車輪尺寸對車輪磨耗的影響規(guī)律研究

曾元辰，唐 旭，張衛(wèi)華，宋冬利，胡軍海

(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)

車輪是動車組的關(guān)鍵部件，起著承載、導(dǎo)向、牽引、制動等重要作用，其狀態(tài)直接影響車輛安全和運(yùn)行品質(zhì)。同時車輪也是動車組重要的磨耗件之一，數(shù)量多，消耗大，檢修和更換頻繁。在長期服役過程中，車輪磨耗會影響車輪外形和輪軌接觸關(guān)系，進(jìn)而影響車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。車輪磨耗與車輛動力學(xué)密切相關(guān)。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對車輪磨耗機(jī)理、影響因素及其作用規(guī)律進(jìn)行了大量研究。在車輪磨耗建模方面，文獻(xiàn)[1]基于Simpack和Archard理論建立車輪磨耗仿真模型和非線性迭代算法，其結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)較一致。文獻(xiàn)[2]通過車輛動力學(xué)與磨耗的迭代計算，建立了車輪磨耗仿真模型。文獻(xiàn)[3]建立了考慮軌道參數(shù)隨機(jī)分布的車輪磨耗預(yù)測模型。文獻(xiàn)[4]基于輪軌有限元模型，提出踏面磨耗簡化預(yù)測算法。文獻(xiàn)[5]改進(jìn)了摩擦功模型，提出彈、塑性區(qū)摩擦功評估指數(shù)。文獻(xiàn)[6]通過跟蹤測試研究了車輪廓形磨耗規(guī)律。文獻(xiàn)[7]建立了一種純數(shù)據(jù)驅(qū)動的輪徑、輪緣厚預(yù)測模型。文獻(xiàn)[8]采用多項(xiàng)式擬合和聚類分析建立了車輪磨耗規(guī)律模型。文獻(xiàn)[9]采用線性混合模型建立了車輪磨耗數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[10]建立了基于里程的車輪廓形磨耗預(yù)測模型。文獻(xiàn)[11]建立了基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的輪緣磨耗模型和基于數(shù)理統(tǒng)計的輪徑磨耗模型。文獻(xiàn)[12]采用純數(shù)據(jù)驅(qū)動方法建立了踏面磨耗預(yù)測模型。在車輪磨耗影響因素分析方面，文獻(xiàn)[13]研究踏面磨耗及其演變規(guī)律，分析了接觸帶寬與磨耗的關(guān)系。文獻(xiàn)[14]通過車輪磨耗跟蹤測量，研究了車輪表面硬度和車輛動力學(xué)性能對磨耗速率的影響。文獻(xiàn)[15]通過試驗(yàn)研究了不同輪軌硬度比和蠕滑率下的輪軌磨耗情況。文獻(xiàn)[16]基于仿真和實(shí)測廓形，研究了多個參數(shù)對車輪磨耗的影響。

但是，長期以來關(guān)于車輪磨耗規(guī)律的研究大多針對不同的車輪廓形、車輪材料、輪軌接觸狀態(tài)等。車輪尺寸作為車輛的重要參數(shù)，在新造、服役、維修、報廢的車輪全生命周期中不斷發(fā)生變化(在一定限度內(nèi))。僅有文獻(xiàn)[8-9, 11, 16]等基于實(shí)測數(shù)據(jù)提及了車輪尺寸對磨耗的影響，但缺乏機(jī)理層面的研究和系統(tǒng)性的論證。因此，為更好掌握輪對長期服役過程中的車輪磨耗規(guī)律，本文綜合運(yùn)用機(jī)理分析、仿真計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等方法，提出并驗(yàn)證車輪尺寸對車輪磨耗的影響規(guī)律，并進(jìn)一步介紹相關(guān)研究成果的工程應(yīng)用。

