摩擦系數(shù)對(duì)薄輪緣車輪通過曲線段磨耗的影響

中圖分類號(hào)：U211.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）21-0019-06

Abstract：Thin-rimwhelshavebecomethemain formoftrainwheels.Inorder toreduceitswearoncurvedsections，the efectofcurvedraillubricationonwhelwearwasstudied.Byestablishingavehicle-trackcoupleddynamicmodel，thwear lawsof wornwhelsunderdiferentcurveradiiandtrackbottomslopesareanalyzedwhen thewhee-railfrictioncoefficentsare changed.Theresultsshowthatthewhee-railcontactperformancedecreasesafterwearing，andthecontactcharacteristicsarethe worstwhenmatchingthewornwhel-newtrack，butthemaximumvaluesofderalmentcoeffcientandwheelweightreduction rate decrease by 57.9%and 9.4% respectively，indicating that trains with thin rims are more difficult to derail when crossing curves.Reducingthewhee-railfrictioncoeffientcanefectivelyreduceweelwear，andthesmallrthecurveradius，themore obvioustheefect，whiletherailbotomslopehaslessinfluenceonthewearindexAsymmetriclubricationcontrolofinnerand outerrailsismoreconducivetofrictionreduction.Whenthefrictioncoeficientoftheinnerrailisfixed，thewearindexofthe inerandouterwheelsdecreasesasthefrictioncoefcientoftheouterraildecreases，andthefrictionreductionrateoftheouter wheelsisfaster.Whenthewheel-railfrictioncoeficientdropstoO.1，thewheelfatiguefactorislessthanO，andsurfacfatigue isnoteasytoocur.Basedonthesimulationresults，measuressuchasasymmetricfrictioncontrolorreducingthewhel-rail frictioncoeffcienttoO.1arerecommendedtoreducerimwearandextendwheelfe，providingtheoreticalreferenceandbasis for improving economy.

Keywords：rimwear;whee-rail matching；whel-rail lubrication；wear index；fatigue factor;wear-reducingmeasures

車輪輪緣異常磨耗是高速列車運(yùn)行中的常見問題，影響輪軌接觸特性及運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性。研究輪緣磨耗后的輪軌接觸特性及磨耗規(guī)律，可為車輛服役安全性和經(jīng)濟(jì)性提供理論依據(jù)[1-4]。

國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)輪軌磨耗特性及減磨措施進(jìn)行了大量研究。梁旭等通過分析鋼軌在不同時(shí)期的側(cè)磨量和磨耗速率，得出了固體潤滑可以減緩鋼軌的磨耗速率這一結(jié)論；CHEN等研究了3種車輪踏面在磨耗后其輪軌接觸特性及不同踏面對(duì)列車運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性的影響；林鳳濤基于輪軌滾動(dòng)接觸理論，采用輪軌磨耗數(shù)值分析方法，對(duì)實(shí)測(cè)磨耗車輪數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了低磨耗車輪型面的多目標(biāo)優(yōu)化模型，最后對(duì)磨耗車輪型面進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而減緩了輪軌間磨耗；肖乾等通過研究分析出了不同摩擦系數(shù)對(duì)接觸區(qū)磨耗量有較大的影響，得出部分滑動(dòng)和全滑動(dòng)工況下接觸區(qū)磨耗量隨著摩擦系數(shù)的增大呈現(xiàn)增大的規(guī)律；KARTTUNEN等分析了車輪輪緣和踏面的幾何參數(shù)與車輪滾動(dòng)接觸疲勞及車輪磨損之間的關(guān)系，為車輪損傷形式的分類提供了一種更為高效的方法。

目前，薄輪緣車輪已成為主要服役形式，但其在曲線段的減磨研究仍需深入。本文利用實(shí)測(cè)輪軌數(shù)據(jù)，選取匹配性能不良的輪軌組合，研究不同工況下變摩擦系數(shù)對(duì)輪緣磨耗特性的影響，并分析潤滑時(shí)的車輪表面疲勞特性。

