標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車輪磨耗特征研究

范 軍，王 鵬，劉孟奇，李 偉

（1.中車長春軌道客車股份有限公司， 長春130062;2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都610031）

隨著我國高速鐵路快速發(fā)展，對(duì)核心技術(shù)掌握的需求越來越迫切。對(duì)于高速動(dòng)車組來說，轉(zhuǎn)向架技術(shù)作為核心關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)車輛安全平穩(wěn)運(yùn)行起決定作用。輪軌關(guān)系又是高速轉(zhuǎn)向架技術(shù)的核心問題，輪軌接觸關(guān)系具有強(qiáng)非線性特征，直接影響轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能。我國高速鐵路的輪軌匹配狀態(tài)較為復(fù)雜，不同型號(hào)動(dòng)車組車輪型面不同，不同線路鋼軌實(shí)際打磨外形亦有差異，對(duì)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架采用了自主研發(fā)設(shè)計(jì)的車輪踏面外形，從正向設(shè)計(jì)思路確定了懸掛參數(shù)，相比引進(jìn)的動(dòng)車組有明顯差異，因此有必要研究標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車輪磨耗特征發(fā)展規(guī)律。

羅仁等[1]建立了車輛多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和車輪磨耗耦合模型，通過仿真方法預(yù)測(cè)車輪型面的磨耗，可為高速列車的安全可靠運(yùn)行提供指導(dǎo)。肖廣文等[2]考察了LM、LMA、S1002和XP55等4種車輪踏面對(duì)高速客車動(dòng)力學(xué)性能的影響，指出LMA型車輪踏面與1353 mm的輪對(duì)內(nèi)側(cè)距匹配具有較好的動(dòng)力學(xué)性能。王憶佳等[3]根據(jù)線路上實(shí)際測(cè)量的高速車輛車輪踏面外形，分析了不同磨耗里程下S1002G踏面的輪軌接觸幾何關(guān)系的變化規(guī)律。梁樹林等[4]在分析高速輪軌匹配特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)曲線踏面磨耗情況確定了CRH3 動(dòng)車組選用3 個(gè)典型車輪踏面（XP55、S1002CN 和LMA）可以達(dá)到的最高商業(yè)運(yùn)營速度。馬曉川等[5]建立車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算和分析LMA型面的車輪在不同磨耗程度下與60N鋼軌匹配時(shí)高鐵車輛直線運(yùn)行過程中車輪的等效錐度和輪軌動(dòng)態(tài)接觸點(diǎn)位置及平穩(wěn)性、脫軌系數(shù)等指標(biāo)。張旭[6]以某動(dòng)車所CRH380A 型動(dòng)車組為研究對(duì)象，采集現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用的動(dòng)車組踏面磨耗數(shù)據(jù)，應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件UM 建立高速車輛動(dòng)力學(xué)模型，得出踏面磨耗對(duì)動(dòng)車組車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的具體影響。曾元辰等[7]提出基于離散點(diǎn)直接積分的磨耗面積表征方法，結(jié)合動(dòng)力學(xué)建模與仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究踏面凹形磨耗對(duì)高速列車動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律。李國棟等[8]研究了改進(jìn)的LMB_10 型車輪踏面輪軌匹配關(guān)系。文獻(xiàn)[9-12]研究了車輪踏面外形的磨耗演變規(guī)律、踏面外形優(yōu)化以及對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響。Meink 等[13]指出動(dòng)靜態(tài)不平衡可能引起車輪多邊形。通過有限元彈性振動(dòng)模型，陳光雄等[14]指出輪軌系統(tǒng)自激振動(dòng)可能引起車輪多邊形磨耗。陶功權(quán)等的研究[15]表明輪對(duì)的1 階彎曲共振是電力機(jī)車多邊形磨耗的根本原因。吳興文等[16]研究表明高速列車車輪多邊形是由于其通過軌枕時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)沖擊而引起。金學(xué)松等[17]系統(tǒng)闡述了車輪非圓化磨耗對(duì)車輛/軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為、車輛噪聲的影響；分析了列車車輪非圓化磨耗發(fā)展規(guī)律和列車車輪多邊形磨耗機(jī)理；討論了列車車輪非圓化磨耗檢測(cè)技術(shù)。

目前大多數(shù)研究主要針對(duì)CRH2 系列或者CRH380 系列高速動(dòng)車組。本文針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組輪軌磨耗進(jìn)行了跟蹤測(cè)試，分析了實(shí)測(cè)車輪型面和TB60鋼軌匹配的輪軌接觸幾何關(guān)系，在不同運(yùn)營速度和線路條件下，總結(jié)出多邊形磨耗特征和相關(guān)影響因素，上述結(jié)果為進(jìn)一步的相關(guān)研究提供參考。

1 車輪踏面橫向磨耗

1.1 磨耗演變規(guī)律

通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組一個(gè)鏇修周期的車輪磨耗進(jìn)行跟蹤測(cè)試，獲得動(dòng)車組全列車不同運(yùn)行里程下的車輪踏面外形。下述分析運(yùn)行里程、運(yùn)行線路、載客量、不同生成廠家車輪等因素對(duì)車輛磨耗的影響。

