車輪廓形對城際動車組車輪Ⅰ類滾動接觸疲勞的影響

劉冉，栗楊，王衡禹，趙鑫

車輪廓形對城際動車組車輪Ⅰ類滾動接觸疲勞的影響

劉冉，栗楊，王衡禹，趙鑫

（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

就某城際動車組車輪的Ⅰ類滾動接觸疲勞，選擇一列動車組開展一個鏇修周期的車輪廓形對比試驗，其中1～4車用LMA廓形、5～8車用LM廓形。發(fā)現(xiàn)相同運行里程下，LM廓形車輪出現(xiàn)了Ⅰ類疲勞、但LMA廓形車輪未出現(xiàn)?；赟IMPACK建立了車輛動力學模型，并運用損傷函數(shù)開展疲勞預測。結果表明，導向軸低軌側車輪易萌生Ⅰ類疲勞，半徑在350～450 m范圍內的小半徑曲線最嚴重，鏇后8萬公里后LM廓形車輪的疲勞損傷峰值始終比LMA廓形高，考慮到現(xiàn)場車輪磨耗，可以解釋試驗中LM廓形發(fā)生疲勞而LMA不發(fā)生的現(xiàn)象。另外，疲勞峰值隨里程呈現(xiàn)一定的波動，與現(xiàn)場觀測Ⅰ類疲勞裂紋保持穩(wěn)定而沒有惡化的現(xiàn)象吻合。

城際動車組；車輪廓形；滾動接觸疲勞；車輛動力學；損傷函數(shù)

最高運行200 km/h城際動車組具有載客量大、速度快、快啟快停等特征，可公交化運營，但由于運行線路的站間距短、曲線占比較大、小半徑曲線多等客觀條件[1-2]，使得城際鐵路輪軌服役環(huán)境復雜，輪軌損傷問題頻發(fā)[3-5]。參考DEUCE[6]的車輪滾動接觸疲勞分類，我國某城際動車組在服役過程中出現(xiàn)了Ⅰ類連續(xù)型車輪滾動接觸疲勞損傷[3-5]（以下簡稱Ⅰ類疲勞），如圖1所示。

圖1 我國某城際動車組車輪萌生的滾動接觸疲勞

就萌生機理而言，滾動接觸疲勞是循環(huán)接觸載荷作用下車輪表層材料塑性變形累積至突破韌性極限時的結果，后期可能導致表面材料剝離掉塊，破壞輪軌接觸面平順，加劇輪軌動態(tài)作用，增加輪軌噪聲輻射[3,7-9]。定期車輪鏇修是修復疲勞車輪的常用手段，但頻繁鏇修不僅會大大降低車輪服役壽命，也增加了維護成本[10-11]。為解決上述城際動車組的車輪滾動接觸疲勞問題，在其運行線路上開展了不同車輪廓形的線路對比試驗，研究車輪廓形對車輪滾動接觸疲勞的影響，具體為在同一列動車組使用了LMA和LM兩種廓形，并配用相應的抗蛇行減振器。本文重在展示不同廓形下I類疲勞的跟蹤測試結果，并利用數(shù)值模擬手段解釋其機理。

針對時速250 km/h干線高速動車組Ⅰ類疲勞，國內外開展了跟蹤測試研究。王玉光等[12]、ZHAO等[13]發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋可在鏇后10萬公里萌生，但發(fā)展程度較輕，不影響正常運營，還開展了基于車輛系統(tǒng)動力學分析的疲勞預測，發(fā)現(xiàn)上述Ⅰ類疲勞的根本原因是個別曲線段鋼軌打磨廓形不當和輪軌磨耗廓形。蔡宇天等[4]跟蹤觀測和數(shù)值模擬了某城際動車組車輪滾動接觸疲勞損傷，發(fā)現(xiàn)該城際動車組車輪Ⅰ類疲勞的直接原因是小半徑曲線上低軌側輪軌相互作用，車輪廓形演化會造成疲勞損傷峰值增加和疲勞區(qū)外移現(xiàn)象。陶功權等[14]就國內普速鐵路25G型客車的Ⅰ類疲勞問題進行分析，認為曲線通過時低軌側輪軌相互作用是其根本原因，曲線半徑越小疲勞損傷越嚴重。溫邦[15]研究了某地鐵車輪Ⅰ類與Ⅱ類疲勞問題，發(fā)現(xiàn)輪軌蠕滑力隨著曲線半徑的減小而急劇增大，磨耗后車輪通過小半徑曲線是其主要原因。