1現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及數(shù)據(jù)分析

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，某城際線路動(dòng)車組車輪輪緣磨耗嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)的鋼軌也出現(xiàn)不同程度磨損。實(shí)測(cè)廓形顯示，該線路車輪輪緣厚度較小。隨著運(yùn)營里程增加，輪緣磨耗逐漸加劇，輪緣厚度可作為評(píng)價(jià)磨耗是否過限的指標(biāo)。選取的磨耗車輪輪緣厚度為 28.01mm ，接近磨耗下限，實(shí)測(cè)車輪與鋼軌廓形如圖1、圖2所示。

2輪軌靜態(tài)接觸幾何分析

為更好地對(duì)比不同輪軌型面接觸時(shí)的輪軌匹配特性，將選取的車輪廓形與鋼軌廓形分為新輪-新軌、新輪-磨耗軌、磨耗輪-新軌、磨耗輪-磨耗軌4種匹配方式。

不同型面的車輪與鋼軌匹配對(duì)車輪磨耗有不同影響。利用MATLAB編程得到4種匹配情況下的輪軌接觸特性如圖3所示[1]。等效錐度曲線用于評(píng)價(jià)輪軌接觸特征，對(duì)車輛穩(wěn)定性有重要影響，圖4展示了4種匹配方式下的等效錐度變化規(guī)律[]。

圖3顯示，新輪-新軌匹配時(shí)，輪對(duì)橫移量在[-10，8]mm范圍內(nèi)，接觸點(diǎn)均勻分布在鋼軌軌頭和車輪踏面處，無跳躍點(diǎn)；橫移量達(dá) 10mm 時(shí)，接觸點(diǎn)移至鋼軌軌距角和輪緣處。新輪-磨耗軌匹配時(shí)，橫移量在[4，6]mm出現(xiàn)顯著接觸點(diǎn)跳躍，接觸點(diǎn)主要分布在車輪踏面和軌頂，狀態(tài)良好但分布不均。磨耗輪-新軌匹配時(shí)，存在接觸點(diǎn)跳躍和集中現(xiàn)象，橫移量在 [-10，0]mm 區(qū)間內(nèi)，接觸點(diǎn)多處集中，導(dǎo)致磨耗不均和局部疲勞損傷。磨耗輪-磨耗軌匹配時(shí)，橫移量在 [-10，6]mm 時(shí)接觸點(diǎn)集中，且在[6，8]mm 和[8，10]mm間存在跳躍點(diǎn)。

如圖4所示，不同匹配情況下的等效錐度差異顯 著。新輪-新軌、新輪-磨耗軌、磨耗輪-磨耗軌的等效 錐度整體呈上升趨勢(shì)。磨耗輪-新軌在輪對(duì)橫移量為 [2，10]mm范圍內(nèi)，等效錐度先減后增再減，且總體值 較大，影響車輛穩(wěn)定性。磨耗輪-磨耗軌匹配時(shí)，橫移 量在[1，8]mm范圍內(nèi)，等效錐度值均低于0.03，小于 其他3種匹配情況，導(dǎo)致輪對(duì)恢復(fù)對(duì)中能力較弱，易 引發(fā)車輛失穩(wěn)。

結(jié)合圖3輪軌接觸特性圖和圖4等效錐度圖可知，除新輪-新軌匹配外，其他匹配情況易出現(xiàn)接觸點(diǎn)跳躍。磨耗輪-新軌匹配時(shí)，接觸點(diǎn)過于集中，導(dǎo)致局部磨耗加劇，縮短了車輪與鋼軌的使用壽命。其等效錐度較大，且在橫移量 [2，4]mm 范圍內(nèi)呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，對(duì)車輛穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，表明磨耗輪-新軌匹配效果較差。

3車輛動(dòng)力學(xué)特性分析

建立車輛動(dòng)力學(xué)模型，如圖5所示[2]。車輪型面為標(biāo)準(zhǔn)LMA和實(shí)測(cè)磨耗型面，鋼軌則為標(biāo)準(zhǔn)CHN60軌和實(shí)測(cè)磨耗鋼軌。設(shè)置計(jì)算線路總長度為 1100m ，圓曲線半徑為 600m ，長度為 800m ，前后緩和曲線長度分別為 100m ，車輛的行駛速度為 100km/h ，軌底坡為1/40。

