我國高速鐵路輪軌關(guān)系研究現(xiàn)狀及創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃

胡華鋒，楊國濤

（中國鐵路總公司 科技和信息化部，北京 100844）

我國高速鐵路輪軌關(guān)系研究現(xiàn)狀及創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃

胡華鋒，楊國濤

（中國鐵路總公司 科技和信息化部，北京 100844）

輪軌關(guān)系是鐵路行業(yè)永恒的主題，對于我國高速鐵路而言，通過對輪軌關(guān)系的深化研究進一步提高運輸經(jīng)濟性、乘客舒適性，降低運營安全風險和成本是中國鐵路總公司極為關(guān)注的創(chuàng)新發(fā)展重點領(lǐng)域。簡要回顧國內(nèi)外高速鐵路輪軌關(guān)系研究進程及應(yīng)用現(xiàn)狀，分析我國高速鐵路輪軌關(guān)系研究需求，闡述我國高速鐵路輪軌關(guān)系理論及技術(shù)創(chuàng)新總體發(fā)展規(guī)劃，以及我國高速鐵路輪軌關(guān)系最新研究進展，結(jié)合中國鐵路總公司“強基達標、提質(zhì)增效”的工作主題，提出高速鐵路輪軌關(guān)系下一步研究及應(yīng)用的重點領(lǐng)域建議。

高速鐵路；輪軌關(guān)系；研究規(guī)劃；提質(zhì)增效

0 引言

高速鐵路以其綠色、安全、便捷、舒適等特征已成為我國人民出行的首選方式。截至2016年底，我國高速鐵路運營里程已超過2.2萬km，占世界高速鐵路總里程60%以上，高速鐵路已成為我國創(chuàng)新發(fā)展的閃亮名片。隨著“一帶一路”倡議的全面實施，鐵路“走出去”戰(zhàn)略不斷取得新進展，高速鐵路還將成為影響我國國際影響、戰(zhàn)略布局的重要因素。

輪軌關(guān)系是鐵路的基本問題，也是高速鐵路的核心技術(shù)之一，不但直接影響動車組運行的安全性和旅客乘坐舒適性，同時對于運營成本也有重要的影響，輪軌關(guān)系研究既與應(yīng)用技術(shù)相關(guān)，也涉及基礎(chǔ)理論問題，是保障高速鐵路安全、高效運營和技術(shù)創(chuàng)新的重要支撐。

近年來，為貫徹全國科技創(chuàng)新大會精神與國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略要求，中國鐵路總公司黨組提出：鐵路科技要更加重視發(fā)揮行業(yè)技術(shù)和標準的引領(lǐng)作用，圍繞企業(yè)發(fā)展的重點難點把科技創(chuàng)新的重點放在應(yīng)用創(chuàng)新的突破上，為中國鐵路總公司“保安全、強管理、增效益”提供科技支撐。

簡要回顧國內(nèi)外高速鐵路輪軌關(guān)系研究進程及應(yīng)用現(xiàn)狀，分析國內(nèi)高速鐵路輪軌關(guān)系研究需求，闡述國內(nèi)高速鐵路輪軌關(guān)系理論及技術(shù)創(chuàng)新總體發(fā)展規(guī)劃，以及我國高速鐵路輪軌關(guān)系最新研究進展，結(jié)合中國鐵路總公司“強基達標、提質(zhì)增效”的工作主題，提出高速鐵路輪軌關(guān)系下一步研究及應(yīng)用的重點領(lǐng)域建議。

1 我國高速鐵路輪軌關(guān)系研究應(yīng)用現(xiàn)狀

我國高速鐵路發(fā)展過程中，20世紀90年代開始，開展過一系列輪軌關(guān)系的技術(shù)研究，高速動車組技術(shù)引進時，又基于國內(nèi)已有研究成果和國外成熟技術(shù)，結(jié)合我國鐵路的運用條件，組織開展了輪軌關(guān)系的適應(yīng)性試驗研究，保障了高速鐵路的安全運營。

與國外相比，我國高速鐵路情況更加復(fù)雜，輪軌關(guān)系出現(xiàn)的問題既有普遍現(xiàn)象，也存在明顯的自身特點。

1.1 運營特點

我國高速鐵路具有以下運營特點：高速鐵路線路里程長，無砟軌道所占比例大，線路曲線半徑大（一般大于7 000 m）；動車組系列化齊全，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式、懸掛參數(shù)、輪對等差異大；實行網(wǎng)絡(luò)化運營，地質(zhì)條件和氣候環(huán)境復(fù)雜，高速列車持續(xù)高速運行時間長，使用頻次高，并且不同速度等級、不同型號的動車組共線運行。