1 不同車輪尺寸對輪對動力學(xué)的影響

1.1 車輪尺寸與車輪磨耗

選擇我國某型動車組為案例，其車輪廓形如圖1所示，包括踏面區(qū)、輪緣區(qū)兩個重要區(qū)段。為簡化表征車輪外形，提取若干尺寸參數(shù)，其中踏面區(qū)最基本的是車輪直徑(以下簡稱“輪徑”)；輪緣區(qū)最基本的是輪緣厚度(以下簡稱“輪緣厚”)。在車輪服役過程中，踏面區(qū)、輪緣區(qū)會分別發(fā)生踏面磨耗、輪緣磨耗，由此引發(fā)的尺寸參數(shù)變化分別為輪徑磨耗量、輪緣厚磨耗量，如圖1所示。本文聚焦輪徑、輪緣厚這兩個關(guān)鍵參數(shù)，研究其對踏面磨耗、輪緣磨耗的影響規(guī)律。

圖1 車輪尺寸參數(shù)與車輪磨耗

值得注意的是，在車輪全生命周期中，允許其尺寸參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化，比如輪徑的許用范圍為原型輪徑(本文為920 mm)至報廢輪徑(本文為830 mm)，輪緣厚的許用范圍為原型輪緣厚(本文為32 mm)至其最低限度(本文為26 mm)。

車輪磨耗是輪軌作用導(dǎo)致的材料損耗，根據(jù)經(jīng)典的Archard滑動磨耗模型[17]，車輪磨耗體積ΔV與磨耗系數(shù)kw、輪軌法向接觸力P、輪軌切向相對滑動量s成正比，與材料硬度H成反比，其表達(dá)式為

( 1 )

由于接觸斑內(nèi)各處的法向應(yīng)力和滑動量均不相同，因此對接觸斑進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時黏著區(qū)內(nèi)因無相對滑動不發(fā)生磨耗。滑動區(qū)內(nèi)每個單元的相對滑動量為

( 2 )

式中：v(x,y)為單元內(nèi)相對滑動速度；vx為車輪實(shí)際前進(jìn)速度；Δx為單元縱向尺寸。

由式( 1 )和式( 2 )，結(jié)合蠕滑率的定義[18]，可以得到各單元的磨耗深度為[3]

( 3 )

式中：p(x,y)為單元內(nèi)法向應(yīng)力；ξx為縱向蠕滑率；ξy為橫向蠕滑率。

車輛-輪對-軌道是一個復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)，車輛的動力學(xué)行為影響輪軌接觸位置、輪對運(yùn)動狀態(tài)和蠕滑率，進(jìn)一步影響接觸斑尺寸、滑動區(qū)和法向力分布，最終導(dǎo)致不同的磨耗特性。本章基于車輛動力學(xué)理論，研究不同車輪尺寸對輪對動力學(xué)的影響，提出其對車輪磨耗的影響規(guī)律。

1.2 車輪尺寸對踏面磨耗的影響

1.2.1 輪徑對踏面磨耗的影響

(1)法向接觸應(yīng)力

踏面磨耗主要發(fā)生在車輪踏面區(qū)與軌頭發(fā)生接觸時，可認(rèn)為其滿足Hertz接觸假設(shè)，即接觸斑是一個橢圓，其半長軸a、半短軸b分別為[18]

( 4 )

式中：m和n為橢圓積分；G*為等效楊氏模量；1/Rwx、1/Rwy和1/Rrx、1/Rry分別為車輪和鋼軌在接觸點(diǎn)處繞x軸、y軸的主曲率，且Rwy近似等于車輪名義半徑r0。

法向應(yīng)力在接觸斑內(nèi)的分布為[18]

( 5 )

由式( 4 )、式( 5 )可知，輪徑越小，接觸斑長、短半軸均越小，因此接觸斑面積減小，法向應(yīng)力增大，根據(jù)式( 3 )可得踏面磨耗量增大。

(2)縱向蠕滑率

蠕滑率是輪軌之間相對滑動的一種度量參數(shù)，由輪軌間的相對運(yùn)動速度和輪對前進(jìn)速度定義，其中準(zhǔn)靜態(tài)情況下縱向蠕滑率為[18]

