車輪磨耗對(duì)輪軌匹配的影響規(guī)律

1、車輪磨耗對(duì)輪軌匹配的影響規(guī)律劉闖，李國(guó)棟，宋春元，李曉峰 （中車長(zhǎng)春軌道客車 股份有限公司 國(guó)家軌道客車工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部， 吉林 長(zhǎng)春 130000） 摘 要：輪軌匹配是影響高速動(dòng)車組動(dòng) 力學(xué)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(yùn)行固定 交路的高速動(dòng)車組進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試，對(duì)比分析不同里程下 的車輪踏面狀態(tài)，對(duì)照相應(yīng)里程時(shí)的車輛動(dòng)力學(xué)性能，分析 研究各磨耗階段輪軌匹配對(duì)車輛性能的影響。 關(guān)鍵詞：動(dòng) 車組；車輪；輪軌匹配；等效錐度；磨耗；動(dòng)力學(xué) 隨著我 國(guó)高速鐵路的發(fā)展，車輛、線路與配套設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)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(dòng)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(jìn)行控制。但鋼軌打磨與車輪鏇修都加大 了車輛運(yùn)營(yíng)成本。為了解決輪軌間磨耗問題，改善車輛運(yùn)行 品質(zhì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，包括軌道振動(dòng)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(yùn)行品質(zhì)的因素多種多樣，為了 專項(xiàng)研究車輪磨耗狀態(tài)對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的影響，選取一列狀 態(tài)良好、運(yùn)行固定交路的 CRH3 型動(dòng)車組進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試， 車輪初始踏面廓形為 S1002CN 踏面。對(duì)比分析不同里程下的 車輪踏面

3、狀態(tài)，對(duì)照相應(yīng)里程時(shí)的車輛動(dòng)力學(xué)性能，分析研 究各磨耗階段輪軌匹配對(duì)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(dòng)車組車輛動(dòng)力學(xué)性能的重要參數(shù)，等效錐度過 大，高速動(dòng)車組的蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性很難得到保證；等效錐度 過小，則會(huì)降低車輛對(duì)中性 3 。 以實(shí)測(cè)踏面與 60D 鋼軌匹 配，依據(jù) UIC 519 標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算不同磨耗里程下車輪踏面的等 效錐度（見圖 1）。在一個(gè)鏇輪周期內(nèi)，等效錐度隨著運(yùn)營(yíng)里 程逐漸增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率約為 0.01/萬(wàn) km 。 圖 1 踏面等效錐 度隨運(yùn)營(yíng)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(dá)到 33.0 mm，運(yùn)行過程 中隨運(yùn)營(yíng)里程逐漸增長(zhǎng)， 平均增長(zhǎng)速率約為1 mm/萬(wàn)km。一 般接觸帶寬越寬，車輪磨耗面積越大，徑向磨耗量就會(huì)相應(yīng) 越小。接觸帶寬隨運(yùn)營(yíng)里程的變化規(guī)律見圖 2。 圖 2 接觸 帶寬隨運(yùn)營(yíng)里程的變化規(guī)律 1.3 踏面磨耗量 隨著運(yùn)營(yíng)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(wàn) 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(huì)對(duì)車輪磨耗量造成影響 4 。 大量實(shí)測(cè)表明，在一個(gè)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(yùn)營(yíng)里程的變化規(guī)律見圖3。圖3踏面磨耗量隨運(yùn)營(yíng)里程