與普速鐵路和重載鐵路相比，高速鐵路對于輪軌狀態(tài)和缺陷限值，以及養(yǎng)護維修標準的要求更加嚴格。對于普速線路或重載鐵路來說，較小的缺陷或病害在高速鐵路中可能會影響行車的安全性和乘坐舒適性。因此，高速鐵路輪軌關(guān)系的養(yǎng)護維修標準要求更高、容錯性和安全性卡控更嚴、確保高速鐵路輪軌關(guān)系狀態(tài)優(yōu)良更為困難。

1.2 輪軌型面應(yīng)用現(xiàn)狀

國外高速鐵路一般都是1種鋼軌軌頭廓形匹配1種車輪踏面，如日本鋼軌廓形為JIS60廓形、車輪踏面為JPARC踏面，法國鋼軌廓形為60E1廓形、車輪踏面為GV1/40車輪踏面，較為容易達到理想的輪軌匹配狀態(tài)[1-2]。而我國早期是1種鋼軌軌頭廓形來匹配4種車輪踏面，隨著輪軌匹配問題的出現(xiàn)，鋼軌軌頭廓形優(yōu)化為2種，目前是2種鋼軌軌頭廓形（60N、60D）來匹配4種車輪踏面（LMA、LMB、LMC、LMD），再考慮車輪和鋼軌磨耗后型面，則輪軌型面匹配更為復(fù)雜，從控制新輪新軌匹配時低錐度晃車到磨耗后輪軌匹配不良導(dǎo)致構(gòu)架橫向蛇形失穩(wěn)問題均有大量工作需要開展。國內(nèi)外輪軌型面匹配現(xiàn)狀見表1。

表1 國內(nèi)外輪軌型面匹配現(xiàn)狀

1.3 輪軌硬度應(yīng)用現(xiàn)狀

國外高速鐵路一般都是1種鋼軌材料匹配1種車輪材料，而我國目前使用的高速動車組車輪材料有6種，即ER8、ER8C、ER9和SSW-Q3R，以及近幾年國內(nèi)自主研發(fā)的D1和D2車輪材料；而高速鐵路鋼軌材料有2種，即U71MnG和U75VG。我國高速鐵路輪軌材料硬度匹配情況與國外相比更為復(fù)雜。從現(xiàn)場應(yīng)用來看，我國高速正線鋼軌的自然磨耗量很小，而高速車輪在應(yīng)用中出現(xiàn)了凹磨和多邊形磨耗等現(xiàn)象。國內(nèi)外輪軌硬度匹配現(xiàn)狀見表2。

表2 國內(nèi)外輪軌硬度匹配現(xiàn)狀

1.4 道岔區(qū)輪軌關(guān)系研究應(yīng)用現(xiàn)狀

高速道岔是高速鐵路軌道的關(guān)鍵設(shè)備。為適應(yīng)高速鐵路大規(guī)模建設(shè)，我國引進德國和法國高速道岔技術(shù)，同時自主研發(fā)高速鐵路道岔，開展了一系列的道岔試驗。截至目前，我國高速鐵路共鋪設(shè)了客運專線（中國）、CN（德國）和CZ（法國）3種技術(shù)系列的道岔。其中，客運專線道岔鋪設(shè)總數(shù)超過5 000組，鋪設(shè)數(shù)量和范圍為全球之最。CN技術(shù)系列道岔主要用在京津、京滬和武廣高速鐵路線路；CZ技術(shù)系列道岔主要鋪設(shè)于合寧、合武和鄭西高速鐵路線路。目前采用上述3種技術(shù)系列的高速鐵路道岔均有8年以上的運營實踐?，F(xiàn)場運用情況表明我國高速鐵路道岔總體狀態(tài)良好，但也陸續(xù)出現(xiàn)了一些輪軌關(guān)系相關(guān)問題，如道岔區(qū)晃車、鋼軌件異常傷損、曲尖軌磨耗等。

1.5 構(gòu)架橫向加速度報警標準及控制措施應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，歐洲對于構(gòu)架橫向加速度報警有一套完整的技術(shù)規(guī)范以及基于等效錐度的控制措施，在動車組上安裝構(gòu)架橫向報警的監(jiān)控裝置，嚴格監(jiān)控構(gòu)架的橫向穩(wěn)定性；日本采用車輪鏇修、低等效錐度車輪踏面外形、懸掛參數(shù)優(yōu)化等措施控制構(gòu)架的橫向振動性能，但由于日本動車組未安裝構(gòu)架橫向報警監(jiān)控系統(tǒng)，其車輪鏇修周期要求20萬km進行鏇輪，鏇修里程小于歐洲。

我國在出現(xiàn)CRH3型系列動車組構(gòu)架橫向加速度超限報警問題后，做了大量的研究工作，并提出了一系列解決措施，如鋼軌打磨、車輪鏇修、優(yōu)化鋼軌廓形和車輪踏面等，這些措施取得了較好的成效。但是基于這些措施的構(gòu)架報警相關(guān)規(guī)范制度還沒有制定，如等效錐度對車輪踏面初始值與運用限值的控制規(guī)范還需進一步研究；這些措施的實施效果也需進一步跟蹤與驗證。