( 6 )

式中：r為車輪實(shí)際滾動半徑；ω為車輪轉(zhuǎn)動角速度；Δr為車輪實(shí)際滾動半徑與名義半徑之差，當(dāng)踏面廓形不變時，可認(rèn)為其與名義輪徑大小無關(guān)。因此，輪徑越小，車輪縱向蠕滑率越大，根據(jù)式( 3 )可得踏面磨耗量增大。

(3)磨耗深度

車輪磨耗是各單元磨耗量在空間和時間上的累積，其累積磨耗深度z與累積磨耗體積V的關(guān)系可表示為

( 7 )

式中：y為磨耗區(qū)寬度；d0為車輪名義直徑，d0=2r0?？梢?，當(dāng)材料損失體積一定時，輪徑越小，車輪駛過相同里程時的車輪轉(zhuǎn)數(shù)越多，因而踏面磨耗深度越大。

綜合以上三方面分析可得：踏面磨耗率隨輪徑的減小而增大。

1.2.2 輪緣厚對踏面磨耗的影響

目前，我國普遍采用多輪緣模板的薄輪緣鏇修模式，使不同輪緣厚的車輪具有相同的踏面區(qū)廓形，因而不影響踏面區(qū)的輪軌接觸。文獻(xiàn)[19-20]對比了該鏇修模式下不同輪緣厚車輪的動力學(xué)性能，結(jié)果顯示輪緣厚變化未造成明顯差異；文獻(xiàn)[8, 11]也通過數(shù)據(jù)分析得到，輪緣厚與踏面磨耗的相關(guān)性較低。綜上，不同輪緣厚對踏面磨耗沒有明顯影響。

1.3 車輪尺寸對輪緣磨耗的影響

1.3.1 輪徑對輪緣磨耗的影響

與踏面磨耗不同，輪緣磨耗主要發(fā)生在輪對橫移較大、輪緣接觸鋼軌時。相比踏面-軌頭接觸，輪緣接觸多發(fā)生于曲線運(yùn)行時。盡管輪緣接觸并非持續(xù)發(fā)生，但其造成的輪緣磨耗卻十分顯著。

為探究曲線通過時不同輪徑對車輛動力學(xué)的影響，引入穩(wěn)態(tài)曲線通過理論，在考慮錐形踏面、蠕滑力導(dǎo)向的情況下，輪對穩(wěn)態(tài)曲線通過時的橫向位移ys為[21]

ys=y0+y*

( 8 )

式中：y0為輪對純滾線相對軌道中心的偏移；y*為輪對相對純滾線的橫移。其中y0完全取決于車輪和軌道參數(shù)。

( 9 )

式中：br為軌距；λ為車輪錐度；R為曲線半徑。

y*的求解需要考慮蠕滑力、離心力和懸掛復(fù)原力的共同作用，其中超高角不足θd為[21]

(10)

式中：θ0為軌道超高角。超高不足引起的軸重變化對縱向蠕滑系數(shù)的影響為[21]

(11)

式中：hc為車體重心高；f11為名義縱向蠕滑系數(shù)。

同時，軸重可由輪對、轉(zhuǎn)向架和車體質(zhì)量mw、mb、mc確定(不考慮偏載)[21]，即

(12)

通過求解轉(zhuǎn)向架和輪對的運(yùn)動微分方程，可以得到穩(wěn)態(tài)解y*為[21]

(13)

式中：前/后轉(zhuǎn)向架取l′=±lc,lc為定距之半；lb為軸距之半；f22為橫向蠕滑系數(shù)；k1φ、k2φ分別為輪對、構(gòu)架搖頭角剛度；k1y為輪對橫向剛度；K0、K1、K2為系數(shù)計算式，分別為[21]

(14)

