基于輪軌匹配的小曲線輪緣異常磨耗機(jī)理與控制措施

許自強(qiáng)， 董孝卿， 彭中彥， 陳 彪

(1. 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； 2. 廣東廣珠城際軌道交通有限責(zé)任公司，廣州 510335)

車輪輪緣磨耗是動(dòng)車組服役過程中的正?，F(xiàn)象，一般發(fā)生在小曲線上。但是隨著輪軌磨耗，部分線路的輪軌型面將偏離設(shè)計(jì)值，使得輪軌匹配關(guān)系惡化，輪緣磨耗速率顯著加快，導(dǎo)致鏇修周期內(nèi)出現(xiàn)輪緣厚度到限、車輪偏磨、車輪QR值超限等問題。每恢復(fù)1 mm的輪緣厚度將損失大量的輪徑，輪緣快速磨耗將顯著降低輪對(duì)使用壽命，是導(dǎo)致部分列車車輪提前報(bào)廢的主要原因之一[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)小曲線輪軌磨耗問題已進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[2-5]開展了輪軌磨耗預(yù)測(cè)模型、預(yù)測(cè)方法的研究，提高了輪軌磨耗預(yù)測(cè)的精度。文獻(xiàn)[6]采用鐵路動(dòng)力分析程序VAMPIRE對(duì)車輪運(yùn)行不同加載條件、接觸應(yīng)力、磨損和疲勞進(jìn)行計(jì)算，提出了優(yōu)化車輪外形。Cui等[7]基于曲線沖角、接觸力等參數(shù)反向優(yōu)化了車輪型面。Ishida等[8]通過線路試驗(yàn)詳細(xì)研究了不同潤(rùn)滑方法對(duì)輪緣磨耗的影響。孫傳喜等[9]研究了機(jī)車輪緣及曲線區(qū)段鋼軌型面磨耗演變規(guī)律，得到了磨耗速率低的輪軌型面。馬衛(wèi)華等[10]研究了軸箱定位偏差對(duì)輪緣磨耗的影響。許宏等[11]研究了輪緣鏇修厚度的策略能較好地延長(zhǎng)輪對(duì)期望使用壽命。胡海濱等[12]針對(duì)大秦鐵路貨車輪緣磨耗研究提出了提高車輪硬度、控制輪徑差等控制措施。以上研究主要集中于輪軌磨耗預(yù)測(cè)、輪軌型面優(yōu)化以及減磨措施研究。由于實(shí)際線路輪軌型面隨著磨耗不斷變化，從服務(wù)于實(shí)際運(yùn)用維護(hù)角度，輪緣磨耗機(jī)理與減磨措施需要做更多的針對(duì)性研究工作。

近些年，部分城際線路出現(xiàn)了輪緣異常快速磨耗問題，造成輪對(duì)壽命顯著下降，極大的增加維護(hù)成本，影響運(yùn)營(yíng)秩序。為了解決輪緣快速磨耗問題，論文基于實(shí)際偏磨線路現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從輪軌幾何匹配關(guān)系分析、輪軌磨耗機(jī)理研究等方法開展輪緣磨耗機(jī)理的深入研究，提出緩解車輪輪緣磨耗措施，對(duì)比分析各項(xiàng)措施的效果。

1 小曲線輪軌偏磨調(diào)研與輪軌匹配分析

機(jī)車車輛輪軌匹配與懸掛參數(shù)設(shè)置保證了車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性，在長(zhǎng)大直線與大半徑曲線區(qū)段輪軌接觸區(qū)域集中于踏面與軌頂位置，一般不會(huì)出現(xiàn)輪緣接觸。但是當(dāng)機(jī)車車輛通過小半徑曲線時(shí)，在慣性、輪對(duì)沖角的作用下，小曲線外側(cè)與外軌車輪發(fā)生輪緣接觸，引起車輪輪緣磨耗。