1.6 我國高速鐵路輪軌黏著研究應(yīng)用現(xiàn)狀

輪軌黏著特性直接影響高速列車的牽引、制動性能及運行品質(zhì)，高速動車組的起動、加速、減速和停車等都與黏著特性有直接關(guān)系。由于我國前期缺乏高速輪軌黏著系數(shù)分布圖，動車組牽引和制動配置設(shè)計時主要參考日本、德國潮濕條件下的黏著系數(shù)相關(guān)限定值并加以延拓。以CRH380BL為例，日本、德國和TSI規(guī)定的牽引黏著系數(shù)與我國CRH380BL利用的黏著系數(shù)對比見圖1。

總體而言，雖然目前國內(nèi)外在輪軌黏著試驗方面取得了很大的進展，但還存在一些不足。第一，由于試驗裝置和試驗方法存在較大差異，很多研究者獲得的結(jié)論存在較大分歧；第二，國外的試驗裝置大部分只能揭示中低速下的黏著特性和機理，缺少高速工況下的系統(tǒng)性試驗，我國缺乏高速輪軌黏著系數(shù)分布圖及增黏技術(shù)的試驗研究；第三，線路試驗缺少我國各種車型的實測數(shù)據(jù)以及增黏效果的試驗。

圖1 國外黏著系數(shù)相關(guān)規(guī)定與CRH380BL利用的黏著系數(shù)對比

1.7 輪軌關(guān)系研究手段現(xiàn)狀

隨著試驗檢測技術(shù)及計算機行業(yè)的發(fā)展，高速鐵路輪軌關(guān)系研究手段日益豐富，同時隨著輪軌關(guān)系現(xiàn)場問題的出現(xiàn)，也促進了相關(guān)試驗檢測技術(shù)的發(fā)展。目前，國內(nèi)外均主要通過現(xiàn)場輪軌靜、動態(tài)測試，實驗室試驗，仿真計算等手段開展相關(guān)研究。其中，國內(nèi)外鋼軌及車輪靜動態(tài)測試設(shè)備和方法基本相同，測試內(nèi)容主要包括了鋼軌軌頭廓形、軌頂硬度、軌距、車輪踏面和硬度、車輪不圓度和表面粗糙度、輪軌力、鋼軌變形和加速度、車輛振動加速度等。我國已自主開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的時速400 km高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施綜合檢測及評估成套技術(shù)，突破了軌道長波不平順檢測、精確時空同步定位、軌道不平順譜、車輛/軌道系統(tǒng)狀態(tài)綜合評價、動態(tài)輪軌力連續(xù)測量等多項關(guān)鍵技術(shù)。我國已建成目前國際上綜合性能和指標最高的全尺寸高速輪軌關(guān)系試驗臺，可開展高速輪軌黏著、蠕滑、磨耗等室內(nèi)試驗，試驗速度可達到500 km/h。我國還擁有試驗速度可達到600 km/h的整車滾振試驗臺，可進行整車工況下車輛運行穩(wěn)定性等車輛性能驗證試驗。此外，在高速鐵路輪軌關(guān)系仿真研究領(lǐng)域，在主要包括輪軌型面匹配仿真研究、輪軌接觸應(yīng)力分析、車輛-軌道耦合動力學仿真分析、道岔區(qū)輪軌關(guān)系仿真分析等幾個方面，我國研究機構(gòu)所配備的商用動力學分析軟件和有限元軟件與國外基本相同，并根據(jù)不同的研究需求構(gòu)建了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的仿真模型和自編程序。以上這些研究手段的建立為我國高速鐵路輪軌關(guān)系深化研究奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 我國高速鐵路輪軌關(guān)系研究總體規(guī)劃

為實現(xiàn)我國高速鐵路技術(shù)從“先進”到“引領(lǐng)”的躍升，中國鐵路總公司科技管理部自2015年底起，設(shè)立了高速鐵路輪軌關(guān)系深化研究重大科研資助計劃，以運輸需求、現(xiàn)場問題、發(fā)展目標為導(dǎo)向，凝聚中國鐵路總公司所屬科研院所、高等院校、裝備制造企業(yè)等單位優(yōu)勢科技資源，共同推進高速鐵路輪軌關(guān)系領(lǐng)域基礎(chǔ)理論及應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新，力圖做到：一從理論上回答是什么現(xiàn)象（know how）、為什么出現(xiàn)（know why）；二為現(xiàn)場解答做什么工作（what to do）、具體怎么做（how to do）。