基于式( 8 )～式(14)及案例車型的主要參數(shù)(見表1)，計算得到不同曲線半徑R、不同速度、不同輪徑d0下的輪對穩(wěn)態(tài)橫移ys，如圖2所示?？梢?，相同工況下，輪徑越大，輪對穩(wěn)態(tài)橫移量越大，當(dāng)疊加因軌道不平順等引起的動態(tài)橫移量后，輪緣更容易接觸鋼軌，造成更多的輪緣磨耗。

表1 車輛動力學(xué)參數(shù)(部分)

圖2 輪對橫移與輪徑尺寸的關(guān)系

1.3.2 輪緣厚對輪緣磨耗的影響

當(dāng)輪對橫移加劇時，輪緣厚大小對輪緣接觸的發(fā)生具有重要影響。在其他條件相同時，輪緣越厚，車輪更容易與鋼軌接觸，如圖3(a)所示。

基于本文案例輪對標(biāo)準(zhǔn)廓形，建立單輪對-雙鋼軌幾何接觸模型，采用跡線法[22]求解不同輪緣厚下導(dǎo)致輪緣接觸的輪對最小橫移量，如圖3(b)所示?？梢?，輪緣越厚，輪對發(fā)生輪緣接觸所需的橫移量越小，換言之，輪對更容易發(fā)生輪緣接觸，進(jìn)而加劇輪緣磨耗。值得注意的是，上述分析僅考慮了單點(diǎn)接觸，沒有考慮輪對搖頭角的影響，因而結(jié)果中的橫移量較大，實(shí)際輪對橫移在5～8 mm即可能發(fā)生輪緣接觸。

圖3 輪緣接觸與輪緣厚尺寸的關(guān)系

2 不同車輪尺寸磨耗仿真分析

上述得到的磨耗規(guī)律是基于簡化車輛動力學(xué)和磨耗機(jī)理的定性分析，沒有考慮復(fù)雜的整車動力學(xué)行為及輪軌作用情況。本章將建立車輛系統(tǒng)動力學(xué)與車輪磨耗聯(lián)合仿真模型，通過仿真計算進(jìn)行定量分析、驗(yàn)證。

2.1 車輛動力學(xué)與車輪磨耗仿真建模

基于多體動力學(xué)仿真軟件Universal Mechanism (UM)建立案例車型的單車模型，如圖4所示，輪對懸掛包括轉(zhuǎn)臂定位、一系彈簧、一系垂向減振器，所有減振器均采用剛度、阻尼串聯(lián)的Maxwell模型，抗蛇行減振器具有非線性阻尼特性，模型部分關(guān)鍵參數(shù)見表1。軌道不平順采用我國實(shí)測軌道譜。

圖4 車輛動力學(xué)仿真模型

仿真計算中，輪軌接觸采用Kalker簡化理論(FASTSIM算法)求解，摩擦系數(shù)取一較小常量0.25，以增加輪軌相對滑動，放大磨耗量。在此基礎(chǔ)上，車輪磨耗計算采用Archard理論，磨耗系數(shù)kw隨接觸應(yīng)力和相對滑動速度取值不同[23]。

在實(shí)際服役過程中，車輪磨耗是持續(xù)發(fā)生的，并需要一定量的累積，才會對車輛動力學(xué)產(chǎn)生明顯的影響，進(jìn)而影響后續(xù)磨耗的發(fā)展。因此，在計算磨耗時，采用車輪廓形迭代更新策略：將仿真總里程劃分為若干個長度相等的更新周期，在每個周期內(nèi)車輪廓形保持不變，每個周期仿真結(jié)束后進(jìn)行磨耗量計算并更新車輪廓形，用于下一周期仿真?？紤]到案例車型的鏇修周期普遍為20萬km左右，因此設(shè)置磨耗仿真總里程為20萬km。此外，為了減少磨耗仿真的變化因素，突顯所設(shè)置仿真工況對車輪磨耗的影響，仿真過程中車輛始終在設(shè)置線路上重復(fù)單向運(yùn)行。為兼顧磨耗仿真精度和效率，車輪廓形更新周期取2 000 km。