某城際線路運(yùn)行的多列動(dòng)車組頻繁出現(xiàn)輪緣厚度超下限的問題，其中最嚴(yán)重的一列動(dòng)車組在60萬km的服役過程中，因?yàn)檩喚壓穸瘸捱M(jìn)行了20次臨修，嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)秩序，增加了維護(hù)成本。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)輪緣厚度每恢復(fù)1 mm，輪徑的損失量可達(dá)8～10 mm。如果不降低輪緣磨耗速率，該城際動(dòng)車組在120萬km高級(jí)修之前輪輞厚度將提前達(dá)到報(bào)廢限度。從輪餅費(fèi)用、更換費(fèi)用、長(zhǎng)時(shí)間換輪扣修等方面，如果整列車的輪對(duì)提前報(bào)廢將增加上千萬的置換費(fèi)用[13]。

為了研究該城際動(dòng)車組輪緣快速磨耗的原因，對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行的3條城際線路、2條動(dòng)走線(即動(dòng)車運(yùn)用所與正線間的聯(lián)絡(luò)線)的小曲線進(jìn)行了調(diào)研，測(cè)試了多組不同運(yùn)行里程的動(dòng)車組車輪踏面。圖1為實(shí)測(cè)車輪型面與標(biāo)準(zhǔn)LMA型面對(duì)比，車輪踏面從輪緣頂部至滾動(dòng)圓都出現(xiàn)了明顯的磨耗，其中相比標(biāo)準(zhǔn)LMA外形，實(shí)測(cè)外形的輪緣厚度損失量在4～5 mm，踏面的磨耗量約2～3 mm。調(diào)研還發(fā)現(xiàn)動(dòng)車組所有車輪都存在不同程度的輪緣偏磨現(xiàn)象，導(dǎo)向輪對(duì)與非導(dǎo)向輪對(duì)輪緣磨耗速率無明顯差異，現(xiàn)場(chǎng)照片也顯示輪緣至踏面都因?yàn)榻佑|磨耗顯得較為光亮。對(duì)5組動(dòng)車組在鏇修周期內(nèi)的輪緣磨平均耗速率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2所示。各列車由于運(yùn)行交路的不同，輪緣磨耗速度存在差異，動(dòng)車組輪緣磨耗速度最高為0.12 mm/萬km，最小為0.05 mm/萬km。同時(shí)，動(dòng)車組車輪輪緣還存在左右輪磨耗速率不同的現(xiàn)象。

圖1 輪緣異常磨耗車輪測(cè)試結(jié)果Fig.1 Test results of abnormal flange wear wheel

圖2 輪緣磨耗量統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of wheel flange wear

對(duì)城際線路小曲線鋼軌進(jìn)行調(diào)研，實(shí)測(cè)鋼軌廓形與照片如圖3所示。結(jié)果顯示部分小曲線鋼軌的外軌(高軌)發(fā)生了明顯的側(cè)向磨耗，實(shí)測(cè)外軌鋼軌廓形不同程度偏離標(biāo)準(zhǔn)廓形，而內(nèi)軌(低軌)未發(fā)現(xiàn)側(cè)磨。參考標(biāo)準(zhǔn)廓形計(jì)算小曲線外軌磨耗量，并計(jì)算鋼軌的側(cè)向磨耗與軌頭磨耗，其中鋼軌側(cè)磨指在鋼軌軌頂最高點(diǎn)下16 mm處鋼軌內(nèi)側(cè)的磨耗量，軌頭磨耗指標(biāo)準(zhǔn)廓形軌頭至實(shí)測(cè)廓形軌頭的磨耗量，計(jì)算結(jié)果如表1所示。其中城際線路1、城際線路2的最小曲線半徑在1 300 m及以上，曲線外軌沒有出現(xiàn)側(cè)磨，軌頭磨耗很小。城際線路3存在3條小曲線，曲線半徑分別為450 m，500 m，800 m，其中R450 m、R500 m曲線鋼軌側(cè)磨達(dá)到0.7～0.9 mm，軌頭磨耗達(dá)到1.2～1.5 mm。專門對(duì)進(jìn)出動(dòng)車所的動(dòng)走線進(jìn)行測(cè)量，動(dòng)走線小曲線半徑最小，鋼軌磨耗也最為嚴(yán)重，側(cè)磨最大達(dá)到9.5 mm、軌頭磨耗達(dá)到9.6 mm，嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值。

