基于磨耗的高速鐵路輪軌接觸關(guān)系研究

劉豐收

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程和服役時(shí)間的不斷增加，高速鐵路輪軌磨耗受到廣泛關(guān)注，掌握服役過程中高速鐵路輪軌接觸關(guān)系變化規(guī)律對(duì)于保障列車運(yùn)行品質(zhì)至關(guān)重要。目前，我國(guó)服役動(dòng)車組主要有4種車輪型面，即LMA型面(CRH2系高速動(dòng)車組裝配)，LMB型面(CRH3系高速動(dòng)車組裝配)，LMC型面(即XP55型面，CRH5系高速動(dòng)車組裝配)和LMD型面(CRH1系高速動(dòng)車組裝配)，其中LMA和LMB占多數(shù)。高速鐵路鋼軌型面有60D和60N兩種，其中60D型面較多，高速鐵路輪軌型面匹配關(guān)系極為復(fù)雜[1]。隨著輪軌系統(tǒng)長(zhǎng)期服役，輪軌磨耗引起的型面變化會(huì)改變輪軌接觸關(guān)系，輪軌接觸范圍、等效錐度及輪軌動(dòng)態(tài)性能等均會(huì)隨之發(fā)生改變，鋼軌表面光帶就是這一系列變化的直觀體現(xiàn)，高速動(dòng)車組運(yùn)行過程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)加速度報(bào)警和車體晃動(dòng)問題均會(huì)伴隨著鋼軌光帶分布不良現(xiàn)象[2-4]，但目前尚未有研究結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌表面光帶寬度予以限制。

本文選取了京滬高鐵作為典型線路，在對(duì)服役于其上車輪、鋼軌的型面開展長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析輪軌型面變化及磨耗規(guī)律，研究鋼軌磨耗范圍、輪軌接觸范圍、鋼軌光帶寬度與名義等效錐度的關(guān)聯(lián)性，并結(jié)合名義等效錐度限值，提出高速鐵路鋼軌表面光帶寬度的合理范圍，以便現(xiàn)場(chǎng)工作人員通過觀測(cè)鋼軌表面光帶判斷輪軌接觸狀態(tài)及動(dòng)車組運(yùn)行性能。

1 輪軌磨耗特征

1.1 車輪磨耗特征

車輪型面跟蹤測(cè)試選取了京滬高鐵運(yùn)行的CRH380AL(LMA車輪型面)和CRH380BL(LMB車輪型面)2種車型各1列高速動(dòng)車組的車輪型面進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，1個(gè)鏇修周期內(nèi)觀測(cè)3次，對(duì)應(yīng)的車輪運(yùn)用里程分別為4萬，10萬和20萬km。京滬高鐵2種車輪型面在1個(gè)鏇修周期內(nèi)的變化情況如圖1所示。圖中：LMA-1，LMA-2和LMA-3分別對(duì)應(yīng)LMA型面車輪的3次觀測(cè)，LMB-1，LMB-2和LMB-3分別對(duì)應(yīng)LMB型面車輪的3次觀測(cè)。由圖1可知，運(yùn)用里程達(dá)到20萬km時(shí)，LMA型面車輪磨耗均勻，其踏面磨耗為0.5 mm；LMB型面車輪則以踏面磨耗為主，為0.7 mm。

車輪最大磨耗分布情況如圖2所示。由圖2可知，在所有測(cè)試車輪中，62%的LMA型面車輪最大磨耗在0.2～0.4 mm范圍內(nèi)，73%的LMB型面車輪最大磨耗在0.5～0.7 mm范圍內(nèi)。

圖1 不同運(yùn)行里程車輪型面變化情況

圖2 車輪最大磨耗分布

1.2 鋼軌磨耗特征

鋼軌型面跟蹤測(cè)試選取了北京、濟(jì)南和上海局管內(nèi)共計(jì)12個(gè)鋼軌測(cè)點(diǎn)，測(cè)試工況包括了直線、橋上直線、大曲線以及車站小半徑曲線等線路，測(cè)試周期為3～5個(gè)月[5]。以第1次測(cè)試的鋼軌型面為基準(zhǔn)，分析直線區(qū)段某鋼軌測(cè)點(diǎn)14個(gè)月內(nèi)鋼軌垂直磨耗量及型面變化情況如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)通過總重為42 Mt時(shí)(第4次測(cè)試時(shí))，鋼軌垂直磨耗量均值為0.04 mm，同時(shí)可知鋼軌磨耗隨著通過總重的增加而增加。