項目研究總體技術(shù)路線（見圖2）旨在通過仿真計算、室內(nèi)試驗、京滬高速鐵路等6條典型線路跟蹤試驗（見圖3）等手段，在實現(xiàn)仿真分析規(guī)范化、動態(tài)化、系統(tǒng)化的基礎(chǔ)上，重點圍繞建立輪軌匹配（包含型面及硬度）綜合評價指標及方法、建立我國高速鐵路等效錐度管理指標體系、改進高速道岔設(shè)計、提出鋼軌廓形優(yōu)化設(shè)計及動車組車輪踏面優(yōu)化設(shè)計、提出牽引黏著特性曲線及蠕滑特性曲線、提出小曲線半徑鋼軌減磨措施等方面開展工作，并將一系列研究成果通過現(xiàn)場運用考核及跟蹤測試加以驗證，最終形成適用于我國高速鐵路的輪軌匹配技術(shù)方案及分步實施計劃，進一步優(yōu)化我國高速鐵路車輪鏇修及鋼軌打磨管理規(guī)程，并加以持續(xù)改進。

圖2 項目研究總體技術(shù)路線

圖3 現(xiàn)場長期跟蹤測試典型線路

3 我國高速鐵路輪軌關(guān)系深化研究最新進展

經(jīng)過近兩年的研究實踐，高速鐵路輪軌關(guān)系深化研究項目取得了一系列階段成果，正在逐步安排進行現(xiàn)場試用，以起到提升我國高速鐵路運營安全性及動車組運行品質(zhì)、系統(tǒng)優(yōu)化輪軌養(yǎng)護維修策略作用。

3.1 輪軌型面及硬度優(yōu)化匹配

在現(xiàn)有評價動車組運行舒適度指標的基礎(chǔ)上，基于ISO2631舒適度指標，構(gòu)建了低錐度晃車評判指標，基于層次分析法的思想，結(jié)合輪軌型面匹配評價問題的特點，提出了一種輪軌型面匹配綜合評價方法（見圖4），仿真計算和現(xiàn)場跟蹤測試綜合分析結(jié)果驗證了該方法的有效性[3]。

圖4 基于改進層次分析法的輪軌型面匹配綜合評價方法

通過對輪軌硬度比為0.80∶1～1.48∶1的15組輪軌磨損室內(nèi)試驗結(jié)果綜合分析可知，當硬度比在0.95∶1～1.15∶1范圍時，輪軌系統(tǒng)總磨損量較?。惠嗆売捕缺却笥?∶1時，試樣表面粗糙度和表面接觸疲勞傷損較輕；輪軌硬度比在1.15∶1時，輪軌系統(tǒng)總磨損量最小，且輪軌的接觸疲勞傷損最輕。輪軌試樣的磨耗量隨試驗循環(huán)次數(shù)的增加呈近似線性增長；對于同一種鋼軌材料，隨著車輪材料硬度的增加其磨損量逐漸減少。綜合考慮試樣磨損、表面粗糙度、塑性變形、表面接觸疲勞傷損，在現(xiàn)有2種鋼軌材料和6種車輪材料中，ER8C與U71MnG、D2與U71MnG、SSW-Q3R與U75VG組合匹配良好[4]。

建立了基于車輛-軌道系統(tǒng)動力學與局部輪軌滾動接觸理論相結(jié)合的輪軌磨耗仿真計算模型，并利用輪軌磨耗試驗臺和現(xiàn)場測試結(jié)果對模型進行修正，建立的模型可以用于高速列車車輪磨耗預(yù)測研究，仿真計算結(jié)果進一步驗證了室內(nèi)實驗室和現(xiàn)場測試結(jié)果。

在輪軌型面匹配一定的條件下，材料硬度對輪軌磨耗產(chǎn)生重要的影響，為此應(yīng)合理調(diào)控車輪鋼的合金成分及工藝，優(yōu)化車輪硬度，以進一步減少車輪磨耗，延緩和抑制多邊形的產(chǎn)生[5-7]。

3.2 輪軌黏著系數(shù)分布圖及增黏對策

根據(jù)1∶1高速輪軌關(guān)系試驗臺的結(jié)構(gòu)功能和輪軌黏著試驗原理，提出了基于高速輪軌關(guān)系試驗臺水介質(zhì)條件下的輪軌黏著試驗方法，利用高速輪軌關(guān)系試驗臺開展了最高速度為400 km/h的不同輪軌粗糙度時干燥條件和有水介質(zhì)條件下黏著試驗。完成了水介質(zhì)條件下400 km/h以內(nèi)的高速輪軌黏著系數(shù)分布圖（見圖5），進一步深化了高速輪軌黏著特性研究，填補了國際空白[8]。