針對車輪廓形對滾動接觸疲勞的影響，國內外也開展了研究。王家玉等[16]對比了JM、JM2和JM3等三種廓形的機車車輪剝離，發(fā)現(xiàn)JM2型廓形存在一段半徑較小的圓弧，使得曲線通過時易產(chǎn)生應力集中，導致其疲勞及剝離概率遠高于JM和JM3，彰顯了車輪廓形對疲勞的巨大影響。SHEVTSOV等[17]開發(fā)了一種基于滾動圓半徑差函數(shù)的車輪廓形設計方法，綜合考慮滾動接觸疲勞與磨耗，設計了一種新車輪型面，數(shù)值仿真表明輪軌廓形對滾動接觸疲勞有很大影響。針對重載貨運機車車輪的嚴重Ⅰ類疲勞，HOSSEIN等[18]開展仿真研究，發(fā)現(xiàn)輪軌匹配不當導致的大蠕滑力是其根本原因，并利用遺傳算法設計了兩種新車輪廓形，大大延長了機車車輪的服役壽命。目前尚缺少車輪廓形對城際動車組車輪Ⅰ類疲勞影響的研究。

本文首先介紹裝配LMA與LM兩種車輪廓形的城際動車組試驗結果，統(tǒng)計兩種廓形下Ⅰ類疲勞的差異。其次，建立試驗動車組車輪疲勞數(shù)值預測模型，揭示廓形對Ⅰ類滾動接觸疲勞影響的根本原因。

1 現(xiàn)場跟蹤觀測

試驗選用的城際動車組為8輛編組，其中2、3、6、7車為動車、其余車為拖車，車廂編號和奇、偶數(shù)側等定義如圖2所示，1～4車廂車輪使用LMA車輪廓形、5～8車廂使用LM廓形，研磨子作用方式均為低壓間歇作用[5]。動車組在城際線路上運行時的方向如圖3所示，由北向南運行（從A站開往B站）時8車4軸導向，返回時1車1軸導向，往返不調頭運行，線路左右曲線以A站朝向B站的方向規(guī)定，則車輛通過左曲線時奇數(shù)側車輪位于低軌側。

圖2 城際動車組試驗列車示意圖

圖3 城際線路上動車組運行方向

就該試驗動車組開展一個持續(xù)鏇修周期的跟蹤調研，每運行約2萬公里進行一次跟蹤測試，記錄車輪踏面的疲勞裂紋分布區(qū)域、裂紋角度、輪位等信息，測量車輪廓形，并記錄運行里程、局部鏇輪時間等信息。第一次測試在2019年12月15日開展，當時鏇后里程2.2萬公里，2020年10月20日鏇后里程20.1萬公里時進行了最后一次跟蹤測試，共10次。最后一次跟蹤測試之后，車輪因磨耗到限而全列換輪，此前2020年9月19日（鏇后里程16.1萬公里）時對部分疲勞嚴重車輪進行了鏇修。

