城際動車組車輪廓形演化特點(diǎn)和原因分析

趙長雨，趙鑫，許世杰，王鵬，溫澤峰，謝毅

(1. 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

城際高速鐵路和城際軌道交通是我國“新基建”的核心內(nèi)容之一，是適應(yīng)城市群、區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過程中通勤客流井噴的戰(zhàn)略發(fā)展方向。城際鐵路的核心移動裝備是最高運(yùn)行速度200 km/h的城際動車組，具有速度中高、載客量大、快啟快停、快速乘降、頻繁啟停的顯著特點(diǎn)[1]，且運(yùn)行線路常含有小半徑曲線等困難路段?？傮w而言，城際輪軌系統(tǒng)服役環(huán)境往往較干線高速鐵路更為復(fù)雜，輪軌作用更激烈。運(yùn)營實(shí)踐也表明，城際動車組車輪會發(fā)生磨耗速率高、滾動接觸疲勞、碾邊等諸多問題[2?3]。本文針對我國某型城際動車組的車輪磨耗，研究其車輪廓形演化的特點(diǎn)、磨耗速率及影響因素。輪軌接觸、閘瓦-車輪接觸和研磨子?車輪接觸界面是現(xiàn)代軌道交通車輪磨損的3 個根源。因輪軌間復(fù)雜接觸行為，輪軌作用可導(dǎo)致輪緣和踏面磨耗，而閘瓦和研磨子作用僅導(dǎo)致踏面磨耗。對于城際和高速動車組而言，普遍采用盤形制動，故其車輪磨耗由輪軌和研磨子-車輪接觸決定。我國高速軌道多為大半徑曲線和直線，且平直度高，列車運(yùn)行平穩(wěn)，踏面接觸位置及所導(dǎo)致磨耗主要發(fā)生在名義滾動圓附近，易引發(fā)踏面 凹 坑 磨 耗[4?5]。JENDEL 等[6?7]跟 蹤 測 試 斯 德 哥 爾摩鐵路通勤線(最高速度140 km/h，最小曲線半徑338 m)客車，發(fā)現(xiàn)車輪磨耗主要發(fā)生在?50～40 mm 范圍內(nèi)(0 mm 對應(yīng)名義滾動圓，即踏面局部坐標(biāo)的原點(diǎn)，輪緣側(cè)取負(fù)值)，踏面最外側(cè)(40～60 mm)幾乎無磨耗。SHI 等[8]統(tǒng)計了CRH380 高速動車組3 個鏇修周期(共計81 萬km)內(nèi)的車輪磨耗跟蹤數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)踏面區(qū)域表現(xiàn)為凹坑磨耗，3 個周期內(nèi)的車輪踏面磨耗速率(定義在名義滾動圓處)分別為0.15，0.17 和0.23 mm/萬km，另外多條線路動車組車輪同樣在踏面?20～20 mm 區(qū)域內(nèi)形成了凹坑磨耗[9?11]。輪緣磨耗與曲線通過緊密相關(guān)，當(dāng)左、右曲線長度存在明顯差異時(尤其小半徑曲線)，會造成兩側(cè)車輪輪緣磨耗差異明顯，即偏磨，常見于地鐵和城際線路[3,12]。閘瓦-車輪界面多存在于地鐵車輛和貨車，亦是重要研究對象。付建鵬等[13]發(fā)現(xiàn)，電?空制動方案不合理會導(dǎo)致拖車車輪發(fā)生階梯狀異常磨耗。李霞等[14]發(fā)現(xiàn)，制動閘瓦晃動、作用壓力過大、制動頻繁等會導(dǎo)致車輪出現(xiàn)W 形異常磨耗。研磨子在車輪上的作動方式與閘瓦類似，初衷是清掃踏面和改善黏著水平[15]。研究表明，研磨子修型的同時，另有一定消除車輪非圓化的作用[16]。本文針對我國某型城際動車組，通過現(xiàn)場跟蹤觀測和數(shù)值分析，分析研磨子作用對車輪磨耗的影響，為未來優(yōu)化研磨子作用提供必要參照。