由圖可知，水介質(zhì)條件下運行速度在40～200 km/h范圍內(nèi)黏著系數(shù)隨速度的增加下降明顯，200～400 km/h范圍內(nèi)黏著系數(shù)隨速度的增加下降緩慢，粗糙度對200～400 km/h范圍內(nèi)的輪軌黏著影響更大。此外，試驗結(jié)果表明，輪軌接觸界面在干燥和有水介質(zhì)時，牽引黏著系數(shù)與制動黏著系數(shù)基本一致。因此，制動系統(tǒng)的設(shè)計可參考牽引黏著特性規(guī)律和黏著系數(shù)分布圖。

此外，試驗結(jié)果表明，噴水量、輪軌接觸表面粗糙度、運行速度對水介質(zhì)條件下的黏著系數(shù)的影響較大，噴水溫度和軸重對黏著系數(shù)的影響較小，因此可以通過增加輪軌接觸表面的粗糙度、減小輪軌間水膜的厚度提高輪軌間黏著系數(shù)。

在雨雪天，輪軌接觸界面噴射陶瓷粒子和研磨子研磨組合可以起到較好的增黏效果；定期及時的鋼軌打磨也可以在一定的時間內(nèi)起到增黏效果。當輪軌間存在水介質(zhì)時，輪軌接觸載荷作用會擠壓液體介質(zhì)，橫向紋理相比于縱向紋理更容易將液體向外排泄，橫向紋理更有利于輪軌黏著的發(fā)揮。以此建議鋼軌打磨盡可能采用橫向紋理，提高輪軌在水介質(zhì)條件下的黏著系數(shù)。

圖5 我國高速鐵路輪軌牽引黏著系數(shù)分布圖及與日本結(jié)果對比

3.3 輪軌等效錐度限值

等效錐度值可以反映同一輪對左右車輪踏面的匹配關(guān)系。鏇修后等效錐度過低容易導(dǎo)致車體出現(xiàn)1～2 Hz的低頻晃動，影響乘坐舒適性；鏇修后等效錐度過高會導(dǎo)致服役等效錐度增加過快，車輪鏇修周期降低。而制定服役等效錐度限值，可實現(xiàn)對構(gòu)架橫向報警的事前預(yù)防，為動車組車輪狀態(tài)修提供數(shù)據(jù)支撐。

通過制定鏇修等效錐度限值，結(jié)合鏇床測量車輪等效錐度，通過等效錐度指標進一步控制車輪鏇修質(zhì)量。同時通過運用考核，修正鏇修等效錐度限值。

通過調(diào)研11個動車所車輪鏇修質(zhì)量，以及22列動車組鏇后車輪踏面測試及其中多列動車組鏇后振動特性線路試驗，對測試數(shù)據(jù)分析、等效錐度分布區(qū)間統(tǒng)計、盒子圖統(tǒng)計等工作，最終提出了4種車輪踏面（LMA、LMB、LMC、LMD）的鏇修初始等效錐度限值[9]（見表3、表4）。

表3 與TB60匹配初始等效錐度限值

表4 與60D匹配初始等效錐度限值

通過對典型高速鐵路線路運行的動車組車輪等效錐度演變、鏇修末期等效錐度統(tǒng)計、動車組振動性能演變進行跟蹤試驗研究，同時結(jié)合以往的長期跟蹤數(shù)據(jù)、專項試驗分析、補充試驗分析，總結(jié)了服役等效錐度與動車組振動性能的相互關(guān)系。根據(jù)動車組構(gòu)架橫向穩(wěn)定性指標，最終得到了不同速度級下4種車輪踏面的服役動車組踏面等效錐度限值建議（見表5）。

表5 服役等效錐度限值

3.4 新結(jié)構(gòu)參數(shù)高速道岔方案設(shè)計

經(jīng)過8年的運營實踐發(fā)現(xiàn)，道岔區(qū)的磨耗和接觸疲勞是其主要傷損類型。磨耗主要集中體現(xiàn)在18號曲尖軌側(cè)面，側(cè)向開通頻繁的岔位2～3年即需更換尖軌，曲尖軌成為高速鐵路中的薄弱部件。接觸疲勞主要表現(xiàn)為直尖軌非工作邊裂紋。此外，由于尖軌不足位移導(dǎo)致軌距、軌向幾何尺寸超限的現(xiàn)象也較為普遍。

通過現(xiàn)場調(diào)研及數(shù)據(jù)分析可知，在尖軌薄弱區(qū)輪緣參與導(dǎo)向是導(dǎo)致尖軌壽命大幅縮短的主要原因。從輪軌關(guān)系的源頭出發(fā)，改變輪對運動軌跡、減小輪緣導(dǎo)向壓力是減緩18號道岔曲尖軌側(cè)磨的最根本措施。建立基于預(yù)導(dǎo)向線型、直曲組合線型的兩種列車-道岔模型，計算列車通過不同線型時的動力學特性，2種線型技術(shù)均可改變輪對運動軌跡、減小輪緣導(dǎo)向壓力、縮短導(dǎo)向距離、避免輪緣在尖軌薄弱區(qū)段參與導(dǎo)向，從而減小尖軌磨耗速率。直曲組合線型對軌下基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)換設(shè)備具有良好的適應(yīng)性，易于工程實現(xiàn)，因此，推薦將直曲組合線型作為新曲尖軌線型[10-11]。

