高速輪軌有害磨耗形成機(jī)理及其反饋負(fù)面影響研究

方照根，郭宸，樸明偉，李國棟，范軍

(1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011；2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028；3.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)*

磨耗輪軌接觸是提速軌道車輛系統(tǒng)非線性主要矛盾的主要方面，其動(dòng)力作用愈演愈烈并迫使轉(zhuǎn)向架懸掛特性產(chǎn)生非線性演變.我國高速度等級鐵路不能因此將其限定為客運(yùn)專線或?qū)＼噷＞€，而是要抓住輪軌接觸和轉(zhuǎn)向架懸掛兩大非線性影響因素，以輸入/相關(guān)激勵(lì)來把握正則/奇異攝動(dòng)相互轉(zhuǎn)變的辯證關(guān)系.

安全穩(wěn)定裕度不充裕是高速輪軌有害磨耗形成的根本原因，運(yùn)維實(shí)踐可以充分證明：其與輪軌關(guān)系并無十分明顯的相關(guān)性影響.周清躍認(rèn)為[1]：高速鐵路存在輪軌匹配問題，進(jìn)而提出了60 N軌頭型面修正設(shè)計(jì)，盡可能降低了磨耗敏感性影響.可是在鋼軌局部打磨處理后不久，有害磨耗還會在其它路段上時(shí)常發(fā)生.而全線鋼軌打磨處理累計(jì)誤差難以得到有效控制，進(jìn)而造成諸如CRH5動(dòng)車組的輪軌不良接觸問題.李國棟采用了車輪型面更新設(shè)計(jì)[2]，如LMB-10，其與鋼軌CN60KG/60N匹配，名義等效錐度λeN=0.05/0.1，更加趨于圓錐型接觸的極端情況，十分有利于在新車狀態(tài)下形成均勻磨耗.盡管如此，車輪局部下凹型踏面磨耗特征(簡稱凹坑磨耗)并未因此而發(fā)生任何改變.針對北美鐵路磨耗普查及磨耗輪軌不良接觸分析研究，Sawley和Fr?hling一致認(rèn)為[3-4]：車輪下凹型踏面磨耗存在有害影響，最大凹陷深度達(dá)到(2.0 ～ 3.0) mm，必須進(jìn)行鋼軌軌頭打磨修型或輪對鏇修處理.但是以小蠕滑或無自旋假設(shè)作為前提條件，翟婉明則認(rèn)為：考慮到2點(diǎn)接觸過渡所形成的緩解作用，該類車輪磨耗不會對車輪垂向力產(chǎn)生多大影響，僅僅使輪軌橫向力的變化幅值增大[5].結(jié)合高鐵運(yùn)維實(shí)踐，文獻(xiàn)[6]充分論證了德國ICE3系列轉(zhuǎn)向架原型設(shè)計(jì)缺陷.具體地，在側(cè)風(fēng)對車體擾動(dòng)或鋼軌打磨處理累計(jì)誤差的影響下，整車穩(wěn)定性態(tài)分析表明：其存在一次蛇行轉(zhuǎn)變?yōu)槎紊咝械目赡苄?，進(jìn)而形成了瞬間高速晃車現(xiàn)象.由于不合理的曲直比，金學(xué)松首次將有害磨耗定性為高速鐵路不可避免的磨耗特征[7].但是調(diào)轉(zhuǎn)或跨越不同高鐵干線的運(yùn)維實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：關(guān)聯(lián)線通過則產(chǎn)生了十分嚴(yán)重的輪緣側(cè)磨新問題.為此，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的層面上提出了以自適應(yīng)高速轉(zhuǎn)向架為核心的創(chuàng)新技術(shù)平臺建設(shè).不僅如此，在高鐵客運(yùn)需求快速增長而票價(jià)長期低位的發(fā)展形勢下，最新公布的《交通強(qiáng)國發(fā)展綱要》也首次明確了要盡快形成高速輪軌貨運(yùn)列車的關(guān)鍵技術(shù)突破.

