車輪磨耗對輪軌匹配的影響規(guī)律

1、車輪磨耗對輪軌匹配的影響規(guī)律劉闖，李國棟，宋春元，李曉峰 （中車長春軌道客車 股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部， 吉林 長春 130000） 摘 要：輪軌匹配是影響高速動車組動 力學性能的重要因素，合理的車輪型面可以提高輪軌匹配特 性，從而減小輪軌間作用力。選取一列狀態(tài)良好、運行固定 交路的高速動車組進行長期跟蹤測試，對比分析不同里程下 的車輪踏面狀態(tài)，對照相應(yīng)里程時的車輛動力學性能，分析 研究各磨耗階段輪軌匹配對車輛性能的影響。 關(guān)鍵詞：動 車組；車輪；輪軌匹配；等效錐度；磨耗；動力學 隨著我 國高速鐵路的發(fā)展，車輛、線路與配套設(shè)備的長期運用產(chǎn)生 了多種問題，車輪與鋼軌的磨

2、耗問題尤為突出。輪軌間磨耗 損傷主要是由于滾動接觸疲勞產(chǎn)生的。鋼軌波磨和軌頭斜裂 紋等問題可通過定期鋼軌打磨修型消除。車輪異常磨耗等問 題可通過定期鏇修進行控制。但鋼軌打磨與車輪鏇修都加大 了車輛運營成本。為了解決輪軌間磨耗問題，改善車輛運行 品質(zhì)，國內(nèi)外學者開展了大量研究，包括軌道振動特性、車 輛懸掛參數(shù)、車輪與鋼軌廓形、車輪與鋼軌材質(zhì)及熱處理工 藝等方面 1-2 。 影響車輛運行品質(zhì)的因素多種多樣，為了 專項研究車輪磨耗狀態(tài)對車輛運行狀態(tài)的影響，選取一列狀 態(tài)良好、運行固定交路的 CRH3 型動車組進行長期跟蹤測試， 車輪初始踏面廓形為 S1002CN 踏面。對比分析不同里程下的 車輪踏面

3、狀態(tài)，對照相應(yīng)里程時的車輛動力學性能，分析研 究各磨耗階段輪軌匹配對車輛性能的影響。 1 不同磨耗里 程下車輪踏面變化規(guī)律 1.1 等效錐度 等效錐度是輪軌關(guān)系 中影響高速動車組車輛動力學性能的重要參數(shù)，等效錐度過 大，高速動車組的蛇行運動穩(wěn)定性很難得到保證；等效錐度 過小，則會降低車輛對中性 3 。 以實測踏面與 60D 鋼軌匹 配，依據(jù) UIC 519 標準，計算不同磨耗里程下車輪踏面的等 效錐度（見圖 1）。在一個鏇輪周期內(nèi)，等效錐度隨著運營里 程逐漸增長，增長速率約為 0.01/萬 km 。 圖 1 踏面等效錐 度隨運營里程的變化規(guī)律 1.2 接觸帶寬 車輪接觸帶寬在鏇 輪初期約為17

4、.5 mm，鏇修周期末達到 33.0 mm，運行過程 中隨運營里程逐漸增長， 平均增長速率約為1 mm/萬km。一 般接觸帶寬越寬，車輪磨耗面積越大，徑向磨耗量就會相應(yīng) 越小。接觸帶寬隨運營里程的變化規(guī)律見圖 2。 圖 2 接觸 帶寬隨運營里程的變化規(guī)律 1.3 踏面磨耗量 隨著運營里程 增加、等效錐度增大，踏面磨耗速率逐漸增快。踏面平均磨 耗速率約為 0.2 mm/10 萬 km 。不同車型、 輪徑及橡膠元件的 老化，甚至包括氣候環(huán)境，都會對車輪磨耗量造成影響 4 。 大量實測表明，在一個鏇修周期內(nèi)，車輪磨耗量幾乎不超過1 mm。踏面磨耗量隨運營里程的變化規(guī)律見圖3。圖3踏面磨耗量隨運營里程

5、的變化規(guī)律 2 車輛動力學性能變化規(guī)律 高速動車組的運行狀態(tài)受到眾多因素影響，包括輪軌相 互作用、空氣動力作用、車輛自身結(jié)構(gòu)與懸掛參數(shù)等 5 。為 了驗證不同里程磨耗后的車輪踏面對車輛動力學性能的影 響，對車輛動態(tài)響應(yīng)進行一個鏇修周期的持續(xù)跟蹤。 2.1 運 營里程與穩(wěn)定性的關(guān)系 車輛非線性臨界速度的大小受等效 錐度的影響，隨著等效錐度的增大，非線性臨界速度會呈現(xiàn) 先增大后減小的趨勢，不同車輛狀態(tài)情況下，臨界速度變化 的拐點不同。 這與 Polach 提出的非線性臨界速度分布特點類 似，車輛存在 2 個低臨界速度區(qū)域 6。 以 5次車輪踏面測 量得到的實際踏面形狀為基礎(chǔ)，選取每次測量中接近平均

6、等 效錐度的踏面作為典型踏面，通過多體動力學軟件進行仿真 分析，得出車輛非線性臨界速度變化趨勢 （見圖 4）。 圖 4 車 輛非線性臨界速度變化趨勢 2.2 運營里程與平穩(wěn)性的關(guān)系 針對高速動車組一個完整周期內(nèi)的平穩(wěn)性變化規(guī)律，在全列 鏇修后，定期測試分析其平穩(wěn)性。以全程時域平穩(wěn)性信號進 行計算，考慮 99.85% 置信度統(tǒng)計最大值。動車組均以300km/h 速度運用于京滬高鐵， 執(zhí)行交路為北京南上海虹橋往 返。完整鏇修周期內(nèi)，平穩(wěn)性變化規(guī)律具有以下特點：在整 個鏇修周期內(nèi)，橫向平穩(wěn)性普遍為1.62.2，垂向平穩(wěn)性普遍為1.62.0,在整個周期內(nèi)平穩(wěn)性沒有顯著變化。鏇后0.2萬 km 時，其橫