通過現(xiàn)場實測大量尖軌型面，對比有無裂紋型面的差異，開展了輪軌接觸狀態(tài)和動力學性能分析。當尖軌軌肩較低時，導(dǎo)致接觸點集中分布于非工作邊側(cè)，較高的接觸應(yīng)力和接觸頻次導(dǎo)致接觸疲勞裂紋的萌生和發(fā)展。相比而言，設(shè)計型面合理的輪軌接觸特征和動力學性能，能夠有效延緩接觸疲勞的萌生和發(fā)展。

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，尖軌不足位移幅值較小，但較為普遍，主要是由于轉(zhuǎn)轍機距尖軌固定端的距離較大，在摩擦阻力作用下，導(dǎo)致尖軌跟端轉(zhuǎn)換不到位，形成不足位移，導(dǎo)致軌距和軌向幾何尺寸超限。通過理論分析，縮短轉(zhuǎn)轍機距尖軌固定端的距離可有效減小不足位移。

根據(jù)上述研究結(jié)論，開展了新型道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計，與既有結(jié)構(gòu)相比，主要創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下方面：

（1）在具有軌下基礎(chǔ)上，通過改變扣件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化道岔側(cè)向線型，將曲尖軌前端直線段長度延長，改變輪對運動軌跡，從而減緩曲尖軌磨耗速率。

（2）在不改變轉(zhuǎn)轍角的情況下，刨切基本軌軌頭，加寬曲尖軌，提高尖軌耐磨性。

（3）尖軌機加工段保留既有設(shè)計型面，與尖軌跟端型面平順過渡。

（4）延長轍叉區(qū)護軌長度，防止叉跟尖軌的側(cè)磨。

（5）尖軌跟端固定點向前移1根枕，減小尖軌轉(zhuǎn)換不足位移。

3.5 關(guān)鍵檢、監(jiān)測設(shè)備及數(shù)據(jù)分析平臺框架

在整合已有檢測設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出了面向輪軌狀態(tài)修及后續(xù)輪軌故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、限值管理及養(yǎng)修建議整體流程（見圖6）。

圖6中給出了5大檢測、監(jiān)測系統(tǒng)，3項管理限值，1個集成數(shù)據(jù)分析平臺，共9項關(guān)鍵技術(shù)。

3.5.1 5大檢測、監(jiān)測系統(tǒng)

（1）動車組運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（DTPDS）。DTPDS是在有砟軌道輪軌力監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）基礎(chǔ)上，針對高速動車組進行了算法改進和硬件升級，全新研制開發(fā)的無砟軌道輪軌垂向力長距離全連續(xù)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)是長期、實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過對動車組車輪全周長范圍內(nèi)的輪軌力實施全連續(xù)檢測，及時、有效、準確地監(jiān)測車輪多邊形的發(fā)展及波長等幾何特征，同時對其他踏面損傷形式也予以監(jiān)控，能避免多邊形車輪高頻振動造成的車輛結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)損傷。

圖6 輪軌狀態(tài)修及輪軌故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)整體流程圖

目前，無砟軌道的DTPDS已在蘭新客運專線、大西客運專線進行了安裝試用。近一年的對比及地面持續(xù)跟蹤表明：DTPDS能夠?qū)榆嚱M多邊形車輪進行實時在線監(jiān)測，具備為動車組輪對狀態(tài)修提供依據(jù)的能力。基于DTPDS監(jiān)測數(shù)據(jù)可大幅增強動車組車輪的鏇修針對性，在保證安全的前提下動態(tài)延長車輪鏇修周期，同時減少車輪多邊形和其他踏面損傷形式導(dǎo)致的關(guān)聯(lián)損傷；DTPDS設(shè)備運行穩(wěn)定、可靠。

（2）車載波磨檢測系統(tǒng)。研究開發(fā)了利用軸箱加速度、連續(xù)輪軌力進行鋼軌短波病害（波磨及焊縫不良）的車載波磨檢測系統(tǒng)，提出了利用軸箱加速度進行短波病害評價的綜合指標軌道沖擊指數(shù)（TII）、波磨指數(shù)等綜合評價指標，開發(fā)了相應(yīng)的軸箱加速度數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，對現(xiàn)場鋼軌波磨及焊縫不良進行綜合評價。經(jīng)現(xiàn)場復(fù)核，軌道短波評價指標應(yīng)用效果良好，擬在前期中國鐵路總公司重大項目噪聲研究成果的基礎(chǔ)上，增加轉(zhuǎn)向架噪聲綜合評判的車載波磨檢測。

