出某一范圍時(shí)橫向穩(wěn)定性隨等效錐度的增加而增大，當(dāng)?shù)刃уF度大于0.4時(shí)，橫向穩(wěn)定性會(huì)出現(xiàn)大于8m／s2的失穩(wěn)跡象；構(gòu)架橫向加速度大值點(diǎn)占總數(shù)據(jù)點(diǎn)的百分比，隨等效錐度的增大而增加，并呈現(xiàn)指數(shù)的增長(zhǎng)跡象。

表2 構(gòu)架橫向加速度數(shù)據(jù)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

圖11 構(gòu)架橫向加速度大值點(diǎn)隨等效錐度的變化趨勢(shì)

等效錐度在一定程度上也決定或影響著轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)的頻率和幅值。根據(jù)Klingel公式，自由輪對(duì)和剛性轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)動(dòng)頻率與踏面等效錐度存在式（1）、式（2）的關(guān)系。實(shí)際上，剛性轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)行頻率ft是與它相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)動(dòng)頻率的最小值，而自由輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)頻率fw則為最大值?？梢钥闯鰺o(wú)論是剛性轉(zhuǎn)向架還是完全彈性輪對(duì)，等效錐度對(duì)蛇行頻率的影響至關(guān)重要。

式中fw為自由輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)頻率，Hz；ft為剛性轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)動(dòng)頻率，Hz；λ為踏面等效錐度；b為左右輪軌接觸點(diǎn)橫向距離的一半，m；r0為車(chē)輪滾動(dòng)圓半徑，m；v為車(chē)輪運(yùn)行速度，km／h；l1為轉(zhuǎn)向架固定軸距之半。

圖12為不同速度級(jí)構(gòu)架橫向加速度頻譜與等效錐度的關(guān)系對(duì)比。結(jié)果顯示，蛇行運(yùn)動(dòng)頻率的幅值隨速度的增加而增大，在同一速度級(jí)下隨等效錐度的增加而增大。在速度為330～340km／h，等效錐度為0.47時(shí)，蛇行運(yùn)動(dòng)頻率幅值達(dá)到0.48，其在功率譜中占主導(dǎo)作用。

3 速度對(duì)車(chē)輪磨耗及列車(chē)振動(dòng)性能的影響研究

2011－07－01武廣線降速運(yùn)營(yíng)，主要運(yùn)營(yíng)速度從320～340km／h調(diào)整到290～310km／h，跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，速度調(diào)整前后，部分動(dòng)車(chē)組的車(chē)輪踏面磨耗和振動(dòng)性能出現(xiàn)明顯的差別，為研究運(yùn)營(yíng)速度對(duì)車(chē)輪磨耗及列車(chē)振動(dòng)性能的影響，選取武廣客運(yùn)專(zhuān)線LMA車(chē)輪踏面外形動(dòng)車(chē)組1作為研究對(duì)象，對(duì)其調(diào)速前后各進(jìn)行1個(gè)旋修周期的測(cè)試，為便于分析，選取列車(chē)降速前運(yùn)行里程為4.1，10.1，16.9，19.6萬(wàn)km，列車(chē)降速后運(yùn)行里程為5.3，13.5，18.4，23萬(wàn)km的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

圖13為降速使用前后LMA車(chē)輪踏面磨耗量對(duì)比，結(jié)果顯示，列車(chē)降速運(yùn)行后，車(chē)輪踏面磨耗量明顯小于降速前的磨耗量。武廣客專(zhuān)動(dòng)車(chē)組1降速前運(yùn)行里程為19.6萬(wàn)km時(shí)車(chē)輪踏面總磨耗量為0.77mm，降速運(yùn)營(yíng)后運(yùn)行23萬(wàn)km時(shí)車(chē)輪踏面總磨耗量?jī)H0.46mm。

圖12 等效錐度與構(gòu)架失穩(wěn)頻率

圖13 LMA車(chē)輛在降速使用前后磨耗量對(duì)比

圖14為降速使用前后LMA車(chē)輪踏面10萬(wàn)km平均磨耗量對(duì)比。結(jié)果顯示，降速使用前后動(dòng)車(chē)組1的10萬(wàn)km平均車(chē)輪踏面磨耗量呈現(xiàn)不同特征：降速前10萬(wàn)km平均磨耗曲線呈現(xiàn)高、低、高的典型磨損現(xiàn)象，即車(chē)輪磨耗速度前期較快，中期較平穩(wěn)，后期加劇磨損。降速后10萬(wàn)km平均車(chē)輪踏面磨耗曲線呈現(xiàn)高、低的現(xiàn)象，其磨耗曲線為典型磨耗曲線的前半部分。

