某型軌道車輛輪緣異常磨耗問題研究

王云朋， 李曉峰， 李文學(xué)

(中車長春軌道客車股份有限公司 轉(zhuǎn)向架研發(fā)部, 長春 130062)

車輪做為轉(zhuǎn)向架重要組成部件，可在鋼軌上滾動并能承擔(dān)車輛的全部質(zhì)量，同時還承受從車體、鋼軌兩方面?zhèn)鬟f來的其他各種靜、動載荷,另外還具有導(dǎo)向、傳遞驅(qū)動力和制動力的功能。當(dāng)車輛通過曲線時，輪緣與鋼軌貼靠，造成輪緣和鋼軌的磨耗。車輛的曲線通過性和直線穩(wěn)定性是矛盾的[1]，輪對的輪徑差大，曲線通過性好，但也帶來了等效錐度大，高速穩(wěn)定性降低，一般根據(jù)項目需要綜合考慮。劉宏友等[2]針對我國青藏鐵路客車車輪異常磨耗問題進行了調(diào)研，并對輪對旋修問題進行了經(jīng)濟性分析，認(rèn)為在限度內(nèi)輪緣厚度越小旋修越經(jīng)濟。

圖1 輪軌接觸形式

輪緣厚度作為運行安全性要求，影響列車的防脫軌性能及道岔幾何通過性能，因此在車輛運行維護時定期檢測輪緣厚度等踏面參數(shù)，輪緣厚度方向磨耗超過給定標(biāo)準(zhǔn)時，需進行踏面旋修，為恢復(fù)輪緣厚度而進行的修復(fù)性旋修是影響車輪使用壽命的主要原因，國內(nèi)多采用薄輪緣經(jīng)濟旋修方案來避免。

1 問題描述

某出口項目鐵路客車在運用過程中，用戶反饋車輪輪緣磨耗異常，磨耗速率偏快，導(dǎo)致旋修周期縮短，嚴(yán)重影響車輪使用壽命。圖2給出了實測車輪輪緣異常磨耗情況，圖3是車輛踏面外形圖。整個輪緣內(nèi)側(cè)及根部都有磨損，根據(jù)現(xiàn)場測量車輛運行1萬km輪緣磨耗量達2～3 mm，旋輪周期不到5萬km。

車輛設(shè)計速度為120 km/h，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖4所示，一系定位結(jié)構(gòu)采用軸箱轉(zhuǎn)臂式定位，同時為提高車輛高速穩(wěn)定性，加裝了抗蛇行減振器，車輪踏面外形為用戶自主設(shè)計且已批量運用，踏面部分為近似錐形踏面，與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌匹配等效錐度為0.053。

該客車自2016年出口某國家，車輛上線后運行不久，用戶即反饋車輪輪緣磨耗異常，輪緣厚度方向磨耗較快，車輪旋修周期較短，繼續(xù)下去將嚴(yán)重影響車輪使用壽命。從圖2中可以看出踏面中間滾動圓位置磨耗很小，而輪緣厚度方向磨耗卻很大，滾動圓與輪緣之間有部分區(qū)域始終不與鋼軌接觸。以該輪緣異常磨耗問題為例，分析其問題原因，并給出相應(yīng)的措施。

圖2 輪緣異常磨耗情況

圖3 車輛踏面外形

圖4 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)示意

2 問題分析

針對造成輪緣異常磨耗的可能因素(如圖5所示)，從線路、車輛、車線匹配3個方面進行調(diào)查、測試，利用踏面測量儀、軌道測量儀對車輪踏面形狀、軌道參數(shù)及軌廓形狀進行跟蹤測量，同時利用加速度傳感器、位移傳感器對車輛運行性能進行測試，以便為后續(xù)分析輪緣異常磨耗原因提供足夠的數(shù)據(jù)支持。

根據(jù)調(diào)查，發(fā)生輪緣異常磨耗的線路，全長750 km，其中前500 km左右，主要以直線和大曲線為主，速度一般80～100 km/h。后250 km左右，主要以山區(qū)線路為主，線路曲線較多，且曲線半徑較小，小曲線速度一般40～60 km/h。輪緣異常磨耗主要發(fā)生在山區(qū)線路的小曲線上。