車輛通過曲線時(shí)，安全性和穩(wěn)定性是關(guān)鍵指標(biāo)。從影響這兩者的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)出發(fā)，分析外側(cè)車輪的表現(xiàn)。由表1可知，與新輪-新軌相比，磨耗輪-新軌的脫軌系數(shù)和輪重減載率最大值分別降低了 57.9% 和 9.4% ；與新輪-磨耗軌相比，磨耗輪-磨耗軌的脫軌系數(shù)和輪重減載率最大值分別減少了 19.4% 和 15.2% 。這表明輪緣磨耗后，車輛過曲線時(shí)更不易脫軌，安全性較高。輪軌振動(dòng)加速度反映列車穩(wěn)定性，其值越小，列車行駛越穩(wěn)定。輪緣磨耗后振動(dòng)加速度變化不大，說明磨耗對(duì)穩(wěn)定性影響較小，且所有值均在安全限值內(nèi)。

4輪軌潤滑下的磨耗特性分析

輪軌潤滑通過改變輪軌間摩擦系數(shù)實(shí)現(xiàn)減磨，無潤滑時(shí)摩擦系數(shù)為0.3～0.4。基于動(dòng)力學(xué)計(jì)算與分析，利用已建立的模型研究不同摩擦系數(shù)下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，分析車輪磨耗指數(shù)和疲勞因子的變化規(guī)律。

輪緣磨耗與接觸斑處所消耗的摩擦功呈線性關(guān)系，采用Elkins蠕滑磨耗指數(shù)作為輪緣磨耗程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

Elkins蠕滑磨耗指數(shù)可表示為

W=T_xV_x+T_yV_y ， （1）式中： T_x，T_y 分為縱向和橫向的蠕滑力； V_x，V_y 為縱向和橫向蠕滑率。

輪緣磨耗后對(duì)輪軌接觸疲勞也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，輪軌表面滾動(dòng)接觸疲勞是輪軌傷損的一個(gè)重要原因，對(duì)輪軌的使用壽命影響較大。根據(jù)安定理論用車輪表面疲勞因子來評(píng)價(jià)輪軌滾動(dòng)接觸疲勞，其計(jì)算公式如下

式中： F_x?F_y?F_z 分別為縱、橫向蠕滑力及法向力；A為接觸斑面積； k 為輪軌材料的剪切屈服強(qiáng)度，取值為300MPa 。

4.1對(duì)稱潤滑下的減磨措施研究

為研究輪軌對(duì)稱潤滑在不同半徑曲線段的適用性，選取軌底坡為1/40，曲線通過速度為 100km/h ，分析不同曲線半徑下改變輪軌摩擦系數(shù)對(duì)車輪磨耗指數(shù)和疲勞因子的影響。圖6顯示，曲線半徑越大，車輪磨耗指數(shù)越?。划?dāng)摩擦系數(shù)從0.6降至0.1時(shí)，曲線半徑越小，減磨效果越顯著，表明降低輪軌摩擦系數(shù)可有效減緩車輪輪緣磨耗。圖7表明，當(dāng)摩擦系數(shù)為0.1時(shí)，車輪表面疲勞因子均小于0，不易產(chǎn)生疲勞損傷；而當(dāng)曲線半徑為400、600和 800m 時(shí)，摩擦系數(shù)在 0.4～ 0.6之間，車輪表面疲勞因子較大，極易引發(fā)疲勞損傷。

車輛在不同軌底坡下運(yùn)行時(shí)，磨耗指數(shù)和表面疲勞因子會(huì)發(fā)生變化，影響車輪使用壽命。動(dòng)力學(xué)仿真中，設(shè)定曲線半徑為 600m ，運(yùn)行速度為 100km/h ，分析輪軌摩擦系數(shù)在0.1～0.6之間的磨損規(guī)律。圖8顯示，軌底坡為 1/20，1/30，1/40，1/50 時(shí)，車輪磨耗指數(shù)較大，且隨摩擦系數(shù)增加而增大；軌底坡為1/10時(shí)，磨耗指數(shù)隨摩擦系數(shù)變化較小。圖9表明，軌底坡為1/40且摩擦系數(shù)為0.6時(shí)，車輪表面疲勞因子達(dá)到最大值0.29，此時(shí)滾動(dòng)疲勞概率最高；隨著摩擦系數(shù)增大，軌底坡越小，車輪表面發(fā)生滾動(dòng)疲勞損傷的概率越大。