鋼軌型面的變化特征如圖4所示。由圖4可見，鋼軌磨耗引起的型面變化范圍為軌頭中心-20～20 mm區(qū)域，且鋼軌磨耗會(huì)增大軌頂圓弧半徑，京滬高鐵鋼軌目標(biāo)廓形為60D，其軌頂圓弧半徑為160 mm，第1次測(cè)試時(shí)軌頂圓弧半徑為163 mm，第4次測(cè)試時(shí)鋼軌型面軌頂圓弧半徑為176 mm。

圖3 鋼軌垂直磨耗變化情況

圖4 鋼軌型面變化

1.3 綜合分析

綜合現(xiàn)場(chǎng)輪軌磨耗跟蹤測(cè)試分析結(jié)果，1個(gè)鏇修周期內(nèi)(約3個(gè)月)，LMA型面車輪踏面最大磨耗主要在0.2～0.4 mm，LMB型面車輪踏面最大磨耗主要在0.5～0.7mm。鋼軌磨耗較小，通過總重為42 Mt(14個(gè)月)時(shí)，直線區(qū)段鋼軌垂磨量為0.04 mm，鋼軌型面變化及磨耗范圍為-20～20 mm，同時(shí)，鋼軌磨耗會(huì)增大鋼軌頂弧半徑。高速鐵路鋼軌磨耗遠(yuǎn)小于車輪磨耗，1個(gè)車輪鏇修周期內(nèi)鋼軌垂直磨耗量與車輪踏面磨耗量比值約為1∶80。

2 輪軌接觸關(guān)系

2.1 輪軌接觸范圍與鋼軌光帶寬度的關(guān)系

在車輪及鋼軌長(zhǎng)期服役過程中，車輪和鋼軌型面均會(huì)由于磨耗產(chǎn)生一定變化，相應(yīng)的輪軌接觸范圍及輪軌匹配關(guān)系也會(huì)發(fā)生改變。LMA和LMB車輪標(biāo)準(zhǔn)型面分別與60D鋼軌標(biāo)準(zhǔn)型面匹配時(shí)的接觸點(diǎn)分布如圖5所示。由圖5可見，LMA車輪型面對(duì)應(yīng)的輪軌接觸點(diǎn)集中分布于軌頂中心±5 mm范圍內(nèi)，LMB車輪型面對(duì)應(yīng)的輪軌接觸點(diǎn)分布則相對(duì)分散，分布于軌頂中心-8～5 mm。

在分析輪軌接觸點(diǎn)分布的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮輪軌接觸斑寬度可計(jì)算得到實(shí)測(cè)京滬高鐵輪軌磨耗條件下的輪軌接觸范圍。輪對(duì)橫移量為-6～6 mm時(shí)(直線工況)LMA和LMB車輪系列型面與60D鋼軌實(shí)測(cè)型面匹配時(shí)的輪軌接觸范圍如圖6所示。由圖6可見，LMA車輪系列型面對(duì)應(yīng)的輪軌接觸寬度均在18 mm以內(nèi)，輪軌磨耗對(duì)于輪軌接觸范圍的影響規(guī)律并不明顯；LMB車輪系列型面對(duì)應(yīng)的輪軌接觸范圍明顯大于LMA車輪系列型面，且隨車輪、鋼軌磨耗的增加而明顯增大，第4次測(cè)試得到的鋼軌型面與服役20萬km車輪型面匹配時(shí)輪軌接觸寬度約為33 mm。