1 城際動車組車輪磨耗測試

為摸清某型城際動車組的車輪服役行為，在我國南方某城際線路上開展始于2017 年11 月的跟蹤測試(截至2020 年10 月仍在進(jìn)行)。從研磨子研究的角度而言，該測試可大致分為2 個階段，第1階段采用動車組的出廠設(shè)置，目的是摸清車輪服役表現(xiàn)并提出改進(jìn)措施(相關(guān)背景和具體措施參見[3])，第2 階段測試重在驗(yàn)證改進(jìn)措施的效果。本節(jié)重在展示第1階段試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)推論。

第1 階段涵蓋了18 列動車組，先后共測試了34 列次車輪廓形。作為對比，下文也列出了調(diào)研的250和350 km/h速度級高速干線動車組的測試結(jié)果。車輪磨耗量為實(shí)測與標(biāo)準(zhǔn)廓形之差，具體由踏面磨耗W0(0 mm處)和W30(30 mm處)表征。

1.1 磨耗測試結(jié)果

圖1展示了某城際動車組在鏇后15.33萬km 時所有車輪的平均廓形和磨耗橫向分布。作為對比，2 列最高運(yùn)行速度為250 km/h 和350 km/h 的干線高速動車組的相應(yīng)測試結(jié)果也示于圖中，測試時它們的鏇后里程為14.64 萬km 和15.42 萬km。3 列動車組均為跟蹤測試，圖1僅展示1次測試結(jié)果。

圖1 3列不同速度級動車組實(shí)測型面及磨耗量對比Fig.1 Comparison of measured profile and wear of three EMUs with different speed grades

由圖1 可見，250 km/h 和350 km/h 動車組的踏面磨耗量及其分布(?30～50 mm 區(qū)域內(nèi))相似，集中在名義滾動圓附近(?20～20 mm)。城際動車組則不同，其踏面磨耗具有以下2個特征：1)磨耗量遠(yuǎn)大于2 列干線動車組，最大值相差4.83 倍(具體值分別為3.43，0.72和0.71 mm)；2)最大磨耗發(fā)生在踏面外側(cè)(20～50 mm)，而非名義滾動圓附近。需說明，圖1 中3 列動車組均采用LMA 型面，配有研磨子，但運(yùn)行速度、運(yùn)行線路不同。

1.2 磨耗速率估計

基于圖1 中3 列動車組車輪歷次測試的平均磨耗量(其他結(jié)果未展示)，得到如圖2 所示的車輪磨耗速率?？梢姡请H動車組的W0和W30磨耗速率分別 是0.183 mm/萬km 和0.227 mm/萬km，是250 km/h 干線動車組的5.6 倍和15.1 倍，或350 km/h 干線動車組的5.5 倍和19.9 倍。值得指出，城際動車組的W0磨耗速率比W30小0.044 mm/萬km；而250 km/h 和350 km/h 干線高速動車組則相反，W0分別比W30大0.017 mm/萬km和0.022 mm/萬km。

圖2 3列不同速度級動車組車輪磨耗速率對比Fig.2 Comparison of wheel wear rate of three EMUs with different speed grades

由上述結(jié)果可知，與干線動車組相比，城際動車組車輪的磨耗速率更大，且橫向分布也存在顯著差異，導(dǎo)致了其不同的廓形演化特征。換言之，城際動車組車輪的使用壽命更低，這大大增加了其運(yùn)營成本。因此，有必要探究影響城際動車組車輪演化的主要因素。