7、向和垂向平穩(wěn)性指標處于整個周期內(nèi)的最大 值，之后逐漸減小，鏇后 5.0萬km后平穩(wěn)性指標保持穩(wěn)定。全鏇修周期內(nèi)，垂向平穩(wěn)性指標變化幅度小于橫向平穩(wěn)性指標。頭車完整鏇修周期內(nèi)平穩(wěn)性指標變化規(guī)律見圖5。 圖 5頭車完整鏇修周期內(nèi)平穩(wěn)性指標變化規(guī)律 對比分析 1 車（動 車）與 2 車（拖車）在測試踏面廓形相近時間點的平穩(wěn)性指 標變化規(guī)律（見圖 6圖 9）?？梢钥闯?， 2 車（拖車）橫向 平穩(wěn)性指標小于 1 車（動車），在整個鏇修周期內(nèi)，其平穩(wěn) 性指標保持穩(wěn)定，且均為優(yōu)秀； 2 車（拖車）垂向平穩(wěn)性指 標在整個鏇修周期內(nèi)保持穩(wěn)定，略小于 1 車（動車）同期垂 向平穩(wěn)性指標。 2.3 運營里程與構(gòu)架加

8、速度的關(guān)系 構(gòu)架橫 向加速度采用 10 Hz 濾波，以連續(xù) 6 次峰值達到某一值作為 判定依據(jù)統(tǒng)計構(gòu)架橫向加速度（見圖 10）。統(tǒng)計結(jié)果顯示， 構(gòu)架橫向加速度在完整鏇修周期內(nèi)隨里程增加而有增大趨 勢。在鏇修周期末，車輪等效錐度較大時，構(gòu)架橫向加速度 達到最大。 3 結(jié)束語 根據(jù)實測的完整鏇修周期內(nèi)車輛各階 段踏面磨耗情況與車輛動力學性能，研究車輛踏面磨耗對車 輛動力學性能的影響規(guī)律。研究表明，隨著車輛運行里程的 增加，車輪踏面磨耗增大，輪軌匹配等效錐度與輪軌接觸帶 寬逐漸增大；車輛非線性臨界速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨 勢；車體橫向與垂向平穩(wěn)性指標在全頻段范圍內(nèi)與在車輪踏 面磨耗各階段比較變化不明

9、顯；構(gòu)架橫向加速度隨著車輪磨 耗的增加逐漸增大。 本次跟蹤測試以采用 S1002CN 踏面的 CRH3 型動車組為參考對象，跟蹤其在一個鏇修周期內(nèi)的特征。研究過程中車輛受外界影響因素較復(fù)雜，一個鏇修周期內(nèi)的數(shù)據(jù)不足以充分確定車輪踏面磨耗對輪軌匹配的影響 規(guī)律，希望在以后工作中能大量積累試驗數(shù)據(jù)，詳細統(tǒng)計分析踏面各磨耗位置磨耗量對輪軌匹配的影響，從而對踏面輪廓的改進提供借鑒。圖 6 1 車（動車）完整鏇修周期內(nèi)橫向平穩(wěn)性指標變化規(guī)律圖 7 1 車（動車） 完整鏇修周期內(nèi)垂向平穩(wěn)性指標變化規(guī)律圖 8 2 車（拖車） 完整鏇修周期內(nèi)橫向平穩(wěn)性指標變化規(guī)律圖 9 2 車（拖車） 完整鏇修周期內(nèi)垂向平穩(wěn)

10、性指標變化規(guī)律圖 10 構(gòu)架橫向加速度隨運行里程變化規(guī)律 參考文獻 1 王一平，羅仁，胡俊波不同配準策略 下的輪軌磨 耗量研究 J 中國鐵路， 2017（9）：83-90 2 徐凱，李芾，李東宇，等動車組車輪踏面磨耗對動 力學 性能的影響 J 中國鐵路， 2016（9）：40-44 3 王福天車 輛系統(tǒng)動力學 M 成都：西南交通大學 出版社， 2007 4 任尊松輪軌多點接觸及車輛 -道岔系統(tǒng)動態(tài)相互 作用M 北京：科學出版社， 2014 5池茂儒，張衛(wèi)華， 曾京， 等輪徑差對車輛系統(tǒng)穩(wěn)定 性的影響 J 中國鐵道科學， 2008，26（6）：65-69 6 李艷高速列車動力學參數(shù)影響度 的研究

11、與應(yīng)用 D. 成都：西南交通大學， 2008 Impact ofWheel Wear on Wheel/rail Relationship LIU Chuang ， LIGuodong， SONG Chunyuan ，LI Xiaofeng( Bogie R&D Department of National Passenger Vehicle Research Center， CRRC Changchun Railway Vehicles Co Ltd ， Changchun Jilin 130000 ， China ） Abstract ： Wheel/rail interaction is

12、 an important issue influencing the dynamic performance of high speed EMU. Ideal wheel pro fi le could improve the wheel/rail interaction and reduce the contact force between wheel and rail. A high speed EMU of good conditions and fi xed operation routing is selected for long term monitoring,with wh

13、eel tread status after di ff erent running mileages analyzed and compared so that the dynamic performance of the vehicles can also be compared. Impact of wheel/rail interaction in different wear conditions on the dynamic performance of vehicles are analyzed accordingly. Keywords ： EMU ； wheel； wheel/rail interaction ；equivalent taper；wear； dynamics 中