高速動車組車輪磨耗線路試驗研究

李曉峰，李國棟，2，宋春元，2，崔利通，劉闖

（1. 中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2. 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

1 概述

我國高速鐵路迅速發(fā)展，自2007年起已有大量高速動車組投入運營，最高運行速度級200~350 km/h，具有高速、安全、平穩(wěn)的特點。為保證動車組具有良好的動力學(xué)性能，良好輪軌匹配關(guān)系是關(guān)鍵因素之一。隨著車輪磨耗，踏面外形的變化會不同程度影響輪軌接觸關(guān)系，進(jìn)而影響高速列車的運動穩(wěn)定性和平穩(wěn)性等[1-3]。我國目前主要通過定期鏇修來恢復(fù)車輪踏面外形，車輪鏇修量與磨耗量基本相當(dāng)，因此確定既合理又經(jīng)濟(jì)的鏇修周期一直是車輛運用部門和踏面設(shè)計工作的重點。動車組在運用過程中出現(xiàn)了由局部路段輪軌匹配不良引起的車輛異常振動問題，基于我國高鐵鋼軌的打磨維護(hù)狀態(tài)，為改善輪軌匹配關(guān)系，有必要設(shè)計一種線路適應(yīng)性強的車輪踏面外形[4-6]。

車輪磨耗研究屬車輛、軌道、力學(xué)、摩擦學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域，一直是國際上輪軌接觸領(lǐng)域研究熱點和難點。車輪磨耗預(yù)測是開展車輪踏面設(shè)計、車輛動力學(xué)性能預(yù)估、車輪維護(hù)周期制定等研究的關(guān)鍵，一般可通過仿真分析、臺架試驗、線路試驗獲得，但線路試驗成本高、難度大、時間久，大量學(xué)者和工程技術(shù)人員在仿真分析和臺架試驗方面開展了深入研究[7-13]。仿真分析方法主要通過將車輛多體動力學(xué)模型和車輪磨耗模型（Achard模型）聯(lián)合分析[7]，其中磨耗模型中的相關(guān)系數(shù)對結(jié)果影響較大，在大量線路實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上不斷調(diào)整優(yōu)化，最終獲得與實際磨耗情況較為接近的仿真結(jié)果（見圖1（a））；臺架試驗方法（見圖1（b））與仿真分析類似，由于輸入的軌道激勵、載荷、摩擦狀態(tài)等與實際運行仍存在一定差距，試驗?zāi)ズ念A(yù)測結(jié)果僅具有一定的參考意義。

圖1 仿真和臺架試驗方法

通過開展對不同線路和不同車型的高速動車組車輪磨耗進(jìn)行線路跟蹤測試，總結(jié)維護(hù)周期內(nèi)的車輪磨耗特征及其演變規(guī)律；深入研究引起車輪磨耗差異的原因，對比分析車速、季節(jié)、運行線路等服役環(huán)境對車輪磨耗的影響，提出動車組車輪鏇修周期和狀態(tài)維修的優(yōu)化建議；基于線路實測輪軌磨耗狀態(tài)，設(shè)計了線路適應(yīng)性強的新型高速動車組踏面外形，通過200萬km的線路運行試驗驗證，效果良好，并在中國標(biāo)準(zhǔn)動車組上批量運用。

2 線路跟蹤試驗

2.1 試驗背景

自2011年起，先后選取15列不同類型高速動車組在不同線路開展了轉(zhuǎn)向架車輪磨耗跟蹤試驗。動車組最高速度200~350 km/h，車輛運行總里程30萬~240萬km，轉(zhuǎn)向架的懸掛參數(shù)也會隨著運行里程發(fā)生變化。運行線路覆蓋了我國南北方和東西部地區(qū)，氣候差異較大，包括低溫、冰雪、風(fēng)沙、高溫等；軌道系統(tǒng)包括有砟軌道和不同類型的無砟軌道；鋼軌廓形包括標(biāo)準(zhǔn)廓形、打磨廓形、優(yōu)化廓形。復(fù)雜多變的服役環(huán)境影響車輪的磨耗狀態(tài)，直接影響維護(hù)周期內(nèi)的車輛動力學(xué)性能。

2.2 測試設(shè)備

通常采用便攜式車輪踏面外形測量儀進(jìn)行線路跟蹤測試，按照測量原理一般可分為接觸式和激光非接觸式2種，測量儀器常采用丹麥格林伍德公司生產(chǎn)的Miniprof車輪踏面外形測量儀和瑞士Elag公司生產(chǎn)的Optimess激光式車輛踏面外形測量儀。由于動車組數(shù)量巨大，利用便攜式儀器測試動車組效率有限，目前不落輪鏇床也升級具備了踏面廓形、踏面特征及輪對等效錐度測試和分析功能，上述設(shè)備的測量結(jié)果在后續(xù)統(tǒng)計中均有應(yīng)用（見圖2）。