4.2 非對(duì)稱潤滑下的減磨措施研究

為研究輪軌潤滑對(duì)輪緣磨耗車輪的減磨特性，對(duì)內(nèi)外車輪進(jìn)行非對(duì)稱潤滑。采用已建立的動(dòng)力學(xué)模型，選取軌底坡為 1/20，1/30，1/40 和曲線半徑為600、1000、1500m 的工況，仿真分析運(yùn)行速度為 100km/h 時(shí)內(nèi)外車輪的磨損規(guī)律。表2、表3分別展示了不同曲線半徑和軌底坡下非對(duì)稱潤滑時(shí)車輪磨損的最大值和最小值。

由表2可知，當(dāng)軌底坡分別為 1/20AA.1/30AA.1/40 時(shí)，車輪表面疲勞因子的最值變化不大，且最小值均小于零；對(duì)于內(nèi)輪磨耗指數(shù)，3種軌底坡下，最大值最大相差 0.5N ，最小值最大相差 0.9N ;外輪磨耗指數(shù)最大值分別為 388.80N.309.90N.273.60N， ，降幅依次為20.3%.11.7% ，最小值分別為 66.80N.52.70N.52.65N ，降幅依次為 21.1%.0.1% ?？傮w來說，輪軌間非對(duì)稱潤滑時(shí)，不同的軌底坡對(duì)車輪的磨損影響不大，但最大值和最小值相差較大，即輪軌間合理的摩擦控制減磨措施在不同軌底坡下同時(shí)適用。

由表3可知，不同曲線半徑下，車輪表面疲勞因子和磨耗指數(shù)均隨曲線半徑增加而減小，表明輪軌非對(duì)稱潤滑在不同曲線半徑下的減磨效果存在差異。為制定針對(duì)不同曲線半徑的減磨措施，分析內(nèi)外車輪的磨損規(guī)律。內(nèi)外車輪的摩擦系數(shù)分別用 μ_H 和μ 外表示，取值范圍均為 0.1～0.6 圖10（a）和圖10（b）展示了內(nèi)外輪摩擦系數(shù)變化時(shí)，不同曲線半徑下車輪的磨耗規(guī)律。

當(dāng)曲線半徑為 600m 時(shí)，內(nèi)外輪磨耗指數(shù)均在 μ 外為 0.6μ_⊥ 為0.5時(shí)達(dá)到最大值，分別為 204.2N.273.6N ，當(dāng) μ 內(nèi)和 μ 外均為0.1時(shí)，內(nèi)外輪磨耗指數(shù)達(dá)到最小值，分別為 41.2N，52.7N ，降幅分別為 79.8%.80.7% 。從圖10可以得到， μ_↑↑ 的改變對(duì)磨耗指數(shù)的影響較大，即僅降低 μ 外可以減小內(nèi)外輪的磨耗指數(shù);同時(shí)減小 ）μ 外可以有效減緩?fù)廨喣ズ闹笖?shù)。

當(dāng)曲線半徑為 1000m 時(shí)， ??μ^? 外為 為0.3時(shí)，內(nèi)輪磨耗指數(shù)達(dá)到最大值 136.20N;μ 外為 為0.1時(shí)，外輪磨耗指數(shù)達(dá)到最大值 132.2N ；當(dāng) μ 外 μ 內(nèi)均為0.1時(shí)，內(nèi)外輪磨耗指數(shù)均取得最小值，分別為38.1N，49.7N ，降幅分別為 78.8%.74.6% 。降低外輪摩擦系數(shù)可以減少內(nèi)輪的磨耗；控制 0.14μ_Nlt;0.3，0.1? μ_5|lt;0.6 能有效減緩?fù)廨喌哪ズ摹?/p>