由此可見，高鐵運(yùn)維要以較為充裕的安全穩(wěn)定裕度使高速度等級鐵路專線成為鐵路貨運(yùn)提速破解空車回送低動(dòng)力作用技術(shù)難題的有利條件，進(jìn)而擴(kuò)大鐵路投資收益，增強(qiáng)其可持續(xù)發(fā)展能力.而在自適應(yīng)高速轉(zhuǎn)向架研制中應(yīng)該積極推介動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及軟件分析方法，正確認(rèn)識并解決有害磨耗的力學(xué)本質(zhì)問題.結(jié)合相關(guān)科研工作，本文首先討論有害磨耗形成機(jī)理及其反饋負(fù)面影響，然后再闡述造成有害磨耗的兩大技術(shù)問題，即輪對自穩(wěn)定性與回轉(zhuǎn)阻力矩有效性，最后研討自適應(yīng)高速轉(zhuǎn)向架的技改方向.

1 有害磨耗形成機(jī)理

輪軌接觸具有幾何與力學(xué)雙重屬性，而滾徑差(或輪徑差)RRD是決定輪軌橫向動(dòng)態(tài)制衡關(guān)系的主要影響因素之一.考慮到菱形變位及承載鞍間隙誤差，三大件貨運(yùn)轉(zhuǎn)向架迫使車輪踏面產(chǎn)生凹陷磨耗，實(shí)際滾徑差RRD(Rolling Radial Difference)形成了負(fù)斜率變化，徹底喪失了重力剛度所形成的恢復(fù)力反饋響應(yīng)，從而造成十分嚴(yán)重的輪緣側(cè)磨問題[4]，其已經(jīng)構(gòu)成了較為重大的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題.早在我國鐵路貨運(yùn)提速至120 km/h時(shí)，就已經(jīng)制定并實(shí)行了三大件貨車轉(zhuǎn)向架改進(jìn)設(shè)計(jì)，如轉(zhuǎn)K6，改用彈性交叉桿裝置以增強(qiáng)菱形剛度，以八字形橡膠墊來消除承載鞍間隙誤差，標(biāo)本兼治，長期運(yùn)維實(shí)踐取得了預(yù)期的技術(shù)效果.

面對歐洲既有鐵路提速接觸幾何和我國高鐵有害磨耗2個(gè)普查分析結(jié)果[8 -10]，Polach似乎放棄了小幅蛇行安全論，繼而提出了非線性系數(shù)等新概念，試圖通過車輪型面更新設(shè)計(jì)來優(yōu)化踏面接觸光帶，以維系磨耗輪軌(近)線性關(guān)系[11 -12].十分遺憾，Polach再次丟掉了有害磨耗的力學(xué)本質(zhì)問題，即實(shí)際滾徑差RRD非線性突變/漸變及其主要影響因素.如某400 km/h動(dòng)車組的車輪型面更新設(shè)計(jì)，有效降低了磨耗敏感性影響，但是運(yùn)行里程約20萬公里，凹坑磨耗特征并未發(fā)生任何改變.

以德國ICE3系列轉(zhuǎn)向架原型作為研究對象，利用XP55來構(gòu)成與鋼軌CN60KG的輪軌匹配，等效錐度λe=0.06，直線350 km/h運(yùn)行，以英國小缺陷譜(ERRI B176)作為軌道不平順激擾輸入(不再贅述)，動(dòng)態(tài)仿真分析表明：如圖1所示，高速晃車導(dǎo)致車輪形成較為寬展的中央踏面磨耗，概率95 %，3/4位輪對橫移的均方差(RMS)22σ=5.596/5.589 mm，而概率99.85 %，(RMS)30σ=6.997/6.998 mm，小概率事件0.15 %，最大值MAX=8.2/ 8.1 mm.