圖5 輪軌接觸點(diǎn)分布

圖6 輪軌接觸范圍

鋼軌光帶寬度是輪軌最大接觸寬度在鋼軌軌面的直觀體現(xiàn)，LMA和LMB型面車輪同時(shí)服役于京滬高鐵，因此，鋼軌光帶寬度由輪軌型面匹配時(shí)的最大輪軌接觸寬度決定。京滬高鐵鋼軌直線區(qū)段某測(cè)點(diǎn)的鋼軌光帶寬度4次測(cè)試結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，鋼軌光帶寬度與圖6給出的輪軌最大接觸寬度(即LMB型面對(duì)應(yīng)的輪軌接觸寬度)基本對(duì)應(yīng)，因此可用LMB車輪型面對(duì)應(yīng)的輪軌接觸寬度近似表示現(xiàn)場(chǎng)鋼軌光帶寬度。

2.2 輪軌接觸范圍與等效錐度的關(guān)系

輪軌型面匹配分析不僅可以直觀判斷輪軌接觸范圍，還可以計(jì)算得到輪軌匹配等效錐度[6]，對(duì)于研究轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)加速度報(bào)警[7]和車體晃動(dòng)[8]有重要意義。LMA和LMB車輪系列型面與鋼軌實(shí)測(cè)型面匹配時(shí)的名義等效錐度如圖8所示。由圖8可見：LMA系列型面與實(shí)測(cè)鋼軌型面匹配時(shí)的名義等效錐度在0.025～0.043范圍內(nèi)，且變化較?。籐MB系列型面與實(shí)測(cè)鋼軌型面匹配時(shí)的名義等效錐度在0.08～0.15范圍內(nèi)，且隨著車輪和鋼軌磨耗的增大而增大，變化規(guī)律與輪軌接觸范圍的變化規(guī)律相似。

圖7 京滬高鐵直線區(qū)段某測(cè)點(diǎn)鋼軌光帶寬度

圖8 輪軌名義等效錐度

考慮到LMB系列型面與實(shí)測(cè)鋼軌型面匹配時(shí)輪軌接觸寬度和等效錐度隨輪軌磨耗變化規(guī)律更明顯，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)橫向加速度報(bào)警和車體晃動(dòng)的動(dòng)車組多為裝配LMB型面車輪的動(dòng)車，因此將重點(diǎn)分析LMB型面車輪對(duì)應(yīng)的接觸范圍和名義等效錐度的關(guān)系。輪軌接觸寬度與輪軌匹配名義等效錐度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖9所示。由圖9可見，從總體趨勢(shì)來看，實(shí)測(cè)輪軌型面匹配名義等效錐度隨輪軌接觸范圍的擴(kuò)大而增大，可見名義等效錐度與輪軌接觸范圍存在一定正相關(guān)性。

圖9 輪軌接觸寬度與名義等效錐度對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 鋼軌光帶寬度合理范圍

等效錐度是反映輪軌接觸狀態(tài)和列車運(yùn)行性能的主要指標(biāo)之一，但該指標(biāo)不便于工務(wù)部門在現(xiàn)場(chǎng)直觀判斷輪軌接觸關(guān)系狀態(tài)，上文實(shí)測(cè)輪軌型面匹配分析結(jié)果表明名義等效錐度與輪軌接觸范圍存在正相關(guān)性。同時(shí)，可以利用LMB車輪型面對(duì)應(yīng)的輪軌接觸寬度近似表示現(xiàn)場(chǎng)的鋼軌表面光帶寬度。故可通過分析鋼軌光帶寬度與等效錐度的關(guān)聯(lián)性，結(jié)合名義等效錐度限值，得到鋼軌表面光帶寬度的合理范圍，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)判斷輪軌接觸狀態(tài)和列車運(yùn)行性能。

