動(dòng)車組小曲線通過(guò)輪緣減磨措施深化研究*

李建平，許自強(qiáng)

（1 中國(guó)鐵路武漢鐵路局有限公司，武漢430071；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

隨著中國(guó)鐵路快速發(fā)展，越來(lái)越多高速城際線路開通。城際線路小半徑曲線多，服役動(dòng)車組輪緣磨耗問題越來(lái)越突出，部分動(dòng)車組由于輪緣快速磨耗，輪對(duì)輪徑很快到使用壽命，顯著提高動(dòng)車組維護(hù)成本，同時(shí)頻繁旋修或更換輪對(duì)也顯著影響運(yùn)營(yíng)秩序［1-2］。

針對(duì)小曲線輪軌磨耗問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，主要集中在4個(gè)方面：輪緣磨耗影響因素分析［3-4］、以降低輪緣磨耗為目標(biāo)的輪軌型面優(yōu)化［5-6］、輪軌磨耗的預(yù)測(cè)模型研究［7-8］、輪緣磨耗的控制措施研究［9-10］。以往對(duì)輪緣減磨措施的研究大多數(shù)依托仿真分析手段，與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用規(guī)律存在差異。文中基于某城際線路開展輪緣磨耗機(jī)理與控制措施的研究，首先通過(guò)線路調(diào)研、輪軌型面測(cè)試、輪軌匹配分析確定輪緣磨耗機(jī)理；再通過(guò)仿真分析與線路試驗(yàn)，對(duì)輪緣磨耗措施進(jìn)行驗(yàn)證，深入分析不同減磨措施的效果，最終按照優(yōu)先級(jí)提出輪緣減磨措施的建議。

1 動(dòng)車組輪緣異常磨耗原因分析

某城際線路在開通運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)了動(dòng)車組車輪輪緣異常快速磨耗問題，其5列主要在該城際線服役的動(dòng)車組輪緣磨耗統(tǒng)計(jì)如圖1所示。動(dòng)車組3持續(xù)在城際線運(yùn)行，輪緣磨耗速率最大可達(dá)0.55 mm/萬(wàn)km。對(duì)旋修恢復(fù)輪緣厚度時(shí)的輪徑損失量進(jìn)行大樣本統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示旋修每恢復(fù)1 mm的輪緣厚度，輪徑損失量的平均值達(dá)到6～8 mm。該城際線路輪緣磨耗顯著偏離正常速率導(dǎo)致車輪頻繁旋修、車輪使用壽命顯著降低，影響運(yùn)行秩序和經(jīng)濟(jì)性。

圖1 動(dòng)車組輪緣磨耗量統(tǒng)計(jì)

為了研究該城際動(dòng)車組輪緣異常磨耗的原因，對(duì)城際線路小曲線、動(dòng)車所站場(chǎng)小曲線進(jìn)行了鋼軌調(diào)研、測(cè)試，實(shí)測(cè)鋼軌廓形與照片如圖2、圖3所示。結(jié)果顯示：該城際線正線半徑R1000 m以下的小曲線外軌都存在鋼軌側(cè)磨，而且曲線半徑越小曲線外軌的側(cè)磨越明顯，小曲線外軌側(cè)磨高度約為14～16 mm。同時(shí)該城際線路小半徑曲線比例大，上下行共有22段半徑小于R1000 m曲線，總長(zhǎng)12.3 km，占總里程的36.5%；動(dòng)車組的站場(chǎng)進(jìn)庫(kù)曲線半徑僅R300 m，由于車輛通過(guò)量大且長(zhǎng)時(shí)間未維護(hù)，曲線外軌鋼軌存在較大的鋼軌側(cè)磨，軌頂向下16 mm處的軌距角磨耗達(dá)到6.48～8.45 mm。

圖2 實(shí)測(cè)廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對(duì)比

圖3 實(shí)際照片

通過(guò)輪軌調(diào)研分析，該城際線路動(dòng)車組輪緣異常磨耗的原因可以推測(cè)為：動(dòng)車組外側(cè)車輪通過(guò)正線小半徑曲線時(shí)車輪與外軌鋼軌兩點(diǎn)接觸產(chǎn)生輪緣磨耗，由于小半徑曲線總里程長(zhǎng)即輪緣磨耗距離長(zhǎng)，造成輪緣厚度、QR值的快速降低；同時(shí)，城際線路站場(chǎng)線、動(dòng)走線小半徑曲線鋼軌偏離設(shè)計(jì)廓形，也加劇了輪緣磨耗?；谶@種判斷，文中開展了仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)輪軌磨耗過(guò)程，并研究緩解措施。