圖3 小曲線外軌廓形對(duì)比Fig.3 Comparison of small curve outer rail profile

表1 城際線路小曲線鋼軌磨耗統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of rail wear on small curve of intercity railway

基于車輪磨耗與線路調(diào)研情況，車輪輪緣快速磨耗特征與城際線路3、動(dòng)走線小曲線鋼軌嚴(yán)重磨耗相互印證。初步分析輪緣磨耗是由于動(dòng)走線與城際線路3的部分曲線半徑小于800 m，輪對(duì)通過小曲線沖角大，輪緣與曲線外軌接觸，產(chǎn)生嚴(yán)重輪軌側(cè)磨；隨著鋼軌磨耗的增大，鋼軌廓形偏離設(shè)計(jì)值，車輪通過曲線時(shí)輪緣與外軌異常接觸，導(dǎo)致輪緣磨耗也進(jìn)一步加快。

2 動(dòng)力學(xué)模型與輪緣磨耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

建立了該城際動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)模型，模型的一系懸掛為轉(zhuǎn)臂剛圓簧結(jié)構(gòu)、二系懸掛為空氣彈簧與減振器結(jié)構(gòu)。模型考慮了輪軌接觸幾何非線性、二系減振器的非線性特性，采用 Kalker非線性蠕滑理論計(jì)算曲線通過時(shí)的輪軌蠕滑力。

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)、接觸斑磨耗指數(shù)、接觸斑磨耗功率等[14]，各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法如下：

(1) 赫曼(Heumann)磨耗因數(shù)

WI=μHα

(1)

式中：μ為輪軌間的摩擦因數(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。鋼軌側(cè)磨磨耗量應(yīng)與輪緣摩擦功成正比。

(2) 接觸斑磨耗指數(shù)

Wp=|Fxεx|+|Fyεy|+|Mspεsp|

(2)

式中：Fx，F(xiàn)y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

Wv=(|Fxεx|+|Fyεy|+|Mspεsp|)·v

(3)

式中，v為曲線通過速度。

接觸斑磨耗指數(shù)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)確的反應(yīng)輪緣磨耗的趨勢(shì)；而接觸斑磨耗功率在磨耗指數(shù)的基礎(chǔ)上考慮了曲線通過速度的影響，在變速運(yùn)行時(shí)放大了速度對(duì)輪緣磨耗的影響。故本文中采用磨耗指數(shù)來表征小曲線通過時(shí)的輪緣磨耗程度。

3 理論仿真分析

3.1 實(shí)測(cè)輪軌型面輸入

對(duì)城際線路小于800 m的曲線外軌進(jìn)行測(cè)試，得到了不同磨耗程度鋼軌廓形，選取6種廓形分別代表不同磨耗嚴(yán)重程度，具體廓形如圖4所示。城際小曲線打磨結(jié)果接近TB60廓形，鋼軌打磨后運(yùn)用初期主要磨耗位置為軌頭位置，如磨耗廓形1、磨耗廓形2；軌頭磨耗后車輛通過曲線時(shí)輪軌接觸集中于軌頂與軌距角位置，軌距角區(qū)域磨耗加快，如磨耗廓形3在軌頂向下-5～-20 mm內(nèi)出現(xiàn)磨耗；隨著鋼軌磨耗進(jìn)一步加深，從軌頂至軌距角鋼軌廓形越來越偏離初始設(shè)計(jì)，磨耗廓形4、磨耗廓形5、磨耗廓形6顯示了鋼軌側(cè)磨不斷加深的過程。