圖2 車輪踏面測試設(shè)備

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

車輪踏面外形數(shù)據(jù)分析主要包括輪軌匹配等效錐度、踏面名義滾動圓處磨耗、輪緣磨耗、接觸帶寬等，其中等效錐度按照UIC 519標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行計算，利用自編程序可實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的快速處理及統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

3 車輪磨耗演變規(guī)律

通過線路跟蹤試驗的開展，獲得不同動車組在跟蹤周期內(nèi)的車輪磨耗演變規(guī)律。在我國高寒地區(qū)運行的動車組車輪磨耗演變規(guī)律見圖4，試驗周期持續(xù)2年，主要在我國東北部運行，每年10月至次年3月為冬季，最低氣溫低于-30 ℃，冰雪較多，春秋季較短且干燥。車輪踏面名義滾動圓處磨耗速率0.25~0.40 mm/10萬km，夏季的增長速率略快于冬季，相近月份的磨耗速率接近（見圖4（a））；實測踏面與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌參數(shù)匹配分析，等效錐度增長速率（0.008~0.100）/10萬km，其變化規(guī)律與踏面磨耗一致（見圖4（b））。

由圖4可知，不同季節(jié)下的車輪磨耗存在差異，但由于冬夏季車輛運行速度不同，無法較為準(zhǔn)確地分析不同因素對磨耗的影響占比，同時在個別運行里程下也出現(xiàn)了等效錐度增長較快現(xiàn)象（如圖4（b）中紅色圓圈所示），無法準(zhǔn)確解釋其原因。因此在掌握車輛整體磨耗規(guī)律的基礎(chǔ)上，對存在差異的規(guī)律需進(jìn)一步深入分析，更全面、細(xì)致地掌握車輪磨耗變化規(guī)律，對車輛狀態(tài)維護(hù)、延長鏇修周期具有指導(dǎo)意義。

4 運行環(huán)境對磨耗的影響

針對線路跟蹤試驗時發(fā)現(xiàn)的磨耗差異現(xiàn)象，從不同運行環(huán)境角度進(jìn)行多維度對比，探究運行環(huán)境對車輪磨耗的影響。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

圖4 高寒地區(qū)動車組車輪磨耗演變規(guī)律

4.1 運行速度

我國高速動車組普遍運行速度為300~350 km/h，隨著速度的提高輪軌作用力增大，對車輪磨耗有一定影響，選取踏面類型相同、轉(zhuǎn)向架相同的動車組進(jìn)行分析。不同速度對車輪磨耗的影響見圖5?？梢钥闯?，速度為350 km/h時的等效錐度增長速率略高于300 km/h，而速度為350 km/h時的踏面磨耗量略小于300 km/h。可能原因為：300 km/h運行的動車組停站次數(shù)較多，平均每日停站次數(shù)25~30次，遠(yuǎn)大于350 km/h運行的動車組（停站次數(shù)6~8次），牽引和制動的時間增加，該區(qū)段內(nèi)蠕化率較大，進(jìn)而影響車輪踏面的磨耗量；等效錐度的差異主要由于踏面磨耗外形的差異影響輪軌接觸關(guān)系，300 km/h運行的動車組相同里程下的踏面磨耗范圍（-25~30 mm）較350 km/h運行動車組（-18~15 mm）略寬且更為均勻，350 km/h運行線路直線及大半徑曲線占比較高，磨耗范圍較窄，影響實際接觸點分布。

4.2 運行季節(jié)

我國高鐵線路分布范圍廣，氣候差異較大，車輪磨耗出現(xiàn)不同特征，對車輛動力學(xué)性能帶來影響。針對相同車輪踏面類型的30列動車組1年的鏇修數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，獲得1年內(nèi)不同月份下每鏇修周期的車輪直徑磨耗規(guī)律（見圖6），可知位于5—9月內(nèi)的鏇修周期直徑磨耗量大于其他月份，統(tǒng)計的動車組運行范圍包括我國南北方，該時間段內(nèi)的溫度和濕度均大于其他月份，濕度的增加會降低輪軌摩擦系數(shù)，溫度的增加影響車輛和軌道的彈性元件特性。