（3）車載鋼軌廓形檢測系統(tǒng)。研究開發(fā)了具有較高精度的車載鋼軌廓形檢測系統(tǒng)（分辨率達到0.1 mm），并已搭載部分路局探傷車和軌檢車進行了試用。仿真分析結(jié)果表明，現(xiàn)有車載鋼軌廓形檢測系統(tǒng)檢測精度已基本能滿足動態(tài)等效錐度計算精度要求，具備應(yīng)用條件。

（4）軌道不平順檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)為十分成熟的產(chǎn)品，檢測速度可達到400 km/h，目前已搭載高速綜合檢測列車定期對全國高速鐵路的軌道幾何狀態(tài)進行旬檢。

（5）車輪型面動態(tài)檢測系統(tǒng)。動車組出入庫前所通過的踏面診斷系統(tǒng)中已包含一定的車輪型面動態(tài)檢測功能，不過該系統(tǒng)檢測車輪型面的目的是提供輪緣高度、輪緣厚度、QR值、輪對內(nèi)側(cè)距、車輪直徑等運用參數(shù)，其檢測精度可達到0.2 mm，在對踏面診斷系統(tǒng)進行一定的升級改造后，即可形成完整的車輪型面動態(tài)檢測功能。

3.5.2 3項管理限值

（1）服役等效錐度管理限值。目前，世界各國均公認等效錐度是表征動車組運行安全性（構(gòu)架穩(wěn)定性）以及運行品質(zhì)的一項十分直接的指標。目前已提出了3.3所示服役等效錐度管理限值初稿，具備進行試應(yīng)用的技術(shù)條件。

（2）鋼軌波磨對車線部件傷損影響限值及車輪多邊形對車線部件傷損影響限值。目前，經(jīng)過近2年的典型高速鐵路跟蹤測試，已積累了一定的鋼軌波磨、車輪多邊形對車輛振動和軌道系統(tǒng)振動的測試數(shù)據(jù)，在進一步跟蹤測試、數(shù)據(jù)積累以及研究分析的基礎(chǔ)上，具備在近一年內(nèi)提出鋼軌波磨及車輪多邊形管理限值的條件。

3.5.3 1個集成數(shù)據(jù)分析平臺

目前已完成了輪軌關(guān)系數(shù)據(jù)協(xié)同分析平臺——試驗與研究管理信息系統(tǒng)的開發(fā)工作，并將其運用于典型高速鐵路輪軌關(guān)系跟蹤測試數(shù)據(jù)管理及分析展示，該系統(tǒng)已具備流程管理、數(shù)據(jù)管理、資料管理、簡報管理、數(shù)據(jù)分析展示等模塊功能，已實現(xiàn)與動車組管理信息系統(tǒng)和軌道不平順檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無縫對接，并預(yù)留了相應(yīng)的外部數(shù)據(jù)接口和程序接口。在一定的二次開發(fā)并嵌入已完成開發(fā)的動態(tài)等效錐度計算程序后，即可實現(xiàn)為輪軌狀態(tài)修提供數(shù)據(jù)和決策支撐的功能。

4 結(jié)束語

創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，是提高鐵路生產(chǎn)力和綜合競爭力的戰(zhàn)略支撐?！笆濉睍r期是我國全面建成小康社會和進入創(chuàng)新型國家行列的決勝階段，也是中國鐵路總公司實現(xiàn)“強基達標、提質(zhì)增效”的攻堅時期，科技創(chuàng)新在推動鐵路改革發(fā)展、提升鐵路安全水平和經(jīng)營效益中的作用將更加凸顯。為此，在高速鐵路輪軌關(guān)系領(lǐng)域研究方面將重點推進以下工作：

（1）進一步加強輪軌關(guān)系基礎(chǔ)理論研究和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用平臺建設(shè)，推動已有成果上升為技術(shù)標準、技術(shù)規(guī)章，筑牢輪軌關(guān)系可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)；同時，要強化現(xiàn)有檢、監(jiān)測技術(shù)深化研究，不斷為現(xiàn)場提供適用、好用的技防手段，研究節(jié)約成本、提高效率的輪軌運管修技術(shù)措施。

（2）進一步加強輪軌關(guān)系相關(guān)科技創(chuàng)新人才隊伍及實驗平臺建設(shè)。一是結(jié)合中國鐵路總公司“百、千、萬人才工程”實施，依托高速鐵路輪軌關(guān)系深化研究重大科研項目，加大創(chuàng)新團隊和人才培養(yǎng)力度，支持優(yōu)秀科技人才申請國家高層次領(lǐng)軍人才和團隊建設(shè)計劃；二是積極申報建設(shè)國家級實驗平臺，充分發(fā)揮既有各類實驗室的作用，引導(dǎo)優(yōu)質(zhì)人才資源向?qū)嶒炂脚_匯聚，構(gòu)建完善鐵路研究實驗平臺體系。