圖4 實(shí)測(cè)鋼軌廓形對(duì)比Fig.4 Comparison of measured rail profile

測(cè)試了鏇修周期內(nèi)不同運(yùn)行里程的城際動(dòng)車組車輪踏面，將同一列動(dòng)車組車輪踏面測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，得到不同運(yùn)行里程下車輪踏面擬合外形，結(jié)果如圖5所示。實(shí)際服役的車輪輪緣厚度都低于標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)(32 mm)，實(shí)際輪緣厚度分布在27.5～28.5 mm。運(yùn)行里程7.9萬、14.3萬、18.6萬輪對(duì)，滾動(dòng)圓磨耗深度分別為0.42 mm，0.83 mm，1.69 mm。新鏇修的踏面采用薄輪緣鏇修方法，滾動(dòng)圓附近廓形與標(biāo)準(zhǔn)LMA型面一致，輪緣根部采用高次曲線過渡。運(yùn)行歷程達(dá)到7.9萬km和14.3萬km時(shí)，輪緣、踏面都出現(xiàn)明顯的磨耗，輪緣與踏面過渡區(qū)域磨耗量略小。運(yùn)行歷程達(dá)到18.6萬km，輪緣、踏面以及過渡區(qū)域都產(chǎn)生了較深的磨耗。

圖5 不同運(yùn)行里程擬合踏面對(duì)比Fig.5 Comparison of fitting tread with different running mileage

3.2 實(shí)測(cè)輪軌匹配幾何關(guān)系

圖6為實(shí)測(cè)輪軌型面匹配分析，其中新鏇修車輪與嚴(yán)重磨耗鋼軌匹配可以發(fā)現(xiàn)接觸點(diǎn)集中于軌頂外側(cè)與軌距角位置，從等效錐度曲線可知隨著輪軌橫移量增加，等效錐度僅0.025，等效錐度過小意味著隨著輪對(duì)左右輪輪徑差較小，輪對(duì)對(duì)中能力差，當(dāng)曲線通過時(shí)車輪橫動(dòng)量大，輪緣將與鋼軌發(fā)生接觸，容易形成兩點(diǎn)接觸，輪緣迅速磨耗。而新輪與新打磨鋼軌匹配時(shí)，接觸線隨著輪對(duì)橫移在踏面與鋼軌上均勻分布，輪軌匹配等效錐度隨著輪對(duì)橫移速度增加，通過曲線時(shí)輪對(duì)可以提供較大的對(duì)中力，有利于降低輪緣磨耗。

圖6 實(shí)測(cè)型面的輪軌匹配分析Fig.6 Wheel rail matching analysis of measured profile

將不同運(yùn)行里程的車輪踏面與不同磨耗程度的鋼軌進(jìn)行幾何匹配分析，結(jié)果如圖7所示。當(dāng)車輪踏面與新打磨鋼軌貼靠時(shí)，通過輪軌接觸關(guān)系發(fā)現(xiàn)車輪的接觸區(qū)域?yàn)檩喚壧っ孢^渡區(qū)域，不同運(yùn)行里程車輪的接觸幾何關(guān)系接近；當(dāng)鋼軌軌頭出現(xiàn)輕微磨耗(側(cè)磨1 mm)，車輪踏面與鋼軌發(fā)生兩點(diǎn)接觸，磨耗后的車輪踏面幾何形狀與鋼軌廓形接近；嚴(yán)重磨耗鋼軌與磨耗踏面形成了共形磨耗，尤其是運(yùn)行里程達(dá)到18.6萬km的車輪，踏面與鋼軌軌距角的幾何形狀相似。在車輪形成共形磨耗的過程中，從踏面過渡區(qū)至輪緣頂部產(chǎn)生了大量的磨耗，導(dǎo)致輪緣磨耗速率過快。

圖7 實(shí)測(cè)踏面外形與不同程度磨耗鋼軌廓形幾何匹配Fig.7 Geometric matching between measured tread profile and worn rail profile