1.1 跟蹤觀測結果

圖4展示了歷次跟蹤觀測時兩種廓形車輪的疲勞發(fā)生情況，使用LMA廓形的半列車上未發(fā)生Ⅰ類疲勞，而使用LM廓形的半列車上平均發(fā)生率（疲勞車輪數(shù)/總數(shù)）為12.5%，且疲勞發(fā)生率隨著里程基本穩(wěn)定。使用LM廓形的半列車上，Ⅰ類疲勞裂紋發(fā)生在名義滾動圓外5～17 mm處，裂紋與車軸平均夾角45°。圖5中各種顏色的雙箭頭表示不同鏇后里程下試驗動車組LM廓形車輪萌生疲勞區(qū)在踏面上的平均分布范圍，可見隨運行里程增加Ⅰ類疲勞區(qū)存在朝遠離名義滾動圓方向移動的現(xiàn)象。

圖4 動車組試驗列車Ⅰ類疲勞車輪個數(shù)

圖5 動車組試驗列車LM廓形車輪Ⅰ類疲勞區(qū)域分布

圖6詳細展示了歷次調研中發(fā)生Ⅰ類疲勞的輪位信息，其中頭尾車指8車?？紤]到LM廓形裝備了4節(jié)車廂，則Ⅰ類疲勞在頭尾車上的發(fā)生概率較高，動車上發(fā)生數(shù)占比達75%。另外，疲勞車輪全發(fā)生在偶數(shù)側，這主要因為試驗動車組不調頭運行，主導I類疲勞的小半徑曲線在所運行城際線路上全為右曲線，即小半徑曲線通過時偶數(shù)側車輪位于低軌側[14]。

1.2 車輪廓形演化

相關研究表明，磨耗導致廓形失形是影響滾動接觸疲勞的重要因素[12-13]。圖7展示了跟蹤期間試驗動車組的車輪廓形演化及磨耗分布?？梢奓MA廓形車輪的輪緣磨耗比LM廓形車輪更嚴重，其平均輪緣磨耗速率分別為0.081 mm/萬公里和0.054 mm/萬公里；LM廓形車輪的磨耗分布在名義滾動圓（橫坐標為零）附近存在一個較明顯的峰值，而LMA廓形磨耗則分布很平穩(wěn)。

圖6 動車組試驗列車Ⅰ類疲勞車輪輪位

圖7 動車組試驗列車車輪廓形與踏面磨耗分布

圖8展示了試驗動車組在跟蹤期內的平均輪緣厚度演化，為同類廓形所有車輪的平均值。鏇后0萬公里數(shù)據(jù)取自動車所采用的經(jīng)濟型廓形，LMA和LM廓形的輪緣厚度分別為28 mm和30 mm?？梢?，兩種廓形車輪的輪緣厚度均有減小的趨勢，尤其是LMA廓形。

圖8 試驗動車組車輪平均輪緣厚度隨里程的變化

1.3 線路調研

所運行城際線路曲線占比較大，曲線總長占比達54%，不同半徑曲線占曲線總長比例如圖9所示，可見，曲線半徑小于550 m的曲線即小半徑曲線全為右曲線（占曲線總長3.6%），半徑800～2000 m的中半徑曲線則全為左曲線（占曲線總長7.8%），大半徑曲線的左右曲線基本平衡。選取城際線路典型曲線段上的鋼軌廓形進行測量，曲線半徑范圍350～4000 m。鋼軌廓形測量結果表明，直線段鋼軌磨耗量較小，而圓曲線段高、低軌分別以側磨與垂磨為主，尤其在小半徑曲線上磨耗最嚴重。

2 數(shù)值模型

2.1 車輛系統(tǒng)動力學模型

車輛運行時輪軌接觸面上的動態(tài)作用對車輪滾動接觸疲勞有重要的影響，但相關數(shù)據(jù)無法從現(xiàn)場直接采集，因此必須進行基于現(xiàn)場調研數(shù)據(jù)的車輛動力學仿真以求得實際輪軌動力作用，為車輪滾動接觸疲勞預測奠定基礎。使用SIMPACK建立了單節(jié)拖車的動力學模型，如圖10所示，共有50個自由度，由1個車體、2個構架、4條輪對和8個轉臂共15個剛體構成，其中車體、輪對和構架各考慮6個自由度，轉臂僅考慮1個點頭自由度，如表1所示。車體與構架間通過空氣彈簧、抗蛇行減振器、橫向止擋等二系懸掛裝置連接，構架與輪對之間通過一系懸掛裝置連接。