2 輪緣磨耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了能夠制定實(shí)際有效的輪緣減磨措施，通過(guò)線路試驗(yàn)與仿真結(jié)合的手段對(duì)減磨措施進(jìn)行驗(yàn)證。為了準(zhǔn)確評(píng)估輪緣磨耗程度，線路試驗(yàn)通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)前后的輪緣磨耗深度與輪緣磨耗面積以及曲線通過(guò)時(shí)外軌車輪橫向力評(píng)價(jià)輪緣磨耗程度。

仿真分析中評(píng)價(jià)輪緣磨耗的經(jīng)驗(yàn)方法較多，比較典型的評(píng)價(jià)指標(biāo)有赫曼（Heumann）磨耗因數(shù)、接觸斑磨耗功、接觸斑磨耗功率等［11］，計(jì)算方法如下：

（1）赫曼（Heumann）磨耗因數(shù)為式（1）：

式中：μ為輪軌間的摩擦系數(shù)；H為輪緣導(dǎo)向力，或用輪軌間的總橫向力代替；α為輪軌沖角。

（2）接觸斑磨耗功為式（2）：

式中：Fx、Fy為縱向蠕滑力、橫向蠕滑力；Msp為自旋（法向）蠕滑力矩；εx、εy、εsp為縱向蠕滑率、橫向蠕滑率、自旋蠕滑率。

（3）接觸斑磨耗功率為式（3）：

式中：v為曲線通過(guò)速度。

接觸斑磨耗功可以區(qū)分踏面與輪緣區(qū)域的接觸情況，考慮了輪緣接觸斑的蠕滑率、蠕滑力、輪對(duì)沖角的影響，可以較準(zhǔn)確的反映輪緣磨耗的趨勢(shì)；而接觸斑磨耗功率考慮了曲線通過(guò)速度的影響，在變速運(yùn)行時(shí)放大了速度的影響。故文中采用磨耗功來(lái)表征小曲線通過(guò)時(shí)的輪緣磨耗程度。

3 輪緣減磨措施深入研究

3.1 輪軌潤(rùn)滑

為了驗(yàn)證鋼軌潤(rùn)滑的效果，在該城際線進(jìn)行了3次正線試驗(yàn)，其中試運(yùn)行試驗(yàn)與未潤(rùn)滑拉鋸試驗(yàn)時(shí)輪軌為未潤(rùn)滑的干燥狀態(tài)，而第3次試驗(yàn)對(duì)車輪輪緣涂抹了潤(rùn)滑脂，試驗(yàn)安排見表1。

表1 試驗(yàn)過(guò)程

3次試驗(yàn)每次試驗(yàn)后都測(cè)試了導(dǎo)向輪對(duì)左右車輪踏面外形，并與試驗(yàn)前的車輪外形進(jìn)行對(duì)比，得到了各次試驗(yàn)后的輪緣磨耗特征，結(jié)果如圖4所示，輪緣磨耗深度與磨耗面積的結(jié)果見表2。由試驗(yàn)結(jié)果可知：

表2 輪緣磨耗統(tǒng)計(jì)

（1）輪緣潤(rùn)滑后，輪緣磨耗深度與磨耗速率隨運(yùn)行里程的增加趨勢(shì)有明顯減緩；

（2）按每公里運(yùn)行里程的輪緣磨耗面積進(jìn)行對(duì)比，潤(rùn)滑前導(dǎo)向輪對(duì)左右輪的平均輪緣磨耗面積為0.008 mm2/km，潤(rùn)滑后的輪緣磨耗面積的速率為0.003 mm2/km，潤(rùn)滑后降低約63%。

輪軌潤(rùn)滑本質(zhì)是降低輪緣的摩擦系數(shù)，由于實(shí)際潤(rùn)滑后的輪緣磨耗系數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確獲得，通過(guò)仿真進(jìn)一步驗(yàn)證輪軌潤(rùn)滑效果。動(dòng)車組通過(guò)R400 m小曲線，摩擦系數(shù)由0.1升高至0.6，輪緣摩擦功隨摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)如圖5所示。

