車(chē)輪磨耗對(duì)輪軌匹配的影響規(guī)律

劉闖，李國(guó)棟，宋春元，李曉峰

（中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 國(guó)家軌道客車(chē)工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，吉林 長(zhǎng)春 130000）

車(chē)輪磨耗對(duì)輪軌匹配的影響規(guī)律

劉闖，李國(guó)棟，宋春元，李曉峰

（中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 國(guó)家軌道客車(chē)工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，吉林 長(zhǎng)春 130000）

輪軌匹配是影響高速動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)性能的重要因素，合理的車(chē)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(tài)良好、運(yùn)行固定交路的高速動(dòng)車(chē)組進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試，對(duì)比分析不同里程下的車(chē)輪踏面狀態(tài)，對(duì)照相應(yīng)里程時(shí)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能，分析研究各磨耗階段輪軌匹配對(duì)車(chē)輛性能的影響。

動(dòng)車(chē)組；車(chē)輪；輪軌匹配；等效錐度；磨耗；動(dòng)力學(xué)

隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，車(chē)輛、線路與配套設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)用產(chǎn)生了多種問(wèn)題，車(chē)輪與鋼軌的磨耗問(wèn)題尤為突出。輪軌間磨耗損傷主要是由于滾動(dòng)接觸疲勞產(chǎn)生的。鋼軌波磨和軌頭斜裂紋等問(wèn)題可通過(guò)定期鋼軌打磨修型消除。車(chē)輪異常磨耗等問(wèn)題可通過(guò)定期鏇修進(jìn)行控制。但鋼軌打磨與車(chē)輪鏇修都加大了車(chē)輛運(yùn)營(yíng)成本。為了解決輪軌間磨耗問(wèn)題，改善車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究，包括軌道振動(dòng)特性、車(chē)輛懸掛參數(shù)、車(chē)輪與鋼軌廓形、車(chē)輪與鋼軌材質(zhì)及熱處理工藝等方面[1-2]。

影響車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)的因素多種多樣，為了專(zhuān)項(xiàng)研究車(chē)輪磨耗狀態(tài)對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)的影響，選取一列狀態(tài)良好、運(yùn)行固定交路的CRH3型動(dòng)車(chē)組進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試，車(chē)輪初始踏面廓形為S1002CN踏面。對(duì)比分析不同里程下的車(chē)輪踏面狀態(tài)，對(duì)照相應(yīng)里程時(shí)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能，分析研究各磨耗階段輪軌匹配對(duì)車(chē)輛性能的影響。

1 不同磨耗里程下車(chē)輪踏面變化規(guī)律

1.1 等效錐度

等效錐度是輪軌關(guān)系中影響高速動(dòng)車(chē)組車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的重要參數(shù)，等效錐度過(guò)大，高速動(dòng)車(chē)組的蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性很難得到保證；等效錐度過(guò)小，則會(huì)降低車(chē)輛對(duì)中性[3]。

以實(shí)測(cè)踏面與60D鋼軌匹配，依據(jù)UIC 519標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算不同磨耗里程下車(chē)輪踏面的等效錐度（見(jiàn)圖1）。在一個(gè)鏇輪周期內(nèi)，等效錐度隨著運(yùn)營(yíng)里程逐漸增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率約為0.01/萬(wàn)km。

圖1 踏面等效錐度隨運(yùn)營(yíng)里程的變化規(guī)律

1.2 接觸帶寬

車(chē)輪接觸帶寬在鏇輪初期約為17.5 mm，鏇修周期末達(dá)到33.0 mm，運(yùn)行過(guò)程中隨運(yùn)營(yíng)里程逐漸增長(zhǎng)，平均增長(zhǎng)速率約為1 mm/萬(wàn)km。一般接觸帶寬越寬，車(chē)輪磨耗面積越大，徑向磨耗量就會(huì)相應(yīng)越小。接觸帶寬隨運(yùn)營(yíng)里程的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。

圖2 接觸帶寬隨運(yùn)營(yíng)里程的變化規(guī)律

1.3 踏面磨耗量

隨著運(yùn)營(yíng)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(wàn)km。不同車(chē)型、輪徑及橡膠元件的老化，甚至包括氣候環(huán)境，都會(huì)對(duì)車(chē)輪磨耗量造成影響[4]。大量實(shí)測(cè)表明，在一個(gè)鏇修周期內(nèi)，車(chē)輪磨耗量幾乎不超過(guò)1 mm。踏面磨耗量隨運(yùn)營(yíng)里程的變化規(guī)律見(jiàn)圖3。

圖3 踏面磨耗量隨運(yùn)營(yíng)里程的變化規(guī)律

2 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能變化規(guī)律

高速動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行狀態(tài)受到眾多因素影響，包括輪軌相互作用、空氣動(dòng)力作用、車(chē)輛自身結(jié)構(gòu)與懸掛參數(shù)等[5]。為了驗(yàn)證不同里程磨耗后的車(chē)輪踏面對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行一個(gè)鏇修周期的持續(xù)跟蹤。

2.1 運(yùn)營(yíng)里程與穩(wěn)定性的關(guān)系

車(chē)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(huì)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，不同車(chē)輛狀態(tài)情況下，臨界速度變化的拐點(diǎn)不同。這與Polach提出的非線性臨界速度分布特點(diǎn)類(lèi)似，車(chē)輛存在2個(gè)低臨界速度區(qū)域[6]。

以5次車(chē)輪踏面測(cè)量得到的實(shí)際踏面形狀為基礎(chǔ)，選取每次測(cè)量中接近平均等效錐度的踏面作為典型踏面，通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行仿真分析，得出車(chē)輛非線性臨界速度變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖4）。

圖4 車(chē)輛非線性臨界速度變化趨勢(shì)