2.2 不同輪徑的車輪磨耗仿真

通過仿真研究不同輪徑(所有車輪初始輪徑相同)對車輪磨耗的影響。仿真軌道選取我國高速鐵路正線常見的直線和大半徑曲線，以便同時研究踏面和輪緣的磨耗情況。設(shè)置軌道全長3 000 m，包括長1 720 m的直線段和長1 280 m曲線段。曲線段設(shè)置參考我國TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[24]，包括兩段長520 m的緩和曲線和一段長240 m的圓曲線，曲線半徑為4 500 m，超高為0.175 m，曲線方向?yàn)橛仪€，車輛運(yùn)行速度為300 km/h。

首先，對比1位輪對(其他輪對磨耗規(guī)律相似)在不同輪徑下的接觸斑面積均方根值、縱向蠕滑率均方根值、輪對總轉(zhuǎn)數(shù)、輪對橫向位移均方根值，如圖5所示。進(jìn)一步對比其磨耗情況，如圖6所示。

圖5 不同輪徑的輪軌動力學(xué)響應(yīng)

圖6 不同輪徑的車輪磨耗分布

由圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)可見，輪徑越小，接觸斑面積越小，縱向蠕滑率越大，車輪轉(zhuǎn)數(shù)越多；由圖6可見，輪徑越小，左右車輪的踏面磨耗量均越大，這些結(jié)果驗(yàn)證了第1章的分析和結(jié)論。

由圖5(d)可見，輪徑越大，輪對橫向位移越大；由圖6(a)可見，輪徑越大，左輪輪緣磨耗量越大。由于軌道設(shè)置為單向曲線，右側(cè)車輪未發(fā)生明顯的輪緣磨耗。

2.3 不同輪緣厚的車輪磨耗仿真

通過仿真研究不同輪緣厚(所有車輪初始踏面廓形相同)對車輪磨耗的影響。由于重點(diǎn)關(guān)注輪緣接觸，因此軌道設(shè)置選取直線和進(jìn)出站場的小半徑曲線。設(shè)置軌道全長1 500 m，包括長1 308 m的直線段和長192 m的曲線段。曲線段設(shè)置參考我國TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[24]，包括兩段長80 m的緩和曲線和一段長32 m的圓曲線，曲線半徑為600 m，超高為0.125 m，曲線方向?yàn)橛仪€。車輛運(yùn)行速度為40 km/h。

首先，對比1位輪對在不同輪緣厚下的輪對橫向位移均方根值、輪軌橫向力均方根值，如圖7所示。進(jìn)一步對比其磨耗情況，如圖8所示。

圖7 不同輪緣厚的輪軌動力學(xué)響應(yīng)

圖8 不同輪緣厚的車輪磨耗分布

由圖7可知，輪緣越厚對輪對橫移的限制越大，輪對實(shí)際橫移越小，同時因輪緣接觸導(dǎo)致的輪軌橫向力越大；由圖8(a)可知，輪緣厚越大，左輪輪緣磨耗量越大，這些結(jié)果驗(yàn)證了第1章的分析結(jié)論。此外，由圖8可知，輪緣厚變化對踏面磨耗的影響較小，且沒有明顯規(guī)律，這與第1章的結(jié)論一致。通過車輛動力學(xué)與車輪磨耗仿真，既驗(yàn)證了上述分析過程的有效性，也驗(yàn)證了所得磨耗規(guī)律的正確性。

3 現(xiàn)場磨耗數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

上述仿真工況比較單一，無法完全模擬車輛服役過程中復(fù)雜多變的工況，從而無法再現(xiàn)實(shí)際車輪磨耗情況。因此，本章通過分析案例車型的歷史磨耗數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對本文得到的磨耗規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證，并介紹其工程應(yīng)用價值。

