CRH1型動車組輪緣異常磨耗研究及解決方案

王開團， 張現鋒， 周海廷， 姜 靚

(青島四方龐巴迪鐵路運輸設備有限公司, 山東青島 266111)

CRH1型速度250 km/h動車組于2009年開始運營，主要配屬在上海及福州動車段，在運行過程中發(fā)現輪緣磨耗較大，特別是配屬在福州南動車所的動車組輪緣出現較嚴重的偏磨現象，一個旋修周期內同一輪對左右車輪輪緣磨耗量最大相差接近4 mm。

1 問題描述

2009年CRH1B/1E開始在上海局運行， CRH1A-250型動車組開始在福州運行。在運行過程中發(fā)現輪緣有磨耗現象，且配屬福州南動車所的動車組出現輪緣偏磨現象見圖1～圖2。對CRH1A-1081動車組第一次旋修前的輪緣測量發(fā)現，在動車組進庫方向左側輪緣磨耗嚴重，右側車輪磨耗較輕，左右側磨耗量最大相差接近4 mm，車輪旋修量較大，普遍超過了10 mm。通過旋修數據進行評估，車輪壽命平均約為160萬km。

圖1 CRH1A-1081第一次旋修輪緣磨耗和輪徑旋修量統(tǒng)計

圖2 輪緣磨耗

2 輪緣磨耗調查

青島四方龐巴迪鐵路運輸設備有限公司(簡稱BST)對車輪踏面及輪緣磨耗情況、車輪旋修、運行線路、車組運行情況等進行了調查，分析動車組車輪的實際磨耗情況及原因。

2.1 運行線路

CRH1型動車組主要配屬在上海南翔動車所、福州動車所和福州南動車所，主要運行線路為上海—南京、上?！Ｖ?、福州—廈門等線路，部分線路為既有線見圖3～圖4。

通過對線路調查，發(fā)現主要在通過道岔及小曲線時，軌道側面有與輪緣磨擦痕跡，在各動車所的小曲線和道岔處軌側均有磨耗情況，在軌道底部有金屬碎屑。

圖3 上海南翔動車所道岔的磨損情況

根據對車輪輪緣磨耗情況的調查，輪緣偏磨主要出現在福州南動車所的動車組，重點對福州南進出庫線路進行了調查。福州南動車所至福州南站間為一燈泡形進出庫線路，線路最小半徑為300 m，線路超高為15 mm，曲線加寬為5 mm(即軌距為1 440 mm)，沒有設置軌底坡,進出庫速度35 km/h。

圖4 福州南動車所燈泡形進出庫線路

通過對現場軌道檢查，發(fā)現在曲線內側軌道磨耗部位正常，外側軌道側面磨耗嚴重，部分部位磨耗量達到10 mm，在軌道底部散布大量金屬碎屑。

發(fā)生輪緣偏磨的原因為軌道超高設置和通過速度不匹配，同時軌道磨損后沒有及時修復，軌道沒有設置軌底坡等導致外側車輪輪緣與軌道磨耗嚴重，導致左右側車輪輪緣偏磨見圖5。

圖5 燈泡形曲線外側和內側軌道磨耗情況

2.2 車輪磨耗調查

BST對上海和福州動車組車輪使用Miniprof進行了測量，共測量了296個車輪。調取了上海和福州動車所相關的車輪旋修數據并進行了分析。車輪磨耗的相關情況為：

(1)調查的動車組的平均旋修里程為31.4萬km，略大于規(guī)定的旋修周期25～30萬km；

(2)南翔動車所的CRH1B動車組每10萬km平均輪緣磨耗量為0.63 mm，CRH1E為每10萬km，0.79 mm，福州動車所的CRH1A-A動車組每10萬km為0.57 mm，福州南動車所的動車組每10萬km輪緣平均磨耗量左側為1.5 mm、右側為0.68 mm，福州南輪緣磨耗量較大且發(fā)生了偏磨。各車輪的輪緣厚度、輪緣高度及QR值等沒有超過運用限度要求，在正常線路上運行的動車組的輪緣磨耗處于正常的磨耗水平。

2.3 跟車調查

BST對動車組的主要線路進行了跟車調查，主要記錄發(fā)生輪緣磨擦聲音的線路和時間見表1，發(fā)現輪緣磨擦主要發(fā)生在進出庫線路和既有線路的道岔和小曲線處。

表1 輪緣磨擦聲音分布統(tǒng)計

2.4 原因分析

根據以上調查，輪緣磨耗主要發(fā)生在進出庫和既有線路的道岔和小曲線處，特別是當道岔和曲線處的軌道外形在磨損后沒有及時修復，以及小曲線超高等與通過速度匹配不當，是造成輪緣異常磨耗的主要原因。