注意：德國ICE3系列轉(zhuǎn)向架原型設(shè)計(jì)，車輪選用寬輪緣S1002G(輪緣增厚3.5 mm)；名義滾動(dòng)圓橫向跨距增大至1.5 m，輪背距不變以保證岔尖通過性，因而輪軌間隙有所縮小，名義等效錐度λeN=0.166；輪對縱向與橫向定位剛度12.0/12.5 MN/m；采用ZF Sachs 抗蛇行減振器T60，C=330 kN·s/m，K=4 MN/m.

以車輪型面LM或?qū)捿喚塖1002G(橫向跨距縮短至1 495.1 mm)來構(gòu)成λe=0.10的兩種輪軌匹配，在相同的軌道運(yùn)行條件下，如圖2和圖3所示，3/4位輪對車輪磨耗指數(shù)分布有所縮窄.由等效錐度和滾徑差曲線的過零點(diǎn)斜率對比可知：在輪對蛇行振蕩過程中，適度提高滾徑差RRD可以降低磨耗指數(shù).否則，若RRD曲線平坦，輪對搖頭則要產(chǎn)生車輪自旋蠕滑及其力偶，進(jìn)而使磨耗指數(shù)呈現(xiàn)V字型分布形態(tài).在持續(xù)側(cè)風(fēng)擾動(dòng)極端情況的模擬載荷下，即在后位轉(zhuǎn)向架上方，距軌面約3.5 m高 度 處 施加幅值15 kN的正弦波動(dòng)載荷，如圖4所示，3/4位輪對車輪磨耗指數(shù)則呈現(xiàn)了更加明顯的V字型分布形態(tài).

首先，上述分析結(jié)論印證了歐洲既有鐵路提速接觸幾何普查結(jié)果[8].具體地，以S1002作為車輪參考型面，德國ICE3軌道線路(軌底坡1∶40)，實(shí)際等效錐度λe統(tǒng)計(jì)特征值如下：即名義值/(RMS)22σ/(RMS)30σ分別為0.10/0.20/0.30；而意大利ETR600的(軌底坡1∶ 20)，則均≤0.05.

其次，車輪磨耗指數(shù)演變規(guī)律與我國高鐵有害磨耗普查[10]兩者形成了一致性的分析結(jié)論，即CRH3的車輪踏面接觸光帶具有一個(gè)逐漸形成過程.由于回轉(zhuǎn)阻力矩有效性問題，后位轉(zhuǎn)向架蛇行與車體側(cè)滾模態(tài)之間形成了牽連運(yùn)動(dòng)關(guān)系，因而一次蛇行是決定有害磨耗演變的一個(gè)主要因素.而考慮到輪軌對中性能和微小滑移區(qū)域，車輪型面設(shè)計(jì)和輪軌干/濕摩擦則是影響有害磨耗演變速度/進(jìn)程的2 個(gè)次要因素.

最后，高速輪軌有害磨耗具有其特殊的力學(xué)本質(zhì)問題，即實(shí)際滾徑差RRD非線性突變/漸變.考慮到輪對自穩(wěn)定性問題，CRH2的實(shí)際滾徑差RRD在過零點(diǎn)附近發(fā)生了非線性突變[9，13 -16]，運(yùn)營里程不足5萬公里.而CRH3的運(yùn)營里程接近或達(dá)到20萬公里，踏面接觸光帶使實(shí)際滾徑差RRD逐漸形成過零點(diǎn)不連續(xù)變化.考慮到新建有砟/無砟道床剛度變硬，CRH3不容忽視磨耗輪軌不良接觸所造成的反饋負(fù)面影響.

2 磨耗輪軌不良接觸及其反饋負(fù)面影響

考慮到直線運(yùn)行或大半徑曲線通過，德國ICE3系列轉(zhuǎn)向架運(yùn)用將會逐漸形成凹坑磨耗.在山區(qū)線路明線暗線交錯(cuò)或鋼軌軌頭打磨修型誤差條件下，磨耗輪軌不良接觸將會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架振動(dòng)報(bào)警或抖車故障.