從京滬高鐵輪軌磨耗特征及接觸范圍計(jì)算可知，1個(gè)鏇修周期內(nèi)車輪磨耗較大，且隨著運(yùn)行里程的增加而增加，LMB型面車輪對(duì)應(yīng)的輪軌接觸范圍值及其變化規(guī)律與鋼軌光帶寬度及其變化規(guī)律更加接近，故選取服役20萬km的LMB車輪型面進(jìn)行輪軌型面匹配計(jì)算。鋼軌型面變化極小，不同的鋼軌實(shí)測(cè)型面與車輪匹配后的輪軌接觸范圍和等效錐度差異較小，為了得到明確的鋼軌光帶寬度與等效錐度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需擬合出不同鋼軌型面用以輪軌型面匹配分析?？紤]到鋼軌的輪軌接觸范圍主要在軌頂圓弧區(qū)域，擬合鋼軌型面的軌頂圓弧半徑變化范圍為125～500 m，如圖10所示。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)而言，直線區(qū)段軌頂圓弧半徑增大主要由于鋼軌磨耗或者工作邊軌距角圓弧欠打磨所致，而工作邊軌距角圓弧過打磨會(huì)導(dǎo)致軌頂圓弧減小。

轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)加速度報(bào)警和車體晃動(dòng)[3]是我國(guó)高速鐵路動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)的典型異常振動(dòng)問題。經(jīng)過長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，分析總結(jié)得到了動(dòng)車組名義等效錐度上、下限值分別為0.08和0.35，即名義等效錐度在0.08～0.35范圍內(nèi)可有效避免高速列車轉(zhuǎn)向架橫向加速度報(bào)警和車體晃動(dòng)[7-9]。

通過對(duì)不同頂弧半徑的鋼軌擬合型面與車輪型面匹配關(guān)系計(jì)算分析，得到了不同輪軌型面匹配組合下的輪軌接觸范圍和名義等效錐度值，再擬合得到鋼軌光帶寬度與名義等效錐度的關(guān)系曲線，如圖11所示。由圖11可知，名義等效錐度的限值范圍內(nèi)(0.08～0.35)對(duì)應(yīng)的鋼軌光帶范圍為20～45 mm，鋼軌表面光帶寬度小于20 mm時(shí)，由于名義等效錐度較小，易出現(xiàn)車體晃車；當(dāng)光帶寬度大于45 mm時(shí)，由于名義等效錐度過大，易出現(xiàn)轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)加速度報(bào)警。

圖10 不同頂弧半徑的鋼軌擬合型面

圖11 名義等效錐度與鋼軌光帶寬度對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖12 高速鐵路異常振動(dòng)區(qū)段的鋼軌光帶寬度實(shí)測(cè)情況

高速鐵路出現(xiàn)轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)加速度報(bào)警和車體晃動(dòng)區(qū)段的鋼軌光帶寬度實(shí)測(cè)情況如圖12所示。從圖12可知，轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)加速度報(bào)警區(qū)段的鋼軌光帶寬度約為50 mm，車體晃動(dòng)區(qū)段的鋼軌光帶寬度約為18 mm，均超出上文提出的鋼軌光帶寬度合理范圍。

4 結(jié) 論

(1)相同周期內(nèi)，高速鐵路鋼軌磨耗遠(yuǎn)小于車輪磨耗。1個(gè)鏇修周期內(nèi)，LMA型面車輪的踏面磨耗為0.2～0.4 mm，LMB型面車輪踏面磨耗為0.5～0.7 mm；通過總重為42 Mt(14個(gè)月)時(shí)，直線區(qū)段鋼軌垂直磨耗僅為0.04 mm，型面變化及磨耗范圍為-20～20 mm，鋼軌磨耗會(huì)增大鋼軌頂弧半徑。

(2)動(dòng)車組在直線運(yùn)行時(shí)，LMB車輪型面對(duì)應(yīng)的輪軌接觸范圍和名義等效錐度呈一定正相關(guān)性，且均隨輪軌磨耗增大而增大。同時(shí)，輪軌接觸寬度與鋼軌光帶寬度基本對(duì)應(yīng)。

(3)結(jié)合名義等效錐度限值，需對(duì)鋼軌表面寬度予以限制。鋼軌表面光帶寬度小于20 mm時(shí)，易出現(xiàn)動(dòng)車組車體晃車；當(dāng)光帶寬度大于45 mm時(shí)，易出現(xiàn)轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)加速度報(bào)警。