仿真結(jié)果顯示摩擦系數(shù)對(duì)輪緣磨耗功有顯著的影響，當(dāng)摩擦系數(shù)由0.4降低至0.2，輪緣磨耗功降低了53%。輪緣磨耗功可準(zhǔn)確反映輪緣磨耗趨勢(shì)，仿真結(jié)果與線路試驗(yàn)一致性較好，驗(yàn)證了線路試驗(yàn)的結(jié)果。

3.2 曲線半徑影響

曲線半徑越小輪軌作用力越大，同時(shí)輪緣磨耗速率也越快，但是很少有學(xué)者定量分析曲線半徑與輪緣磨耗的關(guān)系。通過(guò)線路試驗(yàn)與仿真定量分析了曲線半徑與輪緣磨耗速率的關(guān)系。正線試驗(yàn)時(shí)通過(guò)各曲線時(shí)導(dǎo)向輪軌左右輪的車輪橫向力如圖6所示，車輪橫向力統(tǒng)計(jì)見表3。

圖6 線路試驗(yàn)實(shí)測(cè)波形

由圖表可知：車輪橫向力隨曲線半徑的減小明顯增大，以R400 m曲線車輪橫向力為基準(zhǔn)，當(dāng)曲線半徑由400 m增加至500 m，曲線半徑每增加50 m，車輪橫向力降低約15%；曲線半徑由500 m增加至800 m，曲線半徑每增加50 m，車輪橫向力降低約5%。趨勢(shì)表明，當(dāng)曲線半徑達(dá)到500 m以上，隨著曲線半徑的增加，車輪橫向力的降低幅度越來(lái)越低，再提高曲線半徑對(duì)輪緣磨耗的降低效果有限。

由于線路試驗(yàn)無(wú)法涵蓋所有曲線半徑，通過(guò)仿真補(bǔ)充可確認(rèn)相對(duì)最佳的曲線半徑建議值。仿真的輪緣磨耗功與曲線半徑關(guān)系如圖7、圖8所示，當(dāng)曲線半徑不斷增加，輪緣磨耗功呈降低趨勢(shì)，且降低率逐漸變緩。當(dāng)通過(guò)曲線的半徑由300 m不斷增加，每次增加間隔為100 m，輪緣磨耗功變化率迅速降低，曲線半徑達(dá)到600 m時(shí)為拐點(diǎn)；當(dāng)半徑600 m以內(nèi)，輪緣磨耗功變化率在14%～19%；當(dāng)曲線半徑達(dá)到600 m及以上，輪緣磨耗功變化率在14%左右，此后曲線半徑再增加磨耗功變化率較為穩(wěn)定。

圖7 曲線半徑對(duì)輪緣磨耗功影響

圖8 磨耗功變化率

綜合線路試驗(yàn)與仿真分析，建議城際線路的小曲線半徑大于等于600 m。

3.3 曲線通過(guò)速度

分析曲線通過(guò)速度對(duì)輪緣磨耗的影響程度，線路試驗(yàn)測(cè)試的不同曲線通過(guò)速度下，R400 m、R450 m曲線外軌車輪橫向力波形如圖9所示。仿真分析不同曲線半徑、曲線通過(guò)速度對(duì)輪緣磨耗功的影響如圖10所示。

圖9 不同曲線通過(guò)速度時(shí)外軌車輪橫向力波形

圖10 不同速度對(duì)輪軌力與輪緣磨耗功的影響

線路試驗(yàn)與仿真分析都顯示曲線通過(guò)速度對(duì)車輪橫向力與輪緣磨耗功影響較小，線路試驗(yàn)中運(yùn)行速度由40 km/h增加至70 km/h，車輪橫向力增加約3%；仿真以R500 m曲線為例，當(dāng)曲線通過(guò)速度由50 km/h增加至90 km/h，輪緣磨耗指數(shù)僅增加了13.2%。

3.4 輪軌型面優(yōu)化

由于輪軌型面不匹配輪緣磨耗速率將顯著增加，輪軌型面恢復(fù)設(shè)計(jì)值可以有效降低車輪輪緣磨耗速率，但是不同的標(biāo)準(zhǔn)輪軌型面對(duì)小曲線通過(guò)時(shí)的輪緣磨耗影響并不清楚。