圖5 輪緣異常磨耗響應(yīng)因素

2.1 線路因素分析

因為輪緣異常磨耗主要發(fā)生在山區(qū)線路曲線較多的線路，所有線路調(diào)查主要集中在山區(qū)曲線上，根據(jù)用戶提供的線路圖，針對不同半徑曲線進行軌距、外軌超高、軌距加寬、軌底坡等軌道參數(shù)進行實際測量，按照實測結(jié)果，軌道參數(shù)均符合設(shè)計要求。車輛在經(jīng)過曲線時的速度符合線路圖上車輛限速要求，未平衡加速度(或欠超高)很小，不會因為車輛曲線通過速度過大造成輪緣異常磨耗。

鋼軌的磨損，在曲線半徑較小的線路上，特別是R180 m、R200 m的小曲線上，外軌鋼軌磨損較重，部分小曲線軌道上設(shè)有輪緣潤滑裝置，其鋼軌磨損相對較小。但是因為小曲線主要集中在山區(qū)線路，線路坡道較多且坡度較大，為防止輪緣潤滑裝置油脂轉(zhuǎn)移到踏面上，影響輪軌間摩擦系數(shù)，造成車輪打滑，無法增加軌道上輪緣潤滑裝置數(shù)量。

圖6 曲線外軌磨損(R180 m)

根據(jù)對線路因素的調(diào)查分析，造成輪緣磨耗較快的原因在于山區(qū)線路曲線較多，曲線半徑較小、同時又無法增加軌道輪緣潤滑數(shù)量。

2.2 車輛因素分析

2.2.1一系定位剛度

為分析一系定位剛度對車輪磨耗的影響，通過建立多體動力學(xué)仿真模型，按照實際運行線路及限速設(shè)置，計算不同定位剛度對整車磨耗功率的影響。本項目轉(zhuǎn)向架采用軸箱轉(zhuǎn)臂式定位，一系橫向和垂向定位剛度設(shè)計值分別為6 MN/m、10 MN/m。

計算結(jié)果表明，整車磨耗功率隨縱向定位剛度降低而降低，而橫向定位剛度對整車磨耗功率基本無影響。當(dāng)縱向定位剛度從10 MN/m降低至4 MN/m時，整車磨耗功下降率最大21.7%，但對于輪緣磨耗較大的R180 m、R200 m小曲線，整車磨耗功率下降為14.2%。見表1。

但一系縱向定位剛度直接影響車輛的運動穩(wěn)定性，在降低輪緣磨的同時，還應(yīng)兼顧穩(wěn)定性。動力學(xué)仿真分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)一系縱向定位剛度從10 MN/m降低至8 MN/m以下時，隨著車輪踏面磨耗增加，等效錐度逐漸增大，車輛的臨界速度顯著減低，可能造成在車輪旋修周期后期車輛失穩(wěn)。

綜上，在保證車輛運行安全的前提下，一系縱向剛度可降低至8 MN/m，而相應(yīng)的整車磨耗下降率最大只有4.4%，對車輪輪緣磨耗的改善效果非常有限。

表1 磨耗功率隨節(jié)點縱向剛度變化率 %

2.2.2抗蛇行減振器

車輛進入曲線時，車體與轉(zhuǎn)向架之間的回轉(zhuǎn)阻力會增加導(dǎo)向軸外側(cè)車輪與鋼軌之間的貼靠力，根據(jù)EN 14363《鐵路車輛防出軌和防翻轉(zhuǎn)能力》標(biāo)準(zhǔn)給定公式，回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)定義為c=T/(Q×d)，車輛與轉(zhuǎn)向架最大轉(zhuǎn)動角度A(車輛通過R180 m曲線)，T=A×ds×Ksx×2ds，其中：

T為轉(zhuǎn)向架相對車體旋轉(zhuǎn)所需要的力矩；

Q為轉(zhuǎn)向架車軸在平直軌道上測得的平均軸重；

d為轉(zhuǎn)向架軸距；

Ksx為空氣彈簧橫向靜剛度；

ds為空氣彈簧橫向跨距之半。

回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)計算結(jié)果如表2所示，其計算結(jié)果滿足EN 14363標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車體與轉(zhuǎn)向架之間回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)不超過0.1的要求。

表2 回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)計算

為進一步驗證抗蛇行減振器對輪緣磨耗的影響，分別選取4輛車進行對比試驗驗證，其中2輛車為新旋修車輪，2輛車為輪緣即將磨耗到限車輪，然后每組各選擇1輛車拆除抗蛇行減振器，具體工況見表3。測試結(jié)果表明，無論新輪還是磨耗車輪，有、無抗蛇行減振器對于輪緣磨耗無明顯影響，磨耗量相當(dāng)，圖7給出了測試結(jié)果對比。