3.3 實(shí)測(cè)輪軌型面的輪緣磨耗指數(shù)仿真

將不同磨耗程度的6種鋼軌廓形與5種車輪踏面外形輸入動(dòng)力學(xué)模型，仿真小曲線通過時(shí)的輪緣磨耗指數(shù)，其中曲線設(shè)置如表2所示。新輪與6種廓形匹配的輪緣磨耗指數(shù)時(shí)域波形如圖8所示，從時(shí)域波形來看，進(jìn)出緩和曲線時(shí)存在沖擊，輪緣磨耗指數(shù)出現(xiàn)波峰，進(jìn)入圓曲線后輪緣磨耗指數(shù)穩(wěn)定。磨耗廓形1與新打磨鋼軌廓形計(jì)算結(jié)果存在輪緣磨耗指數(shù)瞬時(shí)為零的情況，此時(shí)輪緣與鋼軌在軌道不平順的作用下存在瞬時(shí)脫離的情況。

表2 曲線參數(shù)設(shè)置Tab.2 Curve parameter setting

輪緣磨耗主要發(fā)生在圓曲線，對(duì)不同型面匹配下的圓曲線磨耗指數(shù)最大值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：新打磨鋼軌與不同車輪踏面匹配的輪緣磨耗指數(shù)總體最低，部分車輪磨耗后踏面外形在與新打磨鋼軌匹配時(shí)未發(fā)生輪緣接觸。

圖9 不同型面匹配輪緣磨耗指數(shù)Fig.9 Flange wear index of different profile matching

新鏇修車輪在剛服役時(shí)，運(yùn)行過程中與鋼軌接觸時(shí)磨耗指數(shù)偏大。且通過的小曲線鋼軌廓形磨耗越嚴(yán)重，輪緣磨耗指數(shù)越大。主要是由于新輪與鋼軌廓形不匹配在運(yùn)用初期輪緣會(huì)出現(xiàn)快速磨耗的現(xiàn)象，而且鋼軌磨耗越嚴(yán)重現(xiàn)象越明顯，該階段為輪緣快速磨耗期。當(dāng)磨耗一段時(shí)間后輪軌型面磨耗速度降低，又出現(xiàn)磨耗穩(wěn)定期。相對(duì)新輪對(duì)，運(yùn)行9.7萬km，14.3萬km的車輪踏面與不同鋼軌匹配的磨耗指數(shù)相對(duì)較低，該階段為輪緣穩(wěn)定期，輪緣磨耗速率降低；磨耗廓形3與不同踏面匹配的的磨耗指數(shù)均低，為穩(wěn)定型鋼軌廓形。嚴(yán)重磨耗的鋼軌(鋼軌廓形6)與不同運(yùn)行里程的車輪踏面匹配，輪緣磨耗指數(shù)都偏大，將導(dǎo)致車輪輪緣的快速磨耗，此時(shí)需要對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨，恢復(fù)初始廓形，防止輪緣快速磨耗。

綜合幾種鋼軌廓形的仿真結(jié)果，鋼軌打磨廓形與廓形3有利于減緩輪緣磨耗速率。鋼軌廓形4，5雖然與磨耗后期踏面匹配輪緣磨耗指數(shù)相對(duì)較低，但是與新鏇修車輪匹配時(shí)輪緣磨耗速率相對(duì)較高。此外，輪緣厚度對(duì)輪緣磨耗指數(shù)的影響很小，LMA標(biāo)準(zhǔn)外形與新鏇修外形的輪緣厚度分別為32.6 mm，28 mm，但是兩種踏面與不同鋼軌廓形匹配的輪緣磨耗指數(shù)接近。

3.4 輪緣快速磨耗機(jī)理分析

輪緣磨耗為輪軌相互作用產(chǎn)生的，城際動(dòng)車組出現(xiàn)輪緣異常磨耗代表鋼軌必然也出現(xiàn)了相應(yīng)的側(cè)磨。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與仿真分析發(fā)現(xiàn)，該城際動(dòng)車組的車輪輪緣磨耗主要發(fā)生在小曲線外軌，大致可分為3種情況：新輪與新軌或輕微磨耗鋼軌接觸，由于與鋼軌廓形不匹配，輪軌磨耗指數(shù)較大，輪緣存在快速磨耗期；當(dāng)車輪與鋼軌磨耗達(dá)到一定程度后(如廓形3與運(yùn)行9.7萬km或14.3萬km的車輪匹配)，輪緣磨耗指數(shù)降低，這個(gè)時(shí)期輪緣磨耗速率較低為穩(wěn)定期；當(dāng)鋼軌出現(xiàn)嚴(yán)重磨耗(如廓形6)，輪軌型面相差較大，不同運(yùn)行里程的車輪的輪緣磨耗指數(shù)都較大，即輪緣將持續(xù)快速磨耗，這也是該城際動(dòng)車組輪緣磨耗快速的主要原因之一。