3.1 踏面磨耗規(guī)律驗(yàn)證

磨耗數(shù)據(jù)來源于案例車型在輪對鏇修前后的尺寸檢測。一個車輪在單鏇修周期內(nèi)的踏面磨耗量為該車輪鏇前輪徑與前一次鏇后輪徑之差，除以鏇修間隔里程，即可得到踏面磨耗速率。同時，考慮頭尾車與中間車動力學(xué)行為的差異，對其分別進(jìn)行分析。將所有磨耗數(shù)據(jù)按照輪徑劃分為若干區(qū)間，對不同區(qū)間內(nèi)的踏面磨耗速率進(jìn)行特征統(tǒng)計，同時用正態(tài)分布擬合各區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)的隨機(jī)分布，結(jié)果如圖9所示。由此結(jié)果可見：

圖9 踏面磨耗數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證

(1)相同輪徑的車輪，其踏面磨耗速率呈現(xiàn)一定的離散性，且符合正態(tài)分布，這與運(yùn)行交路、運(yùn)行環(huán)境、其他車輪參數(shù)等因素相關(guān)。

(2)從樣本統(tǒng)計特征值的整體趨勢來看，無論是頭尾車還是中間車，車輪直徑越小，其踏面磨耗速率越大，踏面磨耗越嚴(yán)重。

(3)頭尾車的踏面磨耗速率比中間車更快，這與兩者不同的動力學(xué)行為有關(guān)。

3.2 輪緣磨耗規(guī)律驗(yàn)證

同理，根據(jù)車輪鏇前輪緣厚與前一次鏇后輪緣厚之差計算得到輪緣磨耗量，除以鏇修間隔里程即可得到輪緣磨耗速率。分別按照輪徑、輪緣厚將所有磨耗數(shù)據(jù)劃分為若干區(qū)間，對不同區(qū)間內(nèi)的輪緣磨耗速率進(jìn)行特征統(tǒng)計、正態(tài)分布擬合，結(jié)果如圖10所示。值得注意的是，圖10中部分車輪的輪緣磨耗速率為負(fù)值，原因在于踏面磨耗導(dǎo)致輪緣厚測量基準(zhǔn)下降(即圖1中A點(diǎn)降低至A′點(diǎn))，導(dǎo)致輪緣厚測量值增大，當(dāng)輪緣的磨耗量不足以抵消該增量時，輪緣厚磨耗即為負(fù)值。盡管如此，該輪緣厚磨耗速率仍然能有效表征和量化輪緣磨耗情況。由此結(jié)果可見：

(1)與踏面磨耗相似，實(shí)際的輪緣磨耗速率也呈現(xiàn)一定的離散性，且符合正態(tài)分布。

(2)從圖10(c)中樣本統(tǒng)計特征值的整體趨勢看，對于中間車，車輪直徑越大，其輪緣磨耗速率越大，輪緣磨耗更嚴(yán)重。

(3)從圖10(a)中樣本統(tǒng)計特征值的整體趨勢來看，當(dāng)輪徑大于880 mm時，車輪直徑越大，其輪緣磨耗速率越大，輪緣磨耗更嚴(yán)重；而當(dāng)輪徑小于880 mm時，輪徑尺寸對頭尾車輪緣磨耗的影響不顯著。

(4)從圖10(b)、圖10(d)中樣本統(tǒng)計特征值的整體趨勢看，無論是頭尾車還是中間車，車輪輪緣厚越大，其輪緣磨耗速率越大，輪緣磨耗更嚴(yán)重。

圖10 輪緣磨耗數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證

3.3 磨耗規(guī)律的工程應(yīng)用

本文提出并驗(yàn)證了不同輪徑、輪緣厚尺寸對車輪磨耗的影響規(guī)律，其可在動車組運(yùn)用和檢修過程中得到廣泛應(yīng)用，其中部分應(yīng)用場景如下：

(1)輪對檢修限值優(yōu)化

輪徑、輪緣厚的許用范圍一般在動車組設(shè)計階段已經(jīng)確定，在輪對各級檢修過程中往往采取不同的檢修限值。本文結(jié)論可以支持對這些檢修限值優(yōu)化，節(jié)約車輪全生命周期成本。例如，適當(dāng)降低案例車型高級修輪緣厚限值，可降低輪緣磨耗，也可減少高級修輪對到限數(shù)量，節(jié)約檢修成本。