在相同的軌道運(yùn)行條件下，選取某一輕微凹坑磨耗踏面，如圖5和圖6所示，車輪踏面滾動(dòng)接觸點(diǎn)跳動(dòng)造成中央集中磨耗，逐漸形成了凹坑磨耗.輪軌接觸點(diǎn)分布特征分析表明：鋼軌走行會形成寬光帶，約23 mm，其與現(xiàn)場情況基本吻合.

上述分析結(jié)論是在3點(diǎn)“小平面接觸”假設(shè)條件下得到的，其符合或接近Kalker的非線性輪軌接觸計(jì)算條件，同時(shí)也規(guī)避了一般局部密貼型接觸計(jì)算所存在的曲面接觸及其自旋蠕滑分布和彈性接觸變形及其對蠕滑影響2個(gè)難點(diǎn).

與重載卡車的雙膠輪情況類似，高速輪軌有害磨耗不得不考慮車輪自旋蠕滑奇異性及其力偶對輪軌表面磨耗功的波動(dòng)影響，因而部分喪失了重力剛度所形成的正?；謴?fù)力反饋響應(yīng).考慮到小幅蛇行振蕩頻率加快，線路/臺架(7.0 ～8.0)/(9.0 ～ 10.0)Hz，高速輪軌有害磨耗將會形成如下3個(gè)方面的反饋負(fù)面影響：①以磨耗輪軌接觸動(dòng)力作用作為輸入激勵(lì)，不僅會發(fā)生轉(zhuǎn)向架振動(dòng)報(bào)警故障，同時(shí)也會造成鋼軌局部橫向耦合共振，因而磨耗輪軌接觸動(dòng)力作用是轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件失效的一個(gè)主要相關(guān)影響因素，如車軸端板螺栓鎖定鋼絲斷裂、軸箱蓋脫落、齒形聯(lián)軸器燒毀、齒輪箱殼體振裂以及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)架頂帽開裂等[17]；②同時(shí)轉(zhuǎn)向架懸掛特性也會因此發(fā)生非線性演變，進(jìn)而以抗蛇行高頻阻抗作用作為相關(guān)激勵(lì)，在整備車體與走行部之間形成了橫向振動(dòng)耦合關(guān)系，如抖車現(xiàn)象，因而車下吊掛的牽引變流器橫移模態(tài)頻率或車上安裝的受電弓上臂橫擺模態(tài)頻率不得低于12 Hz，盡可能避免接近不穩(wěn)定蛇行振蕩頻率或形成交集[18 -19]；③磨耗輪軌滾動(dòng)接觸點(diǎn)跳動(dòng)導(dǎo)致車輪自旋蠕滑奇異性并造成其滾動(dòng)接觸磨耗不均勻性，考慮到鋼軌波浪形與車輪多邊形磨耗兩者形成機(jī)理具有相似性與伴生性，因而其影響會在整個(gè)鐵路網(wǎng)內(nèi)不斷擴(kuò)大[20 -21].

由此可見，安全穩(wěn)定裕度不充裕(如一次蛇行)是高速輪軌有害磨耗形成的一個(gè)主要相關(guān)因素，而車輪型面設(shè)計(jì)和輪軌干/濕摩擦僅僅是決定實(shí)際滾徑差RRD非線性漸變速度/程度的2個(gè)次要因素.但是一旦形成了局部密貼型接觸，車輪自旋蠕滑奇異性則是迫使實(shí)際輪軌接觸逐漸偏離(近)線性關(guān)系的一個(gè)重要影響因素，如實(shí)際滾徑差RRD過零點(diǎn)附近形成不連續(xù)變化.因此，有必要以輸入/相關(guān)激勵(lì)來把握正則/奇異攝動(dòng)相互轉(zhuǎn)變的辯證關(guān)系，使標(biāo)稱模型回歸至漸進(jìn)穩(wěn)定意義下正則攝動(dòng)問題.