圖1 實(shí)測(cè)車輪廓形及磨耗分布

圖1給出了不同運(yùn)行里程下根據(jù)列車跟蹤測(cè)試所得的車輪踏面外形變化及踏面磨耗量。圖中實(shí)線為實(shí)測(cè)車輪廓形，可通過對(duì)每次全部車輪測(cè)試結(jié)果平均獲得，虛線為踏面磨耗量，為實(shí)測(cè)車輪踏面外形與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)踏面外形相減獲得。踏面磨耗分布主要分布在名義滾動(dòng)圓附近-30 mm～+30 mm 范圍內(nèi)，最大磨耗深度分布在名義滾動(dòng)圓附近。

跟蹤期間動(dòng)車組運(yùn)行主要包括兩個(gè)階段，第1階段約0～13萬公里時(shí)在鄭徐客專運(yùn)行，第2階段約13～30萬公里時(shí)主要在哈大客專運(yùn)行。圖2(a)和圖2(b)中利用箱型圖給出車輪踏面和輪緣磨耗量隨運(yùn)行里程和線路的變化。

踏面磨耗量隨運(yùn)行里程基本呈線性增長，第2階段的踏面磨耗速率略大于第1 階段。第2 階段為載客運(yùn)行，第1 階段為空載試驗(yàn)，隨著載重量增加，車輪踏面磨耗速率增大。第2階段運(yùn)行時(shí)的季節(jié)為北方秋冬季節(jié)，氣候干燥，輪軌摩擦系數(shù)較大，磨耗速率偏快，其他型動(dòng)車組車輪磨耗也呈現(xiàn)相似規(guī)律。輪緣磨耗速率由0.034 mm/萬公里增加到0.077 mm/萬公里，這是由于換線運(yùn)行造成，不同線路條件下輪軌匹配關(guān)系會(huì)有差異，當(dāng)輪緣損失量均值達(dá)到2.7 mm時(shí)，輪緣磨耗量不再增加。

圖3(a)和圖3(b)中分別利用分布圖和柱狀圖給出車輪輪緣厚度隨運(yùn)行里程和線路的變化趨勢(shì)。從分布圖中可以明顯看出車輛運(yùn)行在鄭徐線時(shí)，左右側(cè)輪緣厚度相當(dāng)，當(dāng)在哈大線運(yùn)行時(shí)，右側(cè)輪對(duì)輪緣厚度整體高于左側(cè)0.6 mm～0.8 mm，具有輕微偏磨現(xiàn)象。

對(duì)于高速列車，允許的凹坑磨耗深度不能超過0.2 mm，圖4和圖5分別給出了鋼軌軌頭現(xiàn)場(chǎng)照片和車輪凹坑磨損值。在車輪鏇后16 萬公里個(gè)別車輪出現(xiàn)凹坑磨損，并且在鏇后27.3萬公里出現(xiàn)超過0.2 mm的凹陷磨損。凹坑磨損主要與高速軌道平直度標(biāo)準(zhǔn)很高有關(guān)[18]。

我國高速動(dòng)車組從引進(jìn)時(shí)一直采用進(jìn)口ER8材質(zhì)的車輪，在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組上首次對(duì)國內(nèi)廠家D2材質(zhì)的車輪進(jìn)行了運(yùn)用試驗(yàn)。圖6給出了在同一列車上國內(nèi)廠家與國外廠家的車輪磨耗對(duì)比，在車輛跟蹤周期內(nèi)，不同廠家車輪踏面磨耗量基本相當(dāng)。

圖2 實(shí)測(cè)車輪踏面和輪緣磨耗速率

圖3 輪緣厚度變化規(guī)律

圖4 鋼軌軌頭磨耗狀態(tài)

圖5 車輛凹坑磨損統(tǒng)計(jì)結(jié)果

1.2 輪軌接觸幾何關(guān)系分析

圖6 3種廠家車輪磨耗量變化規(guī)律

輪軌接觸幾何關(guān)系是分析車輛動(dòng)力學(xué)、輪軌相互作用等研究的基礎(chǔ)[19]。利用實(shí)測(cè)車輪型面與標(biāo)準(zhǔn)TB60 鋼軌匹配進(jìn)行輪軌接觸幾何分析。計(jì)算時(shí)軌距為1 435 mm，軌底坡為1/40，輪對(duì)內(nèi)側(cè)距為1 353 mm，同一輪對(duì)左右車輪采用相應(yīng)的實(shí)測(cè)廓形。輪對(duì)橫移量考慮為-12 mm～12 mm，間隔0.5 mm。圖7給出了不同磨耗時(shí)期的接觸點(diǎn)對(duì)分布情況。隨著踏面磨耗量增加，接觸點(diǎn)分布由集中在名義滾動(dòng)圓附近發(fā)展到分散在名義滾動(dòng)圓兩側(cè)，接觸點(diǎn)的變化引起了實(shí)際輪徑差、接觸角的變化，影響了輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng)特性。