(2)車輪磨耗建模與預(yù)測

在動車組長期服役過程中，車輪磨耗與鏇修均會導(dǎo)致車輪尺寸參數(shù)退化。根據(jù)本文得到的結(jié)論，不同的鏇后輪徑、輪緣厚會影響未來的踏面磨耗和輪緣磨耗。同時，鏇修時輪徑損耗量也與輪緣厚的變化量密切相關(guān)。上述兩方面交替作用，構(gòu)成了一個閉環(huán)的車輪尺寸參數(shù)退化路徑，如圖11所示，可據(jù)此建立輪徑、輪緣厚磨耗規(guī)律模型，實(shí)現(xiàn)車輪尺寸參數(shù)退化預(yù)測[25]。

圖11 車輪尺寸參數(shù)迭代預(yù)測

與此前單獨(dú)針對輪徑或輪緣厚進(jìn)行磨耗預(yù)測的研究[7-8,11-12]不同，該方法考慮了輪徑和輪緣厚的互相影響。同時，該方法支持?jǐn)?shù)據(jù)驅(qū)動的磨耗建模方法，挖掘歷史數(shù)據(jù)中潛藏的磨耗規(guī)律，避免了機(jī)理驅(qū)動磨耗仿真的復(fù)雜性，特別適于工程應(yīng)用。基于該方法，還可進(jìn)一步計算車輪使用壽命，評估車輪壽命可靠性，為制定維修計劃提供依據(jù)。該方法目前已被成功應(yīng)用到中國鐵路上海局集團(tuán)公司的輪對管理系統(tǒng)中，為技術(shù)人員提供了更科學(xué)的輪對壽命分析和維修支持工具。

如上所述，實(shí)際的車輪磨耗呈現(xiàn)一定的離散性，受到眾多因素的共同作用，僅考慮車輪尺寸進(jìn)行磨耗預(yù)測的結(jié)果難免存在誤差。對此，一方面要合理利用該算法對輪對總體的統(tǒng)計意義，在建模時盡量減少其他變量，如按不同車型、不同配屬所等分別建模；另一方面，也要意識到該算法在個體預(yù)測精度上的局限性。隨著輪對運(yùn)用、檢修數(shù)字化程度的不斷提升，未來的輪對磨耗預(yù)測可在該算法的基礎(chǔ)上，考慮更多的影響因素，如交路、速度、天氣等，從而實(shí)現(xiàn)更高的預(yù)測精度。

4 結(jié)論

通過車輛動力學(xué)與車輪磨耗機(jī)理分析、整車磨耗仿真計算、實(shí)測磨耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，提出并驗(yàn)證了不同輪徑、輪緣厚尺寸對車輪磨耗的影響規(guī)律，并介紹了其工程應(yīng)用價值。得到結(jié)論如下：

(1)輪徑會影響踏面磨耗。對于案例車型，相同條件下，輪徑越小，接觸斑面積越小，接觸斑內(nèi)法向應(yīng)力越大，縱向蠕滑率越大，運(yùn)行相同里程時的車輪轉(zhuǎn)數(shù)越多，加劇踏面磨耗。

(2)輪徑、輪緣厚均會影響輪緣磨耗。對于案例車型，相同條件下，輪徑越大，輪對曲線通過時橫移越大，加劇輪緣磨耗；相同條件下，輪緣越厚，輪對與鋼軌越容易發(fā)生輪緣接觸，加劇輪緣磨耗。

(3)實(shí)際的輪對磨耗情況整體上符合上述規(guī)律，但也呈現(xiàn)一定的離散性。

基于本文的結(jié)論，可建立輪徑、輪緣厚磨耗規(guī)律模型，實(shí)現(xiàn)車輪尺寸參數(shù)退化的迭代預(yù)測，進(jìn)而支撐動車組輪對管理與運(yùn)維決策。