2.2 運(yùn)營(yíng)里程與平穩(wěn)性的關(guān)系

針對(duì)高速動(dòng)車(chē)組一個(gè)完整周期內(nèi)的平穩(wěn)性變化規(guī)律，在全列鏇修后，定期測(cè)試分析其平穩(wěn)性。以全程時(shí)域平穩(wěn)性信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，考慮99.85%置信度統(tǒng)計(jì)最大值。動(dòng)車(chē)組均以300 km/h速度運(yùn)用于京滬高鐵，執(zhí)行交路為北京南—上海虹橋往返。完整鏇修周期內(nèi)，平穩(wěn)性變化規(guī)律具有以下特點(diǎn)：在整個(gè)鏇修周期內(nèi)，橫向平穩(wěn)性普遍為1.6～2.2，垂向平穩(wěn)性普遍為1.6～2.0，在整個(gè)周期內(nèi)平穩(wěn)性沒(méi)有顯著變化。鏇后0.2萬(wàn)km時(shí)，其橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)處于整個(gè)周期內(nèi)的最大值，之后逐漸減小，鏇后5.0萬(wàn)km后平穩(wěn)性指標(biāo)保持穩(wěn)定。全鏇修周期內(nèi)，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)變化幅度小于橫向平穩(wěn)性指標(biāo)。頭車(chē)完整鏇修周期內(nèi)平穩(wěn)性指標(biāo)變化規(guī)律見(jiàn)圖5。

圖5 頭車(chē)完整鏇修周期內(nèi)平穩(wěn)性指標(biāo)變化規(guī)律

對(duì)比分析1車(chē)（動(dòng)車(chē)）與2車(chē)（拖車(chē)）在測(cè)試踏面廓形相近時(shí)間點(diǎn)的平穩(wěn)性指標(biāo)變化規(guī)律（見(jiàn)圖6—圖9）?？梢钥闯?，2車(chē)（拖車(chē)）橫向平穩(wěn)性指標(biāo)小于1車(chē)（動(dòng)車(chē)），在整個(gè)鏇修周期內(nèi)，其平穩(wěn)性指標(biāo)保持穩(wěn)定，且均為優(yōu)秀；2車(chē)（拖車(chē)）垂向平穩(wěn)性指標(biāo)在整個(gè)鏇修周期內(nèi)保持穩(wěn)定，略小于1車(chē)（動(dòng)車(chē)）同期垂向平穩(wěn)性指標(biāo)。

2.3 運(yùn)營(yíng)里程與構(gòu)架加速度的關(guān)系

構(gòu)架橫向加速度采用10 Hz濾波，以連續(xù)6次峰值達(dá)到某一值作為判定依據(jù)統(tǒng)計(jì)構(gòu)架橫向加速度（見(jiàn)圖10）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，構(gòu)架橫向加速度在完整鏇修周期內(nèi)隨里程增加而有增大趨勢(shì)。在鏇修周期末，車(chē)輪等效錐度較大時(shí)，構(gòu)架橫向加速度達(dá)到最大。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)實(shí)測(cè)的完整鏇修周期內(nèi)車(chē)輛各階段踏面磨耗情況與車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能，研究車(chē)輛踏面磨耗對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究表明，隨著車(chē)輛運(yùn)行里程的增加，車(chē)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(chē)輛非線性臨界速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；車(chē)體橫向與垂向平穩(wěn)性指標(biāo)在全頻段范圍內(nèi)與在車(chē)輪踏面磨耗各階段比較變化不明顯；構(gòu)架橫向加速度隨著車(chē)輪磨耗的增加逐漸增大。

本次跟蹤測(cè)試以采用S1002CN踏面的CRH3型動(dòng)車(chē)組為參考對(duì)象，跟蹤其在一個(gè)鏇修周期內(nèi)的特征。研究過(guò)程中車(chē)輛受外界影響因素較復(fù)雜，一個(gè)鏇修周期內(nèi)的數(shù)據(jù)不足以充分確定車(chē)輪踏面磨耗對(duì)輪軌匹配的影響規(guī)律，希望在以后工作中能大量積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)，詳細(xì)統(tǒng)計(jì)分析踏面各磨耗位置磨耗量對(duì)輪軌匹配的影響，從而對(duì)踏面輪廓的改進(jìn)提供借鑒。

圖6 1車(chē)（動(dòng)車(chē)）完整鏇修周期內(nèi)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)變化規(guī)律

圖7 1車(chē)（動(dòng)車(chē)）完整鏇修周期內(nèi)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)變化規(guī)律

圖8 2車(chē)（拖車(chē)）完整鏇修周期內(nèi)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)變化規(guī)律

圖9 2車(chē)（拖車(chē)）完整鏇修周期內(nèi)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)變化規(guī)律

圖10 構(gòu)架橫向加速度隨運(yùn)行里程變化規(guī)律

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

[2]徐凱，李芾，李東宇，等．動(dòng)車(chē)組車(chē)輪踏面磨耗對(duì)動(dòng) 力學(xué)性能的影響[J]．中國(guó)鐵路，2016(9)：40-44．

[3]王福天．車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M]．成都：西南交通大學(xué) 出版社，2007．

[4]任尊松．輪軌多點(diǎn)接觸及車(chē)輛-道岔系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互 作用[M]．北京：科學(xué)出版社，2014．

[5]池茂儒，張衛(wèi)華，曾京，等．輪徑差對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)穩(wěn)定 性的影響[J]．中國(guó)鐵道科學(xué)，2008，26(6)：65-69．

[6]李艷．高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)參數(shù)影響度的研究與應(yīng)用[D]. 成都：西南交通大學(xué)，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(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（Z2015J-006）

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

責(zé)任編輯 高紅義

2017-08-15