表3 測試工況

另外，通過新輪和磨耗輪車輛線路對比測試(山區(qū)線路往返一次)，磨耗輪的輪緣磨耗量明顯小于新輪，測試結(jié)果見圖8，因此建議車輛旋輪后先在非山區(qū)線路上運行一段時間后，然后再到山區(qū)線路上運行，根據(jù)用戶反饋該措施可將旋輪周期由原來的5萬km左右延長到15萬km左右。

圖7 有無抗蛇行減振器輪緣磨耗結(jié)果對比

圖8 輪緣磨耗量對比測試

2.2.3在線測試

根據(jù)線路動力學(xué)測試結(jié)果，車輛運行平穩(wěn)性、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)測試時輪軌接觸視頻監(jiān)控，輪緣磨耗主要發(fā)生在通過小半徑曲線時，見圖9。

2.3 輪軌匹配

2.3.1輪軌硬度匹配

根據(jù)用戶提供資料，鋼軌硬度260～300 HB，而車輪采用的材質(zhì)為ER9，根據(jù)車輪表面硬度測量數(shù)據(jù)，新旋輪狀態(tài)車輪滾動圓表面硬度多數(shù)集中在280～300 HB之間，按照以往的研究和經(jīng)驗，鋼軌硬度與車輪硬度比值在1.0～1.2之間時，車輪與鋼軌的磨耗速度相對較低。而且參照歐洲鐵路輪軌硬度的匹配原則，歐洲鐵路鋼軌硬度也是260～300 HB，車輪一般采用ER7和ER8材質(zhì)，而該車所選ER9材質(zhì)已經(jīng)高于歐洲常用車輪硬度。

圖9 實際振動狀態(tài)

2.3.2輪軌型面匹配

通過分析輪軌接觸幾何關(guān)系可知：(1)由于車輪踏面為錐形踏面，輪徑差隨輪對橫移量變化關(guān)系斜率約為0.053的直線，等效錐度為0.053；(2)從接觸點位置分布來看，由于踏面名義滾動圓附近接觸點和輪緣附近接觸點沒有中間過渡點，在輪對橫移量為8 mm內(nèi)等效錐度、輪徑差、接觸角差較小且基本不變，在通過小半徑曲線時輪緣易與鋼軌貼靠，由于等效錐度較小，無法實現(xiàn)蠕化力導(dǎo)向，完全依靠輪緣導(dǎo)向，進而引起較大的輪緣磨耗[6]，如圖10所示。

圖10 原始踏面軌接觸幾何關(guān)系

根據(jù)自由輪對純滾動經(jīng)過曲線示意圖如圖11，曲線半徑越小、等效錐度越小，純滾線偏離軌道中心線越遠(yuǎn)。而輪軌間隙只有9 mm，所以車輛通過小半徑曲線時容易輪緣貼靠，這就需要借助輪緣導(dǎo)向來通過曲線了。

綜上論述，現(xiàn)有車輪踏面與鋼軌匹配存在等效錐度偏低，車輛通過曲線過程中無法提供足夠輪徑差，主要借助輪緣貼靠來通過曲線，從而造成輪緣嚴(yán)重磨耗。

3 車輪踏面優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)2.3節(jié)輪軌型面匹配分析，目前采用的錐形踏面，接觸角差小，輪徑差小，無法在通過曲線時提供足夠的輪徑差和恢復(fù)力，導(dǎo)致車輪輪緣磨耗嚴(yán)重。因此，通過優(yōu)化車輪踏面外形來研究其對緩解車輪輪緣磨耗的影響。目前，車輪踏面優(yōu)化設(shè)計主要方法包括輪軌踏面同步設(shè)計方法、基于鋼軌型面的擴展方法、滾動半徑差曲線法、接觸角曲線法，前兩種對設(shè)計經(jīng)驗依賴性較大，而后兩種方法是轉(zhuǎn)化為對輪軌幾何接觸曲線優(yōu)化的問題。而實際上評估車輪踏面外形的目標(biāo)并不是單一的，既要考慮車輛動力學(xué)問題，還需考慮與軌道的接觸問題，輪軌磨耗問題等，逐漸發(fā)展起來了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法，常用遺傳算法和響應(yīng)面方法進行數(shù)值求解[3]。