此外，鋼軌嚴(yán)重磨耗后，輪軌接觸點(diǎn)集中于軌頂外側(cè)，導(dǎo)致輪軌匹配等效錐度降低，小曲線通過時(shí)輪對(duì)對(duì)中能力弱，輪軌容易發(fā)生貼靠并引起較大的輪軌作用力，也是輪緣快速磨耗的原因之一。

4 輪緣磨耗控制措施對(duì)比研究

本章從輪軌匹配角度對(duì)影響輪緣磨耗的各種措施進(jìn)行了試驗(yàn)與仿真分析，對(duì)比不同的輪緣磨耗控制措施的效果。

4.1 鋼軌打磨影響(恢復(fù)設(shè)計(jì)廓形)

從圖9新打磨廓形的計(jì)算結(jié)果來看新打磨鋼軌廓形與不同磨耗狀態(tài)的車輪匹配的輪緣磨耗指數(shù)最小。當(dāng)鋼軌廓形磨耗嚴(yán)重，嚴(yán)重偏離初始廓形后將引起輪緣的快速磨耗。所以鋼軌打磨可以有效降低輪緣磨耗速度。建議小曲線外軌的鋼軌打磨參考TB60廓形。

4.2 輪軌潤(rùn)滑影響

輪緣潤(rùn)滑的作用主要是減小輪軌間的摩擦因數(shù)。在模型中改變輪軌摩擦因數(shù)，由0.1變化至0.6，每變化0.05計(jì)算一次，潤(rùn)滑對(duì)輪緣減磨的效果如圖10所示。由仿真結(jié)果可知摩擦因數(shù)對(duì)輪緣磨耗有顯著的影響，通過潤(rùn)滑降低輪緣位置的摩擦因數(shù)可以有效改善輪緣磨耗情況。當(dāng)摩擦因數(shù)由0.4降低至0.15，輪緣磨耗指數(shù)由478 N降低至102 N，降低了78.7%。

圖10 潤(rùn)滑對(duì)輪緣磨耗指數(shù)影響規(guī)律Fig.10 Influence of lubrication on flange wear index

4.3 曲線通過速度與曲線半徑影響

分析曲線半徑為300 m，500 m，1 000 m，1 500 m時(shí)，不同曲線通過速度對(duì)輪緣磨耗的影響，結(jié)果如圖11所示。隨著曲線通過速度的增加，輪緣磨耗指數(shù)呈增加趨勢(shì)，但是影響較小，而且通過的曲線半徑越大影響越小。以R500 m曲線為例，當(dāng)曲線通過速度由50 km/h增加至90 km/h(平衡速度71 km/h)，輪緣磨耗指數(shù)僅增加了13.2%。當(dāng)曲線半徑為1 500 m，隨著通過速度的增加，輪緣磨耗指數(shù)略微降低。

圖11 曲線半徑與通過速度影響Fig.11 Influence of curve radius and passing speed

隨著曲線半徑的增加，輪緣磨耗指數(shù)顯著降低。曲線半徑由300 m增加至500 m，輪緣磨耗指數(shù)下降了約30%；曲線半徑再由500 m增加至1 000 m，輪緣磨耗指數(shù)下降了約50%。

4.4 曲線超高影響

圖12為鋼軌超高變化對(duì)輪緣磨耗指數(shù)的影響分析，曲線通過速度為50 km/h。由仿真結(jié)果可知：增加曲線外軌超高可以降低輪緣磨耗指數(shù)。當(dāng)超高由60 mm增加至80 mm，輪緣磨耗指數(shù)降低了15.8%；當(dāng)超高由80 mm 增加至100 mm，輪緣磨耗指數(shù)降低了17.0%。