3 造成有害磨耗的2大技術(shù)問題

在彈性定位約束下轉(zhuǎn)向架搖頭運(yùn)動(dòng)相對橫移的相位滯后過大，隨著不穩(wěn)定蛇行振蕩頻率加快，相位滯后非線性影響造成了輪對自穩(wěn)定性問題.具體地，輪對橫移模態(tài)自激振動(dòng)并打破輪軌橫向動(dòng)態(tài)制衡關(guān)系，進(jìn)而縱向力偶交替變化加劇車輪踏面的縱向磨耗.類似地，瑞典鐵路SJ3000擺式轉(zhuǎn)向架，軸距3 m，商業(yè)速度≤ 200 km/h，其采用了軸箱懸掛減振器傾斜45°安裝形式以衰減轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向振動(dòng).

CRH2是日本新干線轉(zhuǎn)向架的一種改進(jìn)設(shè)計(jì)形式，增設(shè)抗側(cè)滾扭桿裝置，改用抗蛇行冗余設(shè)計(jì)形式(每架4個(gè))，其線性阻尼標(biāo)定值與原型的相當(dāng)，每架兩個(gè)為2×2 450 kN·s/m，兩者均屬于徑向自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架類型RSS(Radial Self-Steering)，但是輪對縱向與橫向定位剛度接近10 MN/m，且縱向定位剛度略大于橫向的.運(yùn)維實(shí)踐充分暴露了大阻尼抑制蛇行機(jī)制的技術(shù)缺陷，即λe≈0.15，不穩(wěn)定蛇行振蕩頻率約(3.0 ～4.0) Hz[13]，其亦得到了實(shí)際滾徑差RRD非線性突變的佐證[9]，進(jìn)而將其稱之為輪軌磨耗敏感性，λemax≤ 0.15.與德國ICE3原型設(shè)計(jì)的情況類似，某400 km/h轉(zhuǎn)向架改進(jìn)設(shè)計(jì)，其輪對縱向定位剛度40 MN/m，仍然屬于徑向迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架類型RFS(Radial Forced-Steering)，T60未能提供足夠的低頻結(jié)構(gòu)阻尼，進(jìn)而暴露了回轉(zhuǎn)阻力矩有效性問題.在特定的(非)結(jié)構(gòu)攝動(dòng)條件下存在一次蛇行轉(zhuǎn)變?yōu)槎紊咝械目赡苄?，瞬間高速晃車迫使車輪踏面逐漸形成凹坑磨耗.以ICE3作為技術(shù)原型，應(yīng)該盡早明確自適應(yīng)高速轉(zhuǎn)向架技改方向，處理好轉(zhuǎn)向架對車體的復(fù)雜接口關(guān)系，進(jìn)而解除對輪軌匹配條件的制約性，即λemin≥0.10.

4 自適應(yīng)高速轉(zhuǎn)向架技改方向

在相關(guān)軟件分析綜合技術(shù)平臺支撐下，自適應(yīng)高速轉(zhuǎn)向架動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要抓住輪軌接觸與轉(zhuǎn)向架懸掛兩大非線性影響，以整車穩(wěn)定性態(tài)分析圖來引領(lǐng)轉(zhuǎn)向架參數(shù)配置，切實(shí)解決輪對自穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)阻力矩有效性2大技術(shù)問題，消除一次蛇行及其負(fù)面影響，滿足車輪防滑WSP(Wheel Slip Protection)系統(tǒng)的小蠕滑條件以兼顧操縱穩(wěn)定性能，進(jìn)而利用安全穩(wěn)定裕度變化來更好地遵循均勻、穩(wěn)定及快速磨耗規(guī)律；合理制訂柔性車體對軌道車輛MBS的接口處理技術(shù)對策，實(shí)現(xiàn)跨越廣義與模態(tài)空間的復(fù)雜約束內(nèi)力精準(zhǔn)分析，確保模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)MSR的正確性，準(zhǔn)確研判危險(xiǎn)區(qū)域/焊縫，從而在合理科學(xué)的修程修制下提升極限/構(gòu)造速度；在較大的頻響范圍內(nèi)以輸入/相關(guān)激勵(lì)來把握正則/奇異攝動(dòng)相互轉(zhuǎn)變的辯證關(guān)系，使標(biāo)稱模型回歸至漸進(jìn)穩(wěn)定意義下正則攝動(dòng)問題，從而在RAMS管理體制下施行載荷譜編制并提升裝備智能化程度.