2 車輪廓形演化影響因素探究

在第2階段跟蹤測試中，針對同一線路上運(yùn)行的1 列動車組開展為期2 個鏇修周期的試驗(yàn)。該動車組1～4 和5～8 車分別使用了LMA 和LM 2 種型面，并配備了相應(yīng)的抗蛇行減振器，也更改了研磨子工作模式和材質(zhì)，以探究它們對車輪磨耗和廓形演化的影響。

2.1 初始型面的影響

圖3(a)展示了第1 個鏇修周期內(nèi)(運(yùn)行18.74 萬km，時長6 個月)，裝配LMA 型面的32 個車輪在5個不同鏇后里程下的平均磨耗分布，以及15.15 萬km 時的典型車輪踏面照片。圖中黑色實(shí)線為標(biāo)準(zhǔn)型面，彩色實(shí)線為歷次測試的磨耗型面，而彩色虛線為相應(yīng)的磨耗量分布。裝配LM 型面的32 個車輪的相應(yīng)結(jié)果示于圖3(b)?？梢?，2 種型面車輪踏面區(qū)域的磨耗分布非常類似，呈馬鞍形分布。根據(jù)磨耗分布，車輪踏面可大致分成3個區(qū)域：磨耗量居中的①區(qū)(?30～?10 mm)，表面呈現(xiàn)光亮色，靠近輪緣部分帶有微銹；磨耗量最小的②區(qū)(?10～20 mm，名義滾動圓附近)，表面呈暗紅色；磨耗量最大的③區(qū)(20～50 mm)，表面新鮮光亮，存在明顯的車輪周向犁溝。

圖3 中不同運(yùn)行里程下W0和W30的平均值示于圖4 之中。可見，2 種踏面的磨耗量均隨里程的增加而大致線性增加，且LMA 型面的磨耗率稍大于LM 型面。具體而言，LMA型面W0和W30對應(yīng)的平均磨耗速率分別是0.22 mm/萬km 和0.25 mm/萬km，而LM 型面相應(yīng)為0.20 mm/萬km 和0.24 mm/萬km，磨耗速率稍降低。需指出，該動車組中LMA 型面車輪的磨耗速率與圖2所示結(jié)果略有差異，這是不同車在不同時段內(nèi)測量結(jié)果的正常波動。

圖3 采用2種初始型面的某城際動車組試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of an intercity EMU with two initial wheel profiles

圖4 某城際動車組上2種型面在不同里程下的磨耗量Fig.4 Wheel wear of an intercity EMU with two initial wheel profiles under different mileages

總之，將城際動車組初期使用的LMA 型面更換成LM 型面，雖然可以稍稍降低磨耗速率，但降低后的磨耗速率依然遠(yuǎn)大于圖2中所示的干線動車組，即型面對動車組車輪磨耗的影響不大。

2.2 研磨子工作模式和材料屬性的影響

按照動車組設(shè)計，研磨子在動車組每次制動時動作，直至速度降至30 km/h 時為止。另外，檢測到車輪空轉(zhuǎn)和滑行后，也開啟研磨子作用。第1鏇修周期內(nèi)，研磨子采用持續(xù)高壓工作模式，即以0.49 MPa 壓力使研磨子持續(xù)作用在車輪踏面上，直至停止踏面清掃。第2鏇修周期內(nèi)，運(yùn)行2.16萬km 后改為間歇低壓作用，即以0.3 MPa 壓力使研磨子貼緊踏面20 s，之后緩解10 s，再重復(fù)上述作用，直至停止清掃，同時，更換不同材質(zhì)的研磨子，經(jīng)現(xiàn)場測試知，第1 鏇修周期研磨子硬度在380 HB 左右，第2 鏇修周期內(nèi)更換后硬度在250 HB左右。

統(tǒng)計結(jié)果顯示，運(yùn)行18.36萬km 的第1個鏇修周期內(nèi)，1～4 車(LMA 型面)更換136 塊研磨子，5～8 車(LM 型面)更換118 塊研磨子，即每個LMA和LM 車輪平均更換4.25 塊和3.68 塊。由圖5 中詳細(xì)的研磨子使用里程可見，絕大部分研磨子僅可運(yùn)行使用3～5萬km。