圖5 不同速度對車輪磨耗的影響

圖6 不同月份對車輪磨耗的影響

我國南北方氣候差異較大，北方冬季干燥、多冰雪，南方夏季溫度高、降水量大，通過在南北方跟蹤同類型動車組的車輪磨耗（見圖7）發(fā)現(xiàn)：

（1）在北方運行的動車組，冬季動車等效錐度大于拖車，其他季節(jié)基本一致，踏面磨耗也呈相同規(guī)律；

（2）在南方運行的動車組，相同運行里程下夏季等效錐度大于其他季節(jié)，踏面磨耗也呈相同規(guī)律，但動拖車無明顯差異。

4.3 運行線路

軌道對車輪磨耗的影響因素包括鋼軌廓形、軌距、軌底坡、鋼軌硬度、曲線分布等，我國對高速鐵路的維護(hù)要求高，軌底坡、軌距等參數(shù)控制要求嚴(yán)，而鋼軌硬度隨著通過總質(zhì)量的增加略有增加，但增幅不大，影響較大的仍是鋼軌廓形，我國高鐵采用的鋼軌標(biāo)準(zhǔn)廓形和維護(hù)狀態(tài)下的實測廓形見圖8（a），其中標(biāo)準(zhǔn)廓形為TB60，優(yōu)化廓形為60N[3]，不同軌廓主要在工作邊側(cè)的軌距角存在一定差異。

某型動車組新調(diào)至線路B運行時在局部路段多次出現(xiàn)轉(zhuǎn)向架橫向異常振動，而在前期運行的線路A未見異常。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)：

（1）出現(xiàn)異常振動的動車組基本處于車輪鏇修周期的中后期，在調(diào)至線路B運行前均一直在線路A運行；

（2）在線路A運行的動車組車輪踏面最大磨耗位置偏向名義滾動圓外側(cè)1~3 mm（見圖8（b）），而在線路B運行的動車組車輪踏面最大磨耗位置偏向名義滾動圓內(nèi)側(cè)0.5~2.0 mm；

圖7 不同氣候?qū)囕喣ズ牡挠绊?/p>

（3）與在線路B出現(xiàn)異常振動的路段實測鋼軌廓形匹配，一直在線路A運行的車輪實際輪軌匹配等效錐度顯著增大（見圖8（c）），等效錐度增大必然導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性降低，進(jìn)而引起異常橫向振動。因此，建議安排新鏇修的動車組跨線運行，避免出現(xiàn)由輪軌匹配不良引起的異常振動。

4.4 車輪直徑

隨著動車組運行里程的增加，車輪直徑逐漸減小，車輪磨耗速率也隨之發(fā)生變化。根據(jù)2017年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在一個鏇修周期內(nèi)（20萬～25萬km），車輪直徑磨耗量隨著輪徑減小而降低，同時發(fā)現(xiàn)車輪表面硬度也隨輪徑減小而降低。而在一個高級修周期內(nèi)，轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)的變化對車輪磨耗影響較?。ㄒ妶D9）。

圖8 鋼軌廓形對車輪磨耗的影響

5 車輪踏面改進(jìn)研究

高速動車組運用期間出現(xiàn)了由于輪軌匹配不良引起的車輛異常振動問題，為改善輪軌匹配問題，基于動車組車輪磨耗跟蹤數(shù)據(jù)、鋼軌廓形實測數(shù)據(jù)、運用故障問題積累，設(shè)計了適合我國高鐵線路的新型車輪踏面外形（見圖10（a）），線路考核最長單鏇修周期達(dá)40萬km，車輪磨耗結(jié)果見圖10（b），較目前鏇修周期延長60%以上。

圖9 輪徑對車輪磨耗的影響

圖10 新型車輪踏面設(shè)計與驗證

該踏面已在中國標(biāo)準(zhǔn)動車組上批量應(yīng)用，在京滬高鐵350 km/h運行工況下，達(dá)到車輪鏇修周期時與TB60鋼軌匹配等效錐度為0.28～0.30，根據(jù)理論分析和運用經(jīng)驗，動車組車能仍具有進(jìn)一步延長鏇修周期的余量。

6 結(jié)論

由于影響車輪磨耗的因素較多且復(fù)雜，目前通過仿真計算和臺架試驗尚不能準(zhǔn)確模擬預(yù)測高速動車組的車輪磨耗，通過選取多列高速動車組在多條線路開展線路跟蹤測試，分析總結(jié)高速動車組實際運用中的車輪磨耗特性，并針對出現(xiàn)的輪軌匹配不良問題進(jìn)行新型踏面設(shè)計及驗證。

（1）運行車次（包括停站數(shù)量、鋼軌廓形、曲線分布等）對車輪磨耗影響較為突出。

（2）氣候環(huán)境對車輪磨耗有一定影響，建議磨耗速率較大的季節(jié)按時鏇修，而其他季節(jié)可適當(dāng)延長鏇修周期，提高車輪使用壽命；輪徑較小時可適當(dāng)縮短鏇修周期，同時可開展車輪硬度適度提升研究。

（3）自主設(shè)計的新型高速動車組車輪踏面外形改善了輪軌匹配關(guān)系，更加適應(yīng)我國的線路狀態(tài)，在中國標(biāo)準(zhǔn)動車組上的運用狀態(tài)良好。