當(dāng)曲線半徑為 1500m 時(shí) 為 為0.3時(shí)，內(nèi)輪磨耗指數(shù)達(dá)到最大值 111.37N;μ 外為 _{0.4，μ⊥} 為0.6時(shí)，外輪磨耗指數(shù)達(dá)到最大值 196.2N ；當(dāng) μ 外和μ_?PS 均為0.1時(shí)，內(nèi)外輪磨耗指數(shù)均取得最小值，分別為 31.1N，46.8N ，其降幅分別為 76.5%.72.1% 。為減小內(nèi)輪的磨耗指數(shù)，可采取降低外輪磨擦系數(shù)的措施；對(duì)于外輪的磨耗，則可同時(shí)對(duì)內(nèi)外輪降摩擦系數(shù)進(jìn)行潤滑控制。

在不同曲線半徑下，當(dāng)內(nèi)輪摩擦系數(shù)不變時(shí)，內(nèi)外輪的磨耗指數(shù)均隨著外輪摩擦系數(shù)的降低而減??；曲線半徑越大，內(nèi)外輪對(duì)應(yīng)的磨耗指數(shù)越小，但輪軌間摩擦系數(shù)潤滑對(duì)半徑越小的曲線減磨效果更好，能夠有效減緩輪軌間的磨耗，減少車輪輪緣處的進(jìn)一步磨損，延長車輪的使用壽命。

對(duì)內(nèi)外軌進(jìn)行非對(duì)稱潤滑后，不同曲線半徑下內(nèi)外車輪的疲勞因子如圖11（a）（b）所示。當(dāng)曲線半徑為 600∥000∥500m 時(shí)，內(nèi)輪疲勞因子最大值為 0.31，0.20，0.14 ，外輪疲勞因子最大值為0.50，0.42，0.41 ，表明外輪疲勞因子大于內(nèi)輪，過曲線時(shí)外輪更易疲勞。通過降低內(nèi)輪摩擦系數(shù)可減少內(nèi)輪磨耗，降低外輪摩擦系數(shù)可有效減小外輪疲勞因子。車輪疲勞因子最小值均小于0，表明同時(shí)對(duì)內(nèi)外輪進(jìn)行降摩擦系數(shù)潤滑能有效減緩車輪表面疲勞，延長使用壽命。

5結(jié)論

本文基于UM建立了車輛-軌道耦合模型，仿真計(jì)算不同曲線半徑、不同軌底坡和不同摩擦系數(shù)下薄輪緣車輪磨耗指數(shù)和表面疲勞因子，提出了一種非對(duì)稱潤滑方法可有效減緩薄輪緣車輪磨損速率。

1）4種匹配情況下，磨耗輪-新軌匹配時(shí)其輪軌接觸特性最差，與新輪-新軌相比，脫軌系數(shù)和輪重減載率最大值分別降低了 57.9% 和 9.4% ，說明薄輪緣列車過曲線時(shí)不易脫軌。

2）對(duì)稱潤滑時(shí)，磨耗輪-新軌的動(dòng)力學(xué)性能隨摩擦系數(shù)的降低變化最明顯。輪軌間摩擦系數(shù)減小能有效減緩車輪的磨耗，同時(shí)半徑越小減磨效果越好，但不同軌底坡對(duì)磨耗指數(shù)的影響不大。

3）在不同曲線半徑下，輪軌間合理的非對(duì)稱摩擦控制能有效減緩內(nèi)外側(cè)車輪的磨耗指數(shù)，當(dāng)內(nèi)輪摩擦系數(shù)為定值時(shí)，內(nèi)外側(cè)車輪的磨耗指數(shù)均隨著外輪摩擦系數(shù)的降低而減小，但外側(cè)車輪的減磨速率大于內(nèi)側(cè)車輪的減磨速率，即對(duì)外側(cè)車輪進(jìn)行潤滑對(duì)減小車輪磨耗更有效。

4）隨著輪軌間摩擦系數(shù)的降低，車輪表面疲勞因子明顯減小，當(dāng)輪軌間摩擦系數(shù)為0.1時(shí)，對(duì)應(yīng)車輪的疲勞因子小于0，此時(shí)車輪不易發(fā)生疲勞損傷。

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