圖5 測試城際動車組在第1鏇修周期內(nèi)的研磨子使用里程分布Fig.5 Mileage distribution of the tread trimmers used for tracked intercity EMU during the first reprofiling interval

需指出，與動車所交流得知，第1鏇修周期內(nèi)的研磨子消耗情況與其他列車基本相同。然而，干線動車組的既有研磨子使用記錄顯示，其服役壽命通常在10 萬km 以上[17]。這說明所測試城際動車組的研磨子消耗過大，服役壽命偏短。

依據(jù)前面所述的研磨子作用模式推斷，城際動車組研磨子消耗過大的直接原因應(yīng)該是運(yùn)營過程中的頻繁啟停，根本原因是城際線路的站間距過短。統(tǒng)計所跟蹤動車組的運(yùn)行線路情況發(fā)現(xiàn)，線路全長117 km，共設(shè)18 個站點(diǎn)，平均站間距僅為6.9 km。統(tǒng)計該動車組在連續(xù)146 d 內(nèi)擔(dān)任的122 個運(yùn)行交路發(fā)現(xiàn)，其停車間距最大71 km，最小3 km，平均23.98 km。

研磨子工作模式和材質(zhì)更改對車輪磨耗的影響示于圖6之中。圖中LM 車輪結(jié)果為全部32個輪的平均值，而LMA 車輪結(jié)果僅為4 車8 個輪的平均值(其他車廂在跟蹤期間發(fā)生了換輪、鏇修等，故略去)?？梢?，幾乎相同的運(yùn)行里程下，第2 鏇修周期內(nèi)的車輪磨耗量大大降低，LM 和LMA 的W0平均值分別從1.83 mm 和1.95 mm 降低至1.14 mm和1.12 mm，降幅約為37.70%和42.56%。為方便讀者，初始LMA和LM型面也示于圖中。

圖6 不同工作模式下車輪磨耗對比，結(jié)果分別取自第1和第2鏇修周期Fig.6 Comparison of wheel wear based on the first and second reprofiling interval under different operation modes

圖7 進(jìn)一步展示了2 種研磨子工作模式下，不同里程時2種廓形車輪的平均磨耗率，其中持續(xù)高壓的結(jié)果取自圖4，間歇低壓結(jié)果源自第2 鏇修周期2.16 萬km 之后的歷次跟蹤測試?？梢?，LM 和LMA 車輪W0對應(yīng)的平均磨耗率值分別從0.20 mm/萬km 和0.22 mm/萬km 降 低 至0.10 mm/萬km和0.08 mm/萬km，降幅約為50.00%和63.63%(圖6中第2 鏇修周期包含前2.16 萬km 持續(xù)高壓作用，從中得出的磨耗降幅與這里略有差異)，W30平均值分別從0.24 mm/萬km 和0.25 mm/萬km 降低至0.05 mm/萬km和0.04 mm/萬km，降幅約為79.16%和84.00%。

圖7 不同工作模式下車輪磨耗速率對比，結(jié)果分別取自第1和第2鏇修周期Fig.7 Comparison of wear rate based on the first and second reprofiling interval under different operation modes

總之，研磨子頻繁的長時、高壓作用和硬度大應(yīng)該是造成城際動車組車輪踏面磨耗過快的主因。

3 2種車輪磨耗分量估計

如上所述，城際動車組車輪磨耗由輪軌相互作用和研磨子-車輪相互作用共同決定，以下分別稱為輪軌磨耗分量和研磨子磨耗分量。基于跟蹤測試的車輪磨耗，本節(jié)估算上述2種車輪磨耗分量的大小。鑒于2 種型面的結(jié)果類似，下面僅以LM型面為例展示。