圖9 城際線路不同曲線半徑范圍內的左、右曲線占比

圖10 城際動車組的車輛系統(tǒng)動力學模型

表1 車輛系統(tǒng)動力學模型自由度

以武廣線軌道激勵作為不平順激勵函數(shù)，考慮垂向激擾與橫向激擾，具體計算時考慮新輪新軌匹配與磨耗后實測輪軌廓形匹配的結果。曲線半徑、超高、曲線長度等線路參數(shù)及對應通過速度均按照現(xiàn)場調研實際線路參數(shù)設置如表2所示，為方便分析將所有仿真工況均設置為右曲線。

表2 仿真曲線參數(shù)設置

2.2 滾動接觸疲勞預測模型

使用損傷函數(shù)預測滾動接觸疲勞萌生的方法已經(jīng)非常成熟[19-21]，將上述車輛系統(tǒng)動力學仿真得到的輪軌法、切向接觸解導入損傷函數(shù)中，可預測車輪的滾動接觸疲勞損傷。損傷函數(shù)模型如圖11所示，橫軸為磨耗數(shù)，縱軸為損傷量，其值取正、負分別表示發(fā)生疲勞和磨耗損傷，總損傷為兩者的代數(shù)疊加。

蠕滑力的計算公式[4]為：

式中：Tx和Ty分別為縱向、橫向蠕滑力，N；γx和γy分別為縱向、橫向蠕滑率。

ER8車輪鋼的損傷函數(shù)關鍵參數(shù)如表3所示[12]。綜合考慮輪軌間液體對疲勞裂紋的影響，僅當車輪受到的縱向蠕滑力方向與車輛運行方向相反時才考慮疲勞損傷，而磨耗損傷的計算與車輪縱向蠕滑力的方向無關[4]。

表3 ER8車輪鋼損傷函數(shù)關鍵參數(shù)[12]

3 仿真結果分析

仿真車輛勻速通過表2所示的不同半徑曲線，提取圓曲線上20 s的輪軌接觸結果進行滾動接觸疲勞損傷預測。先模擬新輪新軌匹配下車輪疲勞損傷情況，之后考慮現(xiàn)場調研磨耗輪軌的匹配。

3.1 新輪新軌匹配

輪緣厚度30 mm的LM-30車輪廓形和輪緣厚度28 mm的LMA-28車輪廓形分別與CHN60鋼軌匹配時，導向軸（1軸）左、右側車輪損傷量隨曲線半徑的變化如圖12所示，“1L”和“1R”為車輪編號、分別表示1軸的左輪和右輪。預測顯示兩種廓形導向軸低軌側車輪（1R）均會產(chǎn)生Ⅰ類疲勞，相同半徑條件下LMA廓形疲勞峰值比LM高，疲勞區(qū)分別為滾動圓外側14～25 mm和0～24 mm，LMA廓形疲勞區(qū)比LM更靠外。另外，導向軸高軌側車輪（1L）會在輪緣根部產(chǎn)生明顯的輪緣磨耗損傷，且隨著曲線半徑的減小而加劇。需指出上述Ⅰ類疲勞與輪緣磨耗分別在半徑400 m和半徑350 m曲線達到最值，即小半徑曲線通過時高軌側輪緣磨耗和低軌側I類疲勞的主導性因素。

由圖13所示磨耗數(shù)隨曲線半徑的變化可知：半徑小于約500 m曲線上，導向軸（1軸）左右側車輪的磨耗數(shù)都已超過了損傷函數(shù)中的磨耗門檻值；相同半徑下，LM廓形車輪的磨耗數(shù)始終大于LMA廓形車輪。對于高軌側1L車輪，因其縱向蠕滑力與列車運行方向相同，故僅表現(xiàn)為磨耗損傷，曲線半徑越小，磨耗數(shù)越大，磨耗越嚴重。Ⅱ位轉向架導向軸（3軸）左右輪損傷規(guī)律與1軸基本相同，但損傷峰值略低。對于非導向軸（2、4軸），因磨耗數(shù)幾乎都在疲勞損傷門檻值之下，故不會產(chǎn)生疲勞或磨耗損傷。

