高速列車LMB_10 型車輪踏面經(jīng)濟型薄輪緣外形優(yōu)化*

李國棟

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

隨動車組運行里程的增加，車輪輪緣厚度由于磨耗逐漸減小，達到一定里程時需要及時對車輪進行旋修，以滿足車輛在不同線路條件下運行時的安全性和平穩(wěn)性要求［1］。僅以原型方案進行旋修，需要同時恢復輪緣和踏面常工作區(qū)，根據(jù)實際車輪旋修作業(yè)，每提高1 mm 輪緣厚度，車輪直徑方向需要切削6～7 mm，造成大量不必要的浪費，大幅縮短車輪使用壽命，如圖1 所示。因此在動車組車輪運用過程中優(yōu)先考慮恢復影響車輛動力學性能的踏面工作區(qū)，采用經(jīng)濟性旋修方案進行旋修。

圖1 車輪旋修示意

目前我國投入運營的動車組逐年增多，從車輪旋修的角度如何在保證車輛運行安全的前提下減小車輪維護成本，延長車輪使用壽命是我國廣大鐵路工作者面臨的重大挑戰(zhàn)。劉新明［2］通過大量調(diào)研，總結(jié)了采用經(jīng)濟性旋修初期出現(xiàn)的各類問題，評估了我國車輛車輪經(jīng)濟旋修的優(yōu)缺點。董孝卿和王悅明等［3-5］研究了薄輪緣踏面設計在歐洲的應用，并設計了S1002CN 型、LMD型踏面薄輪緣經(jīng)濟旋修方案，利用高次曲線連接輪緣與踏面的過渡，實現(xiàn)輪緣減薄的目的，并通過車輪磨耗量的跟蹤測試，提出了旋修策略。李秋澤［6］利用仿真設計了XP55 型踏面薄輪緣經(jīng)濟旋修方案，并通過了現(xiàn)場試驗驗證，提高了旋修經(jīng)濟性。

國外學者在車輪踏面優(yōu)化設計方面做了許多工作。Heller［7］以降低輪軌磨耗為目標對車輪踏面進行閉環(huán)程序設計，通過仿真計算對既有踏面和優(yōu) 化 踏 面 進 行 了 對 比 驗 證；Smith 和Kalousek［8］從優(yōu)化輪軌匹配關(guān)系的角度研發(fā)了圓弧形踏面的優(yōu)化 設 計 程 序；Persson 和Iwnicki［9］基 于 遺 傳 算 法 開發(fā)了車輪踏面優(yōu)化設計程序，針對一系剛性轉(zhuǎn)向架和一系彈性轉(zhuǎn)向架分別優(yōu)化了2 種踏面；Wu Huimin［10］以鋼軌型面為基礎，提出了直接擴展車輪踏面優(yōu)化方法，并在倫敦地鐵取得了良好的應用效果；Polach［11］充分分析了輪軌匹配關(guān)鍵參數(shù)如等效錐度、接觸角等之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出以優(yōu)化等效錐度和接觸范圍為目標的車輪踏面設計方法；Shevtsov 和Markine［12-13］基 于 大 量 實 測 車 輪 踏面和鋼軌廓形運用數(shù)據(jù)基礎上提出了車輪逆向設計方法；Haque［14］考慮輪軌匹配非線性，采用最優(yōu)化設計方法進行踏面外形設計，并進行了仿真計算驗證。

改進的LMB_10型車輪踏面，通過等效錐度分區(qū)控制設計，有效解決原型踏面存在的車輛蛇行和抖動等異常振動問題。文中在踏面設計時總結(jié)了既有動車組踏面設計時出現(xiàn)的車輛異常晃動問題［3］，避免類似故障的發(fā)生。此外利用動力學仿真，從車輛運行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、安全性3 方面對新設計踏面進行了驗證；并在試驗驗證階段對車輪磨耗及轉(zhuǎn)向架振動進行跟蹤。

1 LMB_10 型車輪踏面

LMB_10型車輪踏面在S1002CN 車輪踏面基礎上，對等效錐度進行分區(qū)控制，如圖2 所示。根據(jù)踏面不同區(qū)域等效錐度的差異將車輪踏面劃分3部分，即設計錐度區(qū)（踏面常工作區(qū)）、高錐度區(qū)、低錐度區(qū)。優(yōu)化設計的原則為：保持常工作區(qū)內(nèi)原踏面設計錐度不變，減小高錐度區(qū)錐度，增大低錐度區(qū)錐度，具體如下：