以既有踏面為基礎(chǔ)，其以輪徑差為目標(biāo)，建立以踏面外形誤差最小化為目標(biāo)的最優(yōu)化模型，在已知初始的踏面、軌面外形和輪徑差曲線的基礎(chǔ)上，給定輪軌初始接觸點位置，采用循環(huán)迭代的數(shù)值計算方法，得出最優(yōu)的踏面反向設(shè)計參數(shù)流程見圖12以及與初始踏面基本一致的踏面外形。與其他方法不同的是，本計算方法在滿足輪徑差的同時，可根據(jù)需要控制設(shè)計出的踏面外形以及輪軌初始接觸點位置[5]。

(1)新優(yōu)化設(shè)計的踏面如圖13所示，可知：設(shè)計的踏面外形未改變輪緣外形，從而保證道岔幾何通過安全性；

(2)在名義滾動圓外側(cè)40 mm以外的外形與原始踏面一致；

(3)名義滾動圓附近外形做了局部細(xì)微修改；

(4)修正名義滾動圓和輪緣連接處外形，使其緩慢過渡。

圖13 新踏面與原始踏面對比

通過對新優(yōu)化設(shè)計的車輪踏面進行輪軌接觸幾何關(guān)系分析，結(jié)果見圖14，從中可以看出：

①新設(shè)計的車輪踏面在輪對橫移3 mm時的等效錐度為0.05，與原踏面等效錐度一致；

②在輪對橫移4～8.3 mm范圍內(nèi)，設(shè)計踏面的等效錐度和輪徑差隨著橫移量增加而逐漸增大，較原踏面增大1～3倍，有利于車輛的曲線通過；

③在輪軌接觸點分布方面，踏面名義滾動圓附近接觸點和輪緣附近接觸點中間過渡點增加，輪軌接觸帶寬增大，有利于減小車輪踏面在常接觸區(qū)內(nèi)的磨耗。

為驗證優(yōu)化踏面對減緩輪緣磨耗的效果，通過動力學(xué)仿真分析，按照實際線路和運行限速設(shè)置，計算結(jié)果表明：優(yōu)化踏面的磨耗指數(shù)明顯降低，可降低約35.9%～44.36%，可有效改善輪緣磨耗；車輛的運行平穩(wěn)性、運動穩(wěn)定性、安全性等動力學(xué)指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論及建議

針對某車輛出現(xiàn)的輪緣異常磨耗問題，通過對線路、車輛、車線匹配3個方面的調(diào)查和分析：

(1)輪緣異常磨耗主要原因為運行線路中存在較多的半徑小于200 m的曲線，輪軌型面匹配時接觸角差和輪徑差較小。

(2)雖然降低一系縱向定位剛度可一定程度減緩輪緣磨耗，但同時還需兼顧車輛穩(wěn)定性，因此在有限范圍內(nèi)降低一系縱向定位剛度，計算分析其對減緩輪緣磨耗效果不明顯；抗蛇行減振器對輪緣異常磨耗無明顯影響。

圖14 新踏面軌接觸幾何關(guān)系

曲線半徑/m超高/mm通過速度/(km·h-1)磨耗指數(shù)原始踏面設(shè)計踏面減小%1807545923.91591.0335.92007045811.46519.03362008550814.62521.3735.993004545589.04362.8738.53009065634.64391.9438.34007065492.18293.1040.45005565449.96265.7040.976004565417.56232.9844.368003565377.04216.7242.7

(3)利用踏面反向設(shè)計方法對既有踏面進行優(yōu)化設(shè)計，計算結(jié)果表明其對降低磨耗有顯著效果，且車輛動力學(xué)性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)調(diào)查分析，為減緩輪緣磨耗，減少旋修，延長車輪使用壽命，建議如下：

(1)車輛和線路均增加輪緣潤滑裝置，既能降低車輪輪緣磨耗，也可降低鋼軌側(cè)磨；

(2)對優(yōu)化設(shè)計的踏面進行實際線路運用考核驗證；

(3)新旋修的車輛優(yōu)先安排在小半徑曲線較少的線路運行，待運行一定里程后可調(diào)至小半徑曲線較多的線路，經(jīng)實際驗證可將旋輪周期由5萬km左右延長到15萬km左右；