圖12 導向軸左、右側車輪損傷量隨曲線半徑的變化

圖13 Ⅰ位轉向架各車輪平均磨耗數(shù)隨曲線半徑的變化

綜上，仿真得出，LM廓形Ⅰ類疲勞區(qū)為0～24 mm，且LMA廓形疲勞損傷峰值高于LM廓形；而現(xiàn)場觀測LM廓形車輪Ⅰ類疲勞區(qū)在名義滾動圓外5～17 mm處，同時相同運行里程下LM廓形產(chǎn)生Ⅰ類疲勞而LMA廓形未出現(xiàn)。因此新輪新軌仿真并不能反映現(xiàn)場LM廓形車輪快速產(chǎn)生疲勞的現(xiàn)象，有必要考慮磨耗輪軌廓形以真實地還原現(xiàn)場輪軌服役狀態(tài)。

3.2 磨耗輪軌匹配

以新輪新軌匹配條件下Ⅰ類疲勞最嚴重的400 m半徑曲線為例，提取不同里程下磨耗廓形計算得到的1R車輪疲勞損傷量峰值進行對比，同時分析了平均接觸點位置的變化。磨耗車輪廓形選取所調研鏇修周期內不同里程下1車與8車的實測車輪廓形，磨耗鋼軌廓形為現(xiàn)場調研對應半徑曲線上實測鋼軌型面。

由圖14可見，鏇后8萬公里是兩種廓形疲勞損傷峰值對比的臨界值；在鏇后8萬公里之前，兩種廓形的抗疲勞性能沒有明顯的差異；而在鏇后8萬公里之后，LM廓形車輪產(chǎn)生的疲勞損傷峰值始終比LMA廓形的高；這說明在磨耗達到一定程度后，LM廓形車輪會比LMA廓形車輪更易產(chǎn)生Ⅰ類疲勞。在鏇后8萬公里后，兩種廓形疲勞損傷的峰值基本在一定范圍內波動，并沒有較大的跳躍，這與現(xiàn)場觀測到的疲勞裂紋隨鏇后里程的增加基本保持穩(wěn)定而沒有加劇的事實相吻合，也驗證了仿真預測的正確性。

圖14 1R車輪的Ⅰ類疲勞損傷峰值與平均接觸點位置隨鏇后里程的變化

所調研城際線路小半徑曲線段高軌側鋼軌側磨量較大，因此輪對在通過小半徑曲線時會產(chǎn)生朝向高軌側的較大橫移，這會促進低軌側車輪的輪軌接觸點位置向名義滾動圓外側移動。在另一方面，動車組試驗列車LMA與LM廓形車輪均存在明顯輪緣磨耗，且LMA廓形車輪輪緣磨耗更嚴重，輪緣厚度隨著服役里程的增加快速減小。所以在通過小半徑曲線時LMA廓形車輪的接觸點位置向外側橫移更大，因此在磨耗輪軌匹配的仿真中LMA廓形車輪的Ⅰ類疲勞區(qū)始終比LM廓形車輪的更靠外，同時隨著運行里程進一步增大兩種廓形1R車輪輪軌接觸點位置差越來越小，直至鏇后20萬公里兩者接觸點位置重合。