自適應(yīng)高速轉(zhuǎn)向架創(chuàng)新設(shè)計(jì)并非簡單技術(shù)要素組合.為了彌補(bǔ)大阻尼抑制蛇行機(jī)制所存在的技術(shù)缺陷，假若堅(jiān)持小蠕滑或無自旋錯(cuò)誤假設(shè)，簡單照搬如下2項(xiàng)新技術(shù)，則弄巧成拙，其會造成很高的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，從而形成客運(yùn)/專車專線并嚴(yán)重阻礙高鐵建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展：①改用轉(zhuǎn)臂液壓節(jié)及其主動(dòng)控制技術(shù)，試圖實(shí)現(xiàn)徑向自導(dǎo)向RSS/迫導(dǎo)向RFS轉(zhuǎn)變，其忽視了復(fù)雜約束所產(chǎn)生的高頻激擾與強(qiáng)非線性影響；②借用大功率永磁電機(jī)的彈性架懸方式，包括4個(gè)橡膠節(jié)和一個(gè)橫向減振器，其竟然無視質(zhì)量接近1 t的常規(guī)牽引電機(jī)橫擺振動(dòng)及其對橡膠節(jié)過早老化的負(fù)面影響.

5 結(jié)論

(1)安全穩(wěn)定裕度不充裕是高速輪軌有害磨耗形成的一個(gè)主要相關(guān)影響因素，其與輪軌關(guān)系并無十分明顯的相關(guān)性影響.高鐵運(yùn)維不能因此將高速度等級鐵路專線限定為客運(yùn)專線或?qū)＼噷＞€，而是要以較為充裕的安全穩(wěn)定裕度使其成為鐵路貨運(yùn)提速破解空車回送低動(dòng)力作用技術(shù)難題的有利條件;

(2)考慮到轉(zhuǎn)向架參數(shù)的不合理配置，如德國ICE3系列轉(zhuǎn)向架原型及改進(jìn)設(shè)計(jì)，一次蛇行是造成高速輪軌有害磨耗的一個(gè)主要因素，其導(dǎo)致不合理的輪軌匹配條件，λeN=0.166.動(dòng)態(tài)仿真分析表明：在特定的(非)結(jié)構(gòu)攝動(dòng)影響下，如側(cè)風(fēng)對車體擾動(dòng)所造成的流固耦合效應(yīng)或鋼軌打磨處理所形成的累計(jì)誤差波動(dòng)影響，λe<0.10，一次蛇行轉(zhuǎn)變?yōu)槎紊咝胁l(fā)生瞬間高速晃車現(xiàn)象，因而車輪磨耗指數(shù)呈現(xiàn)十分明顯的V字型分布形態(tài).考慮到直線運(yùn)行或大半徑曲線通過，車輪踏面將會在新建有砟/無砟軌道線路服役條件下逐漸形成凹坑磨耗，因而客運(yùn)/專車專線并非保障高鐵運(yùn)營安全穩(wěn)定的充要條件;

(3)車輪自旋蠕滑奇異性是磨耗輪軌不良接觸所造成的主要有害影響之一，因而小幅蛇行振蕩安全論不再成立，因?yàn)楦咚佥嗆売泻δズ臅a(chǎn)生如下3個(gè)方面的反饋負(fù)面影響：①愈演愈烈的輪軌接觸動(dòng)力作用導(dǎo)致某些轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件失效；②轉(zhuǎn)向架懸掛特性發(fā)生非線性演變進(jìn)而造成整備車體產(chǎn)生橫向剛?cè)狁詈瞎舱瘢虎圯嗆墲L動(dòng)接觸不均勻磨耗(如鋼軌波浪形或車輪多邊形磨耗)影響會在整個(gè)鐵路網(wǎng)內(nèi)不斷擴(kuò)大.