3.1 車輪接觸分析

3.1.1 輪軌接觸點(diǎn)對

輪軌接觸造成的磨耗僅發(fā)生在能與鋼軌接觸的區(qū)域內(nèi)。選取圖3(b)中16.52萬km 時平均磨耗型面，分別與動車組運(yùn)行線路上實(shí)測的典型直、曲線磨耗軌匹配，計算了不同輪對橫移下的輪軌接觸點(diǎn)對，見圖8。其中，軌距為1 435 mm，輪背距為1 353 mm，軌底坡為1:40，車輪名義滾動圓半徑為430 mm，忽略搖頭角，橫移間隔為1 mm，輪對向右橫移取正。

圖8 輪軌接觸點(diǎn)對圖Fig.8 Wheel-rail contact point diagram

可見，當(dāng)列車運(yùn)行在直線時，車輪主要在踏面名義滾動圓附近?10～10 mm 位置與鋼軌接觸。當(dāng)列車運(yùn)行在R400 m 小半徑左曲線時，輪對向高軌側(cè)橫移，此時的踏面接觸依然集中在名義滾動圓附近，大橫移導(dǎo)致高軌側(cè)輪緣根部與鋼軌接觸。但是，車輪踏面30～50 mm 區(qū)域不太可能與鋼軌接觸，也就不會存在相應(yīng)的輪軌磨耗分量。

3.1.2 車輪?研磨子界面

研磨子在車輪踏面的接觸區(qū)域決定了研磨子磨耗分量在車輪踏面上的分布。新研磨子與車輪踏面有磨合過程，隨接觸次數(shù)的增加，研磨子和車輪踏面接觸面積逐漸增大。圖9 是第1 鏇修周期15.15 萬km 時，實(shí) 測LM 型面(7 車3 軸6 輪)與對應(yīng)使用到限研磨子實(shí)測幾何結(jié)果?？梢?，兩者接觸面幾何接近重合，覆蓋了車輪踏面?31～52 mm 的區(qū)域。

圖9 研磨子和車輪貼合示意圖Fig.9 Schematic diagram of tread trimmer and wheel fitting

3.1.3 小結(jié)

基于上述輪軌和車輪?研磨子接觸界面分析，進(jìn)一步考慮到接觸斑的尺寸，可以推斷，車輪踏面30～50 mm 區(qū)域內(nèi)的磨耗應(yīng)該由研磨子磨耗分量主導(dǎo)，而?30～30 mm 區(qū)域是兩種磨耗分量共同作用的結(jié)果。

3.2 磨耗分量估計

3.2.1 估計方法

結(jié)合列車運(yùn)行實(shí)際，定義城際動車組平均停車間距23.98 km 為單位段長，最高速度194 km/h(站間勻速段)。進(jìn)一步假設(shè)，每個停車間距中研磨子僅在進(jìn)站停車時作用1 次，取制動減速度a=?0.31 m/s2，低于30 km/h停止作用，則每次作用距離為4 571.88 m。持續(xù)高壓(A)和間歇低壓(B)作用模式對應(yīng)的研磨子作用示意圖見圖10。

圖10 研磨子的持續(xù)高壓和間歇低壓工作模式示意圖Fig.10 Schematic diagram of mode about tread trimmer consecutively operating in the high pressure and intermittently operating in the low pressure way

第1 鏇修周期內(nèi)總磨耗量分布WT1(x)為最后一次測試(鏇后16.52 萬km)與第1 次測試(鏇后0 萬km)的廓形差，期間運(yùn)行了6 889.07 個單位段長。則單位段長內(nèi)踏面任意位置處平均磨耗量W(單位：mm)為：

式中：Wr和Wb分別為單位段長輪軌和研磨子磨耗分量，mm；下標(biāo)1 表示第1 鏇修周期，上標(biāo)A 對應(yīng)研磨子持續(xù)高壓模式。這里僅關(guān)注踏面?30～50 mm范圍。