圖2 踏面等效錐度分區(qū)控制

（1）設計錐度區(qū)與S1002CN 車輪踏面基本相當。

（2）在高錐度區(qū)減小輪緣厚度從而增大輪軌間隙，為減小車輪橫移量過大時喉根圓與鋼軌軌肩角匹配的等效錐度，適當降低喉根圓處的廓形斜率，避免抖車、報警問題。

（3）為增大車輪橫移量過大時踏面端部與鋼軌軌頂匹配的等效錐度，提高踏面端部廓形斜率，避免晃車問題。

文獻［15-16］詳細闡述了LMB_10型車輪踏面設計方案，并通過仿真和線路試驗證明，該改進車輪踏面有效改善車輛的蛇行運動穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和曲線通過性，具有良好的動力學性能，這里不過多闡述。

2 經(jīng)濟旋修方案設計

既有運營動車組旋修時，保持原踏面形狀、適當降低輪緣厚度進行踏面經(jīng)濟性旋修，中車四方所在S1002CN 原型踏面基礎上設計了CN 型薄輪緣車輪外形，共計19 個型面，對應輪緣厚度從34.5 mm 至26 mm 變化［16］。與原型相比，薄輪緣外形保持常工作區(qū)踏面外形、輪緣高度不變，利用高次曲線實現(xiàn)不同厚度的輪緣根部過渡，在滿足運用和維修要求基礎上，減小了車輪旋修量，具有經(jīng)濟性。

參考CN 型薄輪緣車輪外形設計方法，改進LMB_10型踏面薄輪緣踏面外形在設計時保持常工作區(qū)踏面外形、輪緣高度不變，僅對輪緣厚度部分做了調(diào)整，每間隔0.5 mm 為1 個梯度，自輪緣厚度32～26 mm，共計13 個型面，同時考慮QR 值大于6.5 mm 的 要求，如圖3 所 示。

圖3 薄輪緣經(jīng)濟性踏面

與原型方案相比改進踏面薄輪緣經(jīng)濟性旋修方案在踏面橫向坐標-27～65 mm 范圍內(nèi)廓形相同，該區(qū)域為輪軌常接觸區(qū)；在踏面橫向坐標-70～-27 mm 范圍內(nèi)利用不同圓弧連接過渡以實現(xiàn)輪緣厚度減薄。

3 薄輪緣踏面輪軌接觸幾何關(guān)系分析

將改進踏面薄輪緣踏面分別與標準CN60 鋼軌廓形匹配進行等效錐度和接觸角差計算，如圖4所示。在8 mm 輪對橫移范圍內(nèi)等效錐度和接觸角差與原型相同。

圖4 薄輪緣踏面與CN60 鋼軌匹配輪軌接觸關(guān)系

4 薄輪緣踏面動力學性能計算

利用動力學仿真對改進踏面薄輪緣外形對車輛動力學性能的影響進行分析，建立了包括動車、拖車在內(nèi)的8 編組列車動力學仿真模型，同時考慮了目前國內(nèi)高速線路應用的60D 和60N 鋼軌廓形，如圖5 所示。

圖5 動力學仿真模型

4.1 橫向穩(wěn)定性分析

仿真分析改進踏面薄輪緣外形分別與60D 和60N 這2 種鋼軌廓形匹配下各車的車輛橫向穩(wěn)定性，如圖6 所示。構(gòu)架橫向振動加速度經(jīng)0.5～10 Hz濾波，均未出現(xiàn)幅值大于0.8g的諧波振動，滿足標準要求。對比不同輪緣厚度下的構(gòu)架橫向加速度，無明顯差異。

圖6 構(gòu)架橫向振動加速度計算結(jié)果

4.2 運行平穩(wěn)性分析

采用武廣譜作為軌道不平順激勵輸入，仿真計算車體橫向平穩(wěn)性指標、垂向平穩(wěn)性指標和舒適度指標，如圖7～圖9 所示。車體不同端部的平穩(wěn)性指標均小于2.5，舒適度指標均小于2.0，滿足標準要求。對比不同輪緣厚度下的平穩(wěn)性指標和舒適度指標，無明顯差異。