（3）進一步完善輪軌關(guān)系相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)申請、保護、運用和維護機制，促進重要知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)化為實際效益，同時圍繞鐵路走出去要求，加強自主技術(shù)裝備及檢、監(jiān)測設(shè)備知識產(chǎn)權(quán)風險分析及預(yù)警，推進我國高速鐵路輪軌關(guān)系相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)海外布局。

（4）進一步推進輪軌關(guān)系領(lǐng)域國際研究合作，在定期舉辦輪軌關(guān)系國際研討會的基礎(chǔ)上，充分利用好UIC、ISO等國際組織平臺，通過派駐外方工作代表、邀請國外專家交流講學、探索設(shè)立國際合作專項研究項目等多種途徑和方式，吸引外部智力，擴大我國輪軌關(guān)系研究團隊及成果國際影響力，搶占行業(yè)制高點。

[1]R LEWIS, U OLOFSSON. Wheel-rail Interface Handbook[M].Florida: CRC Press，2009.

[2]高速鐵路輪軌關(guān)系深化研究項目組. 高速鐵路輪軌關(guān)系深化研究調(diào)研總報告[R]. 北京：中國鐵道科學研究院，2016.

[3]劉豐收，成棣，宋春元，等. 輪軌型面匹配優(yōu)化及適應(yīng)性研究報告[R]. 北京：中國鐵道科學研究院，成都：西南交通大學，北京：北京交通大學，等，2017.

[4]張銀花，周韶博，張關(guān)震，等. 高速鐵路輪軌硬度匹配技術(shù)深化研究報告[R]. 北京：中國鐵道科學研究院，北京：北京交通大學，成都：西南交通大學，等，2017.

[5]虞大聯(lián). 四方平臺動車組車輪多邊形磨耗機理及控制技術(shù)措施研究報告[R]. 青島：中車青島四方機車車輛股份有限公司，北京：中國鐵道科學研究院，成都：西南交通大學，等，2017.

[6]郭濤. 唐客平臺動車組車輪多邊形磨耗機理及控制技術(shù)措施研究報告[R]. 唐山：中車唐山機車車輛有限公司，北京：中國鐵道科學研究院，成都：西南交通大學，2017.

[7]宋春元. 長客平臺高速動車組車輪多邊形形成機理及控制措施研究報告[R]. 長春：中車長春軌道客車股份有限公司，北京：中國鐵道科學研究院，成都：西南交通大學，2017.

[8]常崇義，陳波，蔡園武，等. 高速輪軌黏著機理及增黏試驗研究報告[R]. 北京：中國鐵道科學研究院，成都：西南交通大學，2017.

[9]王樹國，司道林，楊東升，等. 高速鐵路道岔區(qū)輪軌關(guān)系深化研究報告[R]. 北京：中國鐵道科學研究院，成都：西南交通大學，北京：北京交通大學，等，2017.

[10]許自強，董孝卿. 基于輪軌幾何關(guān)系的構(gòu)架報警控制措施深化研究[R]. 北京：中國鐵道科學研究院，長春：中車長春軌道客車股份有限公司，青島：中車青島四方機車車輛股份有限公司，等，2017.

[11]陸鑫，凱爾文·歐德勞. 通過輪軌界面的摩擦管理降低輪軌磨損[J]. 中國鐵路，2014(10)：77-80.

The Research Status and Innovation Planning of China High-speed Railway Wheel-rail Interaction

HU Huafeng，YANG Guotao
（Science & Information Technology Department，CHINA RAILWAY，Beijing 100844，China）

Wheel-rail interaction is an eternal topic for railway industry. As for China high-speed railway,it is a key innovation area focused by CHINA RAILWAY to furtherly enhance the economy of transport and comfort for passengers and mitigate operation risks and costs through the deep research of wheel-rail interaction.The paper briefly reviews research progress and application status of the wheel-rail interaction of domestic and foreign high-speed railway, analyzes the research demand of it and deliberates development planning of theoretical and technical innovation of it as well as the newest research progress of it. According to the working topic “Strengthening Foundation to Reach Standard, and Enhancing Quality to Improve Effciency”, the paper puts forward suggestions to key area of next research and application.

high-speed railway；wheel-rail interaction；research and planning；enhancing quality to improve effciency

U270.1

A

1001-683X（2017）11-0001-09

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.001

胡華鋒（1970—），男，提高待遇高級工程師。E-mail：bjhhf506@163.com

責任編輯 楊曉莉

2017-09-10