如圖15所示，雖然在小半徑曲線情況下LM廓形車輪疲勞損傷比LMA廓形疲勞損傷更嚴重，但LMA廓形疲勞預測結果并不為0，這與現(xiàn)實LMA廓形無疲勞的現(xiàn)象似乎不符。這是因為在損傷函數(shù)模型中，當磨耗數(shù)小于磨耗門檻值時認為磨耗損傷為0，事實是只要車輛運行，磨耗時時刻刻都會發(fā)生，即損傷函數(shù)低估了現(xiàn)實中的磨耗程度。考慮上述低估的磨耗，LMA廓形不會像預測的那樣萌生疲勞裂紋。圖15中紅色點劃線定性表示了磨耗低估的影響，之下疲勞損傷在服役中都會被磨去，而現(xiàn)場觀測到的疲勞損傷之上部分的結果，這也解釋了現(xiàn)場觀測的疲勞區(qū)比仿真預測更窄且疲勞較輕微的原因。

圖15 鏇后8萬公里1R車輪廓形的損傷預測

4 結論

本文針對車輪廓形對城際動車組車輪Ⅰ類滾動接觸疲勞的影響，開展了不同車輪廓形的線路對比試驗，并結合車輛動力學仿真初步解釋了試驗現(xiàn)象，主要結論如下：

（1）線路對比試驗發(fā)現(xiàn)，相同運行里程下，LM廓形車輪會產(chǎn)生Ⅰ類疲勞而LMA廓形不發(fā)生，疲勞區(qū)位于名義滾動圓外5～17 mm；

（2）隨服役里程增加，LM廓形Ⅰ類疲勞區(qū)有逐漸向滾動圓外側橫移的趨勢，但已萌生的疲勞裂紋基本保持穩(wěn)定，并沒有進一步惡化。

（3）仿真結果表明，試驗動車組上車輪Ⅰ類疲勞損傷以350～450 m小半徑曲線最嚴重；鏇后8萬公里前，兩種廓形車輪疲勞損傷情況無明顯差異，而之后LM廓形疲勞損傷峰值始終比LMA廓形高，可以解釋試驗中LM廓形發(fā)生疲勞而LMA廓形不發(fā)生的現(xiàn)象。

（4）疲勞峰值隨里程呈現(xiàn)一定的波動，與現(xiàn)場觀測Ⅰ類疲勞裂紋保持穩(wěn)定而沒有惡化的現(xiàn)象吻合。

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Effect of Wheel Profile on Rolling Class ⅠContact Fatigue of Intercity EMU Wheels

LIU Ran，LI Yang，WANG Hengyu，ZHAO Xin

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

To study the effect of wheel profile on classⅠrolling contact fatigue arising on wheels of intercity EMU (Electric Multiple Units), a comparison test was carried out on one EMU covering a period of wheel re-profiling. The LMA profiles was used for the wheels of the first to fourth vehicles of the EMU and the LM profiles was applied for the wheels of the fifth to eighth vehicles. It was found that there was no rolling contact fatigue damage on the wheels of LMA profiles, but classⅠrolling contact fatigue occurred on the wheels of LM profiles under the same running mileage. The vehicle dynamics model was developed with SIMPACK and the rolling contact fatigue prediction was conducted through the damage function. The simulating results show that the wheels of leading wheelset on the low rail are easy to generate classⅠrolling contact fatigue when EMUs pass through the curves especially for sharp curves within the radius of 350～450 m. The fatigue damage peak value of LM wheel profiles is always higher than that of LMA wheel profiles after a mileage of 80,000 km. Considering the wheel wear in the actual service, the phenomenon that LM profiles fatigue occurs but LMA does not can be explained. In addition, the fatigue damage peak value fluctuates with the change of the mileage, which is consistent with the phenomenon that the classⅠfatigue crack remains stable but does not deteriorate.

intercity electric multiple units；wheel profile；rolling contact fatigue；vehicle dynamics；damage function

U270.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.10.007

1006-0316 (2022) 10-0042-09

2021-12-24

國家自然科學基金（51675444）；四川省區(qū)域創(chuàng)新合作項目（2020YFQ0024）；廣西省科技計劃項目（AD20297125）

劉冉（1996－），男，甘肅定西人，碩士研究生，主要研究方向為輪軌關系及動力學，E-mail：liuran502@163.com。