LMA踏面與TB60、60N、60D這3種標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面的匹配特性對(duì)比如圖11所示。由圖可知：LMA踏面與TB60匹配等效錐度最大，且隨著輪對(duì)橫移等效錐度均勻增加，在曲線通過(guò)時(shí)等效錐度大，可以提供較大的對(duì)中力；LMA踏面與60N、60D匹配等效錐度小于TB60，而且在橫移量1～8 mm等效錐度幅值幾乎不變，超過(guò)8 mm后出現(xiàn)跳變，這說(shuō)明60N與60D外形在軌頂?shù)慕佑|區(qū)域集中，在小曲線通過(guò)輪對(duì)大橫移量時(shí)容易出現(xiàn)接觸點(diǎn)跳變并造成輪緣接觸。LMA踏面與TB60、60N、60D這3種標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面的小曲線通過(guò)接觸功如圖12所示，其中仿真分析的曲線半徑為R400 m。LMA踏面與TB60匹配通過(guò)小曲線時(shí)未發(fā)生2點(diǎn)接觸，輪緣磨耗功為0；對(duì)比LMA與60N、60D匹配的輪緣磨耗功，其最大值分別為668 N、531 N。所以從輪軌匹配角度來(lái)說(shuō)TB60外形有利于降低曲線通過(guò)輪軌磨耗，其次是60D廓形。

圖11 LMA與不同鋼軌匹配等效錐度

圖12 不同鋼軌廓形的小曲線輪緣磨耗功

LMA、LM這2種踏面與60D廓形匹配的等效錐度和輪緣磨耗功如圖13、圖14所示。LMA、LM的匹配等效錐度分別為0.034、0.075，輪緣磨耗功分別為466 N、295 N，采用LM的輪緣磨耗功明顯低于LMA踏面，即采用LM踏面相比LMA輪緣磨耗降低。

圖13 60D鋼軌與不同車輪踏面匹配等效錐度

圖14 不同車輪型面的小曲線輪緣磨耗功

3.5 其他控制措施

曲線超高、軌矩加寬、車輛懸掛參數(shù)優(yōu)化在線路試驗(yàn)無(wú)法驗(yàn)證，于是進(jìn)行了仿真分析。

（1）曲線超高優(yōu)化

曲線超高變化對(duì)輪緣磨耗功影響如圖15所示。對(duì)于R400 m曲線，增大超高后輪緣磨耗功降低，當(dāng)超高由60 mm增加至80 mm，輪緣磨耗功降低了15.8%；當(dāng)超高由80 mm增加至100 mm，輪緣磨耗功降低了17.0%。

圖15 曲線超高影響

（2）軌距加寬

軌距加寬變化對(duì)輪緣磨耗功影響如圖16所示。軌距加寬可以降低輪緣的磨耗功，但是從數(shù)值來(lái)說(shuō)影響比較小。軌距由1435 mm增加至1445 mm，輪緣磨耗功降低幅度約為2%。

圖16 軌距加寬影響

（3）懸掛參數(shù)優(yōu)化

降低一系懸掛的搖頭剛度可以提高車輛的曲線通過(guò)能力，降低輪緣磨耗功，但是不利于直線運(yùn)行穩(wěn)定性。動(dòng)車組懸掛參數(shù)優(yōu)化難度較大，針對(duì)既有動(dòng)車組不易實(shí)施。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)城際動(dòng)車組與城際線路的調(diào)研測(cè)試、輪軌匹配分析了輪緣快速磨耗的機(jī)理：動(dòng)車組通過(guò)該城際線正線小半徑曲線時(shí)車輪與外軌鋼軌兩點(diǎn)接觸產(chǎn)生輪緣磨耗，由于該城際小半徑曲線多總里程長(zhǎng)，輪緣長(zhǎng)時(shí)間接觸下輪緣快速磨耗；同時(shí)，動(dòng)車所站場(chǎng)線、動(dòng)走線小半徑曲線偏離設(shè)計(jì)廓形，也加劇了輪緣磨耗。

通過(guò)線路試驗(yàn)與仿真手段定量分析了曲線半徑對(duì)輪緣磨耗的影響，建議城際線路的小曲線半徑應(yīng)盡量大于600 m。

對(duì)可能影響輪緣磨耗的多種因素進(jìn)行了試驗(yàn)與仿真分析，為了降低輪緣磨耗，優(yōu)先采取輪軌潤(rùn)滑與輪軌型面修型措施；適當(dāng)增加曲線外軌超高有利于降低輪緣磨耗，而曲線通過(guò)速度與軌距加寬的影響不明顯。此外，曲線外軌鋼軌打磨廓形建議為TB60廓形，而對(duì)于車輪標(biāo)準(zhǔn)踏面LMA、LM，選LM踏面外形輪緣磨耗相對(duì)小。