3 解決方案研究

根據調查分析結果，減輕輪緣磨耗主要從以下幾方面考慮：

(1)對道岔及小曲線線路進行調整和及時維護；

(2)對道岔和小曲線處的軌道側面進行潤滑，減小輪軌磨擦系數；

(3)對動車組進行改進，減小動車組運行時的輪軌橫向力和磨擦功，減輕輪緣磨耗。

3.1 線路調整

根據調查的線路情況，特別是福州南燈泡形曲線，解決方案包括：

(1)對線路及時維護，及時維修或更換磨耗嚴重的軌道，避免輪軌接觸部位和接觸面積發(fā)生較大變化，加劇輪緣和軌側磨損。

(2)提高線路質量，設置正確的軌底坡等軌道參數。

(3)確定合理的通過速度。根據現有的軌道曲線和超高對通過速度進行了計算，當不考慮欠超高的情況下，最高通過速度為19 km/h，故建議通過速度不超過15 km/h，以減輕通過曲線時的輪軌橫向力，減輕輪緣磨耗。后期可根據重新設置的超高等參數及時調整通過速度。

3.2 軌道潤滑

在道岔和小曲線外軌內側軌面涂油潤滑，可有效降低輪緣與軌道間的磨擦系數，降低輪緣磨耗。

3.3 車輛改進

降低動車組運行時的輪軌橫向力和一系剛度，可減輕輪緣磨耗。結合CRH1型動車組轉向架綜合加改，經過研究分析，采用新型LMD踏面和降低一系定位節(jié)點，在保證動車組整體動力學性能的前提下，可有效降低輪緣磨耗。

在轉向架綜合加改時，新設計的LMD踏面同時考慮了減輕踏面和輪緣磨耗，LMD踏面較LMA踏面輪軌接觸區(qū)域面積更寬、更均勻，接觸區(qū)應力降低，輪緣磨擦功低于6 000 W，可有效降低踏面和輪緣磨耗。同時，每隔0.5 mm設計了LMD系列薄輪緣踏面，降低因輪緣磨耗導致的輪徑旋修量，見圖6～圖7。

圖6 踏面接觸點范圍

圖7 踏面接觸應力

經分析研究，在保證動車組綜合動力學性能的前提下，一系定位節(jié)點的縱向剛度由24 kN/mm降低到12 kN/mm，一系剛度的降低可降低動車組通過道岔和小曲線時的橫向力，降低輪緣磨耗，提高曲線通過性能。根據計算，一系定位節(jié)點縱向剛度降低在不同線路條件下可降低輪緣磨耗9%～25%。

4 方案實施及效果

按照對輪緣偏磨改善措施的分析，福州段按改善效果高低依次采取了如下措施：根據軌道條件降低了動車組通過速度；對福州南動車所燈泡形曲線線路進行調整，更換受損的鋼軌、改善軌道軌底坡及超高設置；在曲線外軌內側面定期涂油潤滑。通過這些措施有效解決了輪緣偏磨問題。

BST結合轉向架綜合加改，更換為低縱向剛度一系定位節(jié)點，將車輪踏面由LMA旋修為LMD，并在運用中采用LMD薄輪緣旋修，減輕通過曲線及道岔時的輪緣磨耗，減小車輪旋修時的徑向旋修量。

通過CRH1A-1081在采取上述解決方案后的第4次旋修數據可以看出，在一個旋修周期內車輪沒有出現偏磨的現象，車輪輪緣磨耗很輕，旋修量基本在2～4 mm，車輪平均壽命提高到約400萬km，見圖8。

圖8 CRH1A-1081第4次旋修輪緣磨耗和輪徑旋修量統(tǒng)計

5 結束語

通過對CRH1型動車組運行后出現的輪緣異常磨耗的調查，找到了輪緣異常磨耗的原因。經過理論計算和分析研究，提出了線路和車輛的解決方案，經實施后驗證，解決了輪緣異常磨耗問題，降低了輪緣磨耗和輪徑旋修量，提高了車輪壽命。

為避免車輪偏磨的產生和減輕輪緣磨耗，在后續(xù)線路及車輛設計及運行中建議采取如下措施：

(1)盡量避免采用類似福州南動車所半徑過小的燈泡形曲線，以免通過速度過低影響運行效率及加劇車輪輪緣磨耗。

(2)對線路及時進行維護，特別是小曲線和道岔處的軌道，如出現磨耗應及時進行修復。

(3)設置合理的曲線參數，如曲線超高、曲線加寬及軌底坡等。

(4)設置合理的車輛曲線通過速度。

(5)設置合理的轉向架一系定位剛度，選擇合適的車輪踏面及懸掛參數，減輕通過曲線時的輪緣磨耗。

(6)在小曲線及道岔處增加軌道側面潤滑裝置，其效果將優(yōu)于車載輪緣潤滑裝置。

(7)如有條件動車組定期換端及換線路運行。