圖7 車體前端橫向平穩(wěn)性指標

圖9 車體前端舒適度指標

4.3 運行安全性分析

在武廣譜激擾下，仿真計算不同曲線工況下輪軌動態(tài)作用力，如圖10～圖13 所示。結(jié)果表明：不同工況下輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等安全性指標均小于標準限值，并具有一定的安全裕量。

圖1 3 輪重減載率

圖1 2 脫軌系數(shù)

圖1 1 輪軌垂向力

圖1 0 輪軸橫向力

圖8 車體前端垂向平穩(wěn)性指標

5 線路跟蹤試驗驗證

對應用改進踏面薄輪緣外形的動車組車輪磨耗和轉(zhuǎn)向架振動、車體平穩(wěn)性進行跟蹤測試，分析車輪踏面磨耗、輪緣磨耗、等效錐度等隨車輛運用里程的變化規(guī)律，同時評估不同踏面狀態(tài)對轉(zhuǎn)向架橫向振動、車體運行平穩(wěn)性的影響，如圖14 所示。通過定期對跟蹤車輛利用便攜式測試設備進行踏面外形測試，獲得不同車輛走行里程下的車輪踏面外形，用于車輪磨耗、等效錐度的分析；通過在跟蹤車輛構(gòu)架、車體安裝傳感器，實時采集加速度信息，用于分析轉(zhuǎn)向架振動及車體運行平穩(wěn)性，如圖15 所示。

圖1 5 轉(zhuǎn)向架振動測試

圖1 4 車輪踏面外形測試

5.1 磨耗跟蹤測試

對一列裝用改進踏面薄輪緣外型車輪的動車組進行磨耗跟蹤測試，按照不同的輪緣厚度進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖16 所示。不同輪緣厚度的薄輪緣外形輪軌匹配等效錐度、踏面磨耗量、輪緣磨耗量基本相當，無明顯差異。

圖1 6 不同輪緣厚度方案對磨耗和動力學性能影響

5.2 車輛動力學跟蹤測試

為驗證改進踏面薄輪緣方案對車輛動力學性能的影響，分別選取2 列動車組進行振動跟蹤測試，跟蹤周期均為120 萬km。其中動車組A 主要運行線路為哈大線、鄭徐線、京廣線等；動車組B主要運行線路為滬寧線、京滬線、徐蘭線等。跟蹤期間，隨運行里程的增加，2 列動車組的輪緣厚度逐漸減小，由原型32 mm 降低至27 mm，跟蹤期間所有的旋修均采用改進踏面薄輪緣方案。

對比動車組A 在旋修初期和車輪磨耗后期以300 km/h 速度等級運行時的橫向平穩(wěn)性指標，均滿足標準要求，達到優(yōu)級，如圖17 所示。

圖1 7 動車組A 平穩(wěn)性指標

對比動車組B 在旋修初期和車輪磨耗后期以350 km/h 速度等級運行時的橫向平穩(wěn)性指標，均滿足標準要求，達到優(yōu)級，如圖18 所示。

圖1 8 動車組B 平穩(wěn)性指標

對比動車組A 和動車組B 在車輪磨耗后期構(gòu)架橫向穩(wěn)定性，構(gòu)架橫向振動加速度經(jīng)0.5～10 Hz濾波后的最大值均小于失穩(wěn)報警限值0.8g如圖19 所示。

圖1 9 車輪磨耗后期構(gòu)架橫向穩(wěn)定性

6 結(jié) 論

對改進的LMB_10型車輪踏面進行薄輪緣經(jīng)濟旋修方案優(yōu)化設計和驗證，可得到以下結(jié)論。

（1）在保持既有原型踏面常工作區(qū)域不變的基礎上，利用高次曲線對不同輪緣厚度與踏面連接過渡段進行優(yōu)化調(diào)整，共設計了13 個薄輪緣外形，能夠滿足輪軌幾何接觸關(guān)系的要求。

（2）通過輪軌接觸關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)不同輪緣厚度踏面外形方案在輪對橫移量8 mm 以內(nèi)等效錐度、接觸角等輪軌接觸關(guān)系與改進踏面原型結(jié)果相同。

（3）基于動力學仿真計算和線路跟蹤測試驗證了所設計旋修方案，在車輪旋修周期內(nèi)車輛均能夠保證良好的動力學性能，避免因原型旋修時為恢復輪緣厚度而造成車輪直徑的大量浪費，降低了動車組檢修維護成本。因此建議在裝用改進的LMB_10型車輪踏面的動車組上，配套施行和推廣該經(jīng)濟旋修方案。