圖15為降速使用前后LMA車(chē)輪踏面等效錐度對(duì)比。結(jié)果顯示，列車(chē)運(yùn)營(yíng)速度下降后，車(chē)輪踏面等效錐度明顯減小。

圖14 LMA車(chē)輛降速使用前后磨耗量對(duì)比

圖15 LMA車(chē)輛300km／h等效錐度

綜上所述，武廣線降速運(yùn)營(yíng)后，車(chē)輪踏面磨耗量明顯減小，車(chē)輪磨耗率下降，相同運(yùn)行里程下，等效錐度減小。

圖16～圖20為車(chē)體橫向、垂向加速度，車(chē)體橫向、垂向平穩(wěn)性和構(gòu)架橫向加速度在降速使用前后對(duì)比。圖形顯示，降速后的車(chē)體橫向加速度、車(chē)體垂向加速度、構(gòu)架橫向加速度和車(chē)體垂向平穩(wěn)性均比降速前明顯減小。

圖16 降速使用前后車(chē)體橫向加速度散點(diǎn)對(duì)比

圖17 降速使用前后橫向平穩(wěn)性散點(diǎn)對(duì)比

圖18 降速使用前后車(chē)體垂向加速度散點(diǎn)對(duì)比

圖19 降速使用前后垂向平穩(wěn)性散點(diǎn)對(duì)比

圖20 降速使用前后構(gòu)架橫向加速度散點(diǎn)對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)武廣客專(zhuān)動(dòng)車(chē)組車(chē)輪踏面外形和車(chē)輛振動(dòng)的長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試，得到了動(dòng)車(chē)組車(chē)輪踏面磨耗和振動(dòng)性能隨運(yùn)行里程的變化規(guī)律，研究了車(chē)輪磨耗后等效錐度對(duì)構(gòu)架橫向穩(wěn)定性的影響，最后探討了速度因素對(duì)車(chē)輪踏面磨耗及振動(dòng)性能影響。

（1）降速使用前（主要速度330～340km／h）武廣客專(zhuān)S1002G（CN）和LMA車(chē)輪踏面外形的磨耗量隨運(yùn)行里程增加，逐步增大。運(yùn)行里程大于15萬(wàn)km后，車(chē)輪踏面磨耗速度更呈逐漸增大趨勢(shì)。

（2）武廣客專(zhuān)S1002G（CN）和LMA車(chē)輪踏面外形的磨耗區(qū)域基本相同，主要處于距輪緣內(nèi)側(cè)60～90mm范圍內(nèi)，但最大磨耗位置不同：LMA踏面的最大磨耗基本穩(wěn)定在75mm附近，S1002G（CN）車(chē)輪踏面的最大磨耗位置隨運(yùn)行里程變化較大，剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)位于70mm附近，隨運(yùn)行里程增加逐漸過(guò)渡到75mm附近。

（3）輪軌等效錐度不僅可以評(píng)估車(chē)輪踏面磨耗程度，還直接影響構(gòu)架橫向失穩(wěn)的頻率、幅值。

（4）其他條件不變，速度的調(diào)整對(duì)車(chē)輪踏面磨耗和振動(dòng)性能影響顯著。武廣線動(dòng)車(chē)組主要運(yùn)營(yíng)速度由330～340km／h調(diào)整到290～300km／h后，車(chē)輪踏面磨耗量和振動(dòng)性能出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)。

（5）建議對(duì)降速使用后武廣客運(yùn)專(zhuān)線動(dòng)車(chē)組車(chē)輪踏面磨耗情況和振動(dòng)情況進(jìn)行調(diào)研，研究下一步延長(zhǎng)旋修周期和實(shí)行經(jīng)濟(jì)性旋修的可行性。

［1］ 董孝卿，王悅明，倪純雙，等.京津城際鐵路動(dòng)車(chē)組車(chē)輪運(yùn)用情況深入研究，TY字第3041號(hào)［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，2010.

［2］ 董孝卿，王悅明，王林棟，等.京津城際鐵路CRH3C型動(dòng)車(chē)組車(chē)體晃動(dòng)專(zhuān)題研究報(bào)告，TY字第3056號(hào)［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，2011.

［3］ 康 熊，董孝卿，王悅明，等.車(chē)輪外形磨耗及動(dòng)車(chē)組振動(dòng)狀態(tài)跟蹤研究，TY字第3217號(hào)［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，2011.

［4］ 王福天.車(chē)輛動(dòng)力學(xué)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1981.