圖7 不同運(yùn)營里程下輪軌接觸點(diǎn)對(duì)變化

輪軌接觸點(diǎn)分布隨車輪磨耗的改變直接體現(xiàn)在輪軌匹配等效錐度上。等效錐度是描述輪軌幾何接觸狀態(tài)的重要指標(biāo)，直接影響車輛的蛇行穩(wěn)定性[11]。圖8為跟蹤測(cè)試的車輪踏面外形與TB60 鋼軌匹配的名義等效錐度，按照UIC-519標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行計(jì)算，新輪狀態(tài)等效錐度約0.1，運(yùn)行里程為30萬公里時(shí)等效錐度約0.33～0.4，在運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)限值內(nèi)。在跟蹤周期內(nèi)，等效錐度的增長速率隨里程增加而減小，尤其在15～30萬公里后等效錐度增長減緩。

圖8 等效錐度變化規(guī)律

2 車輪踏面圓周磨耗

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組跟蹤測(cè)試期間運(yùn)行速度從350 km/h降到300 km/h，運(yùn)行線路從鄭徐線轉(zhuǎn)至哈大線，車輪直徑基本保持在900 mm～910 mm之間。

圖9給出了不同時(shí)期標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組非圓化的極坐標(biāo)和階次演變規(guī)律。

由圖9（b）可知，在鄭徐線上車輪集中表現(xiàn)出16、17邊形磨損現(xiàn)象，結(jié)合文獻(xiàn)[20]，在580 Hz附近，轉(zhuǎn)向架輪對(duì)和構(gòu)架存在模態(tài)耦合共振問題，這和車輪多邊形磨耗的形成密切相關(guān)。當(dāng)速度提高到350 km/h，多邊形波長增大，多邊形階數(shù)會(huì)降到16 或17階。多邊形波長計(jì)算公式可表示為

運(yùn)行在哈大線上時(shí)車輪主要表現(xiàn)出偏心和高階12、14、19、20、22和23邊形磨損。其中19、20邊形同樣是由于300 km/h速度下輪對(duì)和構(gòu)架的耦合共振而引起，12、14、22 和23 階多邊形激發(fā)的頻率依次是351 Hz、410 Hz、643 Hz 和672 Hz，結(jié)合文獻(xiàn)[22]，多邊形相關(guān)頻率與行車速度、軌枕間距以及軸距有關(guān)，主要和相鄰輪對(duì)之間的鋼軌第3階垂向彎曲模態(tài)相關(guān)。圖10給出時(shí)速為300公里/時(shí)的高寒車鏇后3萬公里的車輪階次和相關(guān)部件振動(dòng)加速度級(jí)示意圖，從圖10（a）看出車輪無明顯高階多邊形，但是圖10（b）顯示378 Hz、414 Hz、641 Hz 和672 Hz 處出現(xiàn)加速度級(jí)峰值，即相應(yīng)加速度級(jí)峰值頻率不是由車輪多邊形引起的，且與車輪的12、14、22和23邊形激振頻率一一對(duì)應(yīng)。說明在哈大線運(yùn)行時(shí)，軌道系統(tǒng)固有特性對(duì)車輪高階多邊形有所貢獻(xiàn)。

雖然哈大線上表現(xiàn)出的多邊形粗糙度值整體高于鄭徐線，但是沒有形成單一的尖峰，多邊形能量相對(duì)“分散”，它們?cè)诎l(fā)展過程中互相制約，不會(huì)對(duì)行車安全造成影響。

3 結(jié)語

通過對(duì)中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組開展車輪踏面磨耗跟蹤測(cè)試，分析總結(jié)了實(shí)測(cè)車輪廓形與標(biāo)準(zhǔn)TB60鋼軌匹配對(duì)輪軌接觸特性的影響以及多邊形發(fā)展演變規(guī)律。得出以下結(jié)論：

圖9 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車輪階次變化趨勢(shì)

圖10 某高寒車車輪階次和振動(dòng)加速度級(jí)測(cè)試結(jié)果

（1）車輪踏面磨耗分布在名義滾動(dòng)圓附近-30 mm～30 mm范圍內(nèi)，踏面磨耗深度與運(yùn)營里程基本呈線性關(guān)系。

（2）鏇后16 萬公里輪緣出現(xiàn)明顯凹坑磨損，接觸點(diǎn)對(duì)分布在凹坑兩側(cè)，造成等效錐度增長較快。

（3）在580 Hz附近轉(zhuǎn)向架輪對(duì)和構(gòu)架存在模態(tài)耦合共振問題，在350 km/h 和300 km/h 工況下分別形成16、17邊形和19、20邊形，在哈大線上運(yùn)行時(shí)形成的12、14、22 和23 邊形對(duì)應(yīng)351 Hz、410 Hz、643 Hz和672 Hz的振動(dòng)頻率，可能與軌道系統(tǒng)固有特性有關(guān)。