進(jìn)一步假設(shè)研磨子磨耗分量與施加壓力(P)和作用距離(L)之積成正比，則假使第1 鏇修周期中采用間歇低壓模式(B)時的研磨子磨耗分量為：

第2 鏇修周期改進(jìn)措施之后，由總磨耗差WT2(x)和對應(yīng)3 786.49 個單位段長(鏇后2.16 萬～11.24萬km)可計算單位段長內(nèi)踏面任意位置處平均磨耗量為：

式中：下標(biāo)2 表示第2 鏇修周期，上標(biāo)B 對應(yīng)研磨子間歇低壓模式。

顯然，WBb1(x)和WBb2(x)之間的差異由不同研磨子材質(zhì)決定，為確定2種材質(zhì)研磨子所致車輪磨耗速率(f)比值，做如下計算：鑒于踏面30～50 mm區(qū)域由研磨子磨耗分量主導(dǎo)，因此可假設(shè)踏面30～50 mm 區(qū)域平均磨耗量W和研磨子磨耗分量Wb相等，即：

此即為第1 鏇修周期單位段長研磨子磨耗分量，第2 鏇修周期的相應(yīng)結(jié)果由式(7)進(jìn)一步得到。把所得研磨子磨耗分量代入式(1)或(3)，即得到單位段長的輪軌磨耗分量。

3.2.2 結(jié)果

采用上面的估計方法，得到2個鏇修周期磨耗分量分布結(jié)果如圖11 所示。研磨子磨耗分量分布呈現(xiàn)中間低兩端高的特點(diǎn)，輪軌磨耗分量分布在名義滾動圓附近，呈現(xiàn)中間高兩端低的特點(diǎn)，兩者共同作用為總磨耗量，即圖中頂部虛線。2 個鏇修周期內(nèi)單位段長的研磨子磨耗分量W0-b分別為2.93×10?4mm 和5.49×10?5mm，W30-b分 別為5.73×10?4mm 和1.08×10?4mm，0 和30 mm 處第2 周期相比第1 周期分別降低81.26%和81.15%，輪軌磨耗分 量W0-r均 為1.87×10?4mm，W30-r均 為2.23×10?6mm。

圖11 單位段長2種車輪磨耗分量Fig.11 Two kinds of wheel wear components per unit length

將單位段長下磨耗量折算為每萬km 磨耗量，可知2 個鏇修周期研磨子磨耗速率W0-b分別為0.12mm/萬km 和0.02 mm/萬km，W30-b分 別 為0.24mm/萬km 和0.05 mm/萬km，輪軌磨耗速率W0-r約為0.08 mm/萬km，W30-r接近0。

4 結(jié)論

1) 與干線動車組相比，城際動車組車輪的磨耗速率更大，最大差5.6 倍，最大磨耗發(fā)生于踏面外側(cè)(20～50 mm)，而非名義滾動圓附近。研磨子頻繁作用和硬度過大是造成磨耗過快的主因。

2) 研磨子不變的前提下，變更LMA 和LM 型面對車輪磨耗基本無影響。更換研磨子工作模式和材質(zhì)后，磨耗速率明顯下降，表面狀態(tài)良好。

3) 由接觸分析發(fā)現(xiàn)，踏面30～50 mm 區(qū)域磨耗由研磨子磨耗分量主導(dǎo)，而?30～30 mm 區(qū)域是研磨子和輪軌2種磨耗分量共同作用的結(jié)果。

4)對于LM 型面，研磨子和輪軌2 種磨耗分量的估計結(jié)果如下：2 個周期內(nèi)研磨子磨耗分量的磨耗 速 率W0-b為0.12 mm/萬km 和0.02 mm/萬km，W30-b為0.24 mm/萬km 和0.05 mm/萬km；輪軌磨耗分量的磨耗速率W0-r約為0.08 mm/萬km，W30-r接近0。