圖12 超高影響分析Fig.12 Analysis of superelevation impact

曲線超高設(shè)置與曲線半徑、曲線限速等密切相關(guān)，對(duì)于既有線很難調(diào)整曲線超高。在新線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮輪緣磨耗因素。

4.5 軌距加寬影響

圖13為軌距加寬對(duì)輪緣磨耗指數(shù)的影響，曲線通過速度為50 km/h。從仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)軌距加寬對(duì)輪緣磨耗指數(shù)的影響很小，軌距由1 435 mm增加至1 440 mm，輪緣磨耗指數(shù)降低幅度僅為1%。依據(jù)仿真結(jié)果，不建議采取軌距加寬的措施控制輪緣磨耗。

圖13 軌距加寬影響分析Fig.13 Analysis on influence of gauge widening

4.6 其他控制措施

(1) 車輛定期換端運(yùn)行

調(diào)研發(fā)現(xiàn)車輛長(zhǎng)期不換端運(yùn)行容易出現(xiàn)單側(cè)車輪輪緣偏磨的問題，當(dāng)車輪鏇修時(shí)由于同一輪對(duì)左右側(cè)車輪輪緣厚度差不能超過±0.1 mm，導(dǎo)致非偏磨側(cè)車輪鏇修時(shí)損失大量的輪緣厚度。車輛定期換端運(yùn)行可以顯著改善車輪偏磨問題，有利于降低單側(cè)輪緣磨耗過快的問題。

(2) 輪軌型面優(yōu)化

文獻(xiàn)[6-9]對(duì)型面優(yōu)化已做了深入工作，通過數(shù)值分析與仿真分析，理論上通過優(yōu)化型面降低曲線通過時(shí)的輪對(duì)沖角與輪軌作用力，可以達(dá)到降低輪緣磨耗的目的。但是各線路的輪軌型面不同，優(yōu)化方案也不相同，而且由于輪軌型面優(yōu)化涉及安全，服役動(dòng)車組很難應(yīng)用。

(3) 懸掛參數(shù)優(yōu)化

降低一系懸掛的搖頭剛度可以降低輪對(duì)沖角與作用力，降低輪緣磨耗指數(shù)，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。

5 結(jié) 論

為了能夠降低某城際線路輪緣磨耗，通過線路調(diào)研與仿真分析開展了輪緣磨耗機(jī)理與減磨措施的研究，得到以下結(jié)論：

(1) 該城際線路輪緣快速磨耗的機(jī)理——線路小曲線鋼軌廓形在長(zhǎng)期運(yùn)用中軌頭斷面偏離設(shè)計(jì)廓形，車輪與鋼軌廓形不匹配，車輪輪緣出現(xiàn)快速磨耗，且輪緣外形逐漸與鋼軌廓形形成共形磨耗；同時(shí)，鋼軌磨耗嚴(yán)重后，輪軌接觸點(diǎn)集中于軌頂外側(cè)，導(dǎo)致輪軌匹配等效錐度低，輪對(duì)對(duì)中能力弱，輪緣作用力增加造成輪緣磨耗加快。

(2) 通過減磨措施對(duì)比研究，優(yōu)先級(jí)為——異常區(qū)段鋼軌打磨、輪軌潤(rùn)滑可以顯著降低輪緣磨耗，該措施優(yōu)先級(jí)最高；車輛定期換端運(yùn)行可以改善輪緣偏磨的現(xiàn)象，優(yōu)先級(jí)次之；輪軌外形優(yōu)化、曲線通過速度優(yōu)化與曲線參數(shù)優(yōu)化需要結(jié)合線路試驗(yàn)、輪軌匹配、運(yùn)行線路特征、服役車輛型號(hào)等方面工作進(jìn)一步深入分析；車輛懸掛參數(shù)優(yōu)化與曲線半徑調(diào)整不易實(shí)施，推薦級(jí)最低。