5、的變化規(guī)律 2 車輛動(dòng)力學(xué)性能變化規(guī)律 高速動(dòng)車組的運(yùn)行狀態(tài)受到眾多因素影響，包括輪軌相 互作用、空氣動(dòng)力作用、車輛自身結(jié)構(gòu)與懸掛參數(shù)等 5 。為 了驗(yàn)證不同里程磨耗后的車輪踏面對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影 響，對(duì)車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行一個(gè)鏇修周期的持續(xù)跟蹤。 2.1 運(yùn) 營(yíng)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(huì)呈現(xiàn) 先增大后減小的趨勢(shì)，不同車輛狀態(tài)情況下，臨界速度變化 的拐點(diǎn)不同。 這與 Polach 提出的非線性臨界速度分布特點(diǎn)類 似，車輛存在 2 個(gè)低臨界速度區(qū)域 6。 以 5次車輪踏面測(cè) 量得到的實(shí)際踏面形狀為基礎(chǔ)，選取每次測(cè)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(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行仿真 分析，得出車輛非線性臨界速度變化趨勢(shì) （見圖 4）。 圖 4 車 輛非線性臨界速度變化趨勢(shì) 2.2 運(yùn)營(yíng)里程與平穩(wěn)性的關(guān)系 針對(duì)高速動(dòng)車組一個(gè)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(cè)試分析其平穩(wěn)性。以全程時(shí)域平穩(wěn)性信號(hào)進(jìn) 行計(jì)算，考慮 99.85% 置信度統(tǒng)計(jì)最大值。動(dòng)車組均以300km/h 速度運(yùn)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(diǎn)：在整 個(gè)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(gè)周期內(nèi)平穩(wěn)性沒有顯著變化。鏇后0.2萬(wàn) km 時(shí)，其橫

7、向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)處于整個(gè)周期內(nèi)的最大 值，之后逐漸減小，鏇后 5.0萬(wàn)km后平穩(wěn)性指標(biāo)保持穩(wěn)定。全鏇修周期內(nèi)，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)變化幅度小于橫向平穩(wěn)性指標(biāo)。頭車完整鏇修周期內(nèi)平穩(wěn)性指標(biāo)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(biāo)變化規(guī)律 對(duì)比分析 1 車（動(dòng) 車）與 2 車（拖車）在測(cè)試踏面廓形相近時(shí)間點(diǎn)的平穩(wěn)性指 標(biāo)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(biāo)小于 1 車（動(dòng)車），在整個(gè)鏇修周期內(nèi)，其平穩(wěn) 性指標(biāo)保持穩(wěn)定，且均為優(yōu)秀； 2 車（拖車）垂向平穩(wěn)性指 標(biāo)在整個(gè)鏇修周期內(nèi)保持穩(wěn)定，略小于 1 車（動(dòng)車）同期垂 向平穩(wěn)性指標(biāo)。 2.3 運(yùn)營(yíng)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(dá)到某一值作為 判定依據(jù)統(tǒng)計(jì)構(gòu)架橫向加速度（見圖 10）。統(tǒng)計(jì)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(shì)。在鏇修周期末，車輪等效錐度較大時(shí)，構(gòu)架橫向加速度 達(dá)到最大。 3 結(jié)束語(yǔ) 根據(jù)實(shí)測(cè)的完整鏇修周期內(nèi)車輛各階 段踏面磨耗情況與車輛動(dòng)力學(xué)性能，研究車輛踏面磨耗對(duì)車 輛動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究表明，隨著車輛運(yùn)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(shì)；車體橫向與垂向平穩(wěn)性指標(biāo)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(cè)試以采用 S1002CN 踏面的 CRH3 型動(dòng)車組為參考對(duì)象，跟蹤其在一個(gè)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(gè)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(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)，詳細(xì)統(tǒng)計(jì)分析踏面各磨耗位置磨耗量對(duì)輪軌匹配的影響，從而對(duì)踏面輪廓的改進(jìn)提供借鑒。圖 6 1 車（動(dòng)車）完整鏇修周期內(nèi)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)變化規(guī)律圖 7 1 車（動(dòng)車） 完整鏇修周期內(nèi)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)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(biāo)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(biāo)變化規(guī)律圖 10 構(gòu)架橫向加速度隨運(yùn)行里程變化規(guī)律 參考文獻(xiàn) 1 王一平，羅仁，胡俊波不同配準(zhǔn)策略 下的輪軌磨 耗量研究 J 中國(guó)鐵路， 2017（9）：83-90 2 徐凱，李芾，李東宇，等動(dòng)車組車輪踏面磨耗對(duì)動(dòng) 力學(xué) 性能的影響 J 中國(guó)鐵路， 2016（9）：40-44 3 王福天車 輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) M 成都：西南交通大學(xué) 出版社， 2007 4 任尊松輪軌多點(diǎn)接觸及車輛 -道岔系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互 作用M 北京：科學(xué)出版社， 2014 5池茂儒，張衛(wèi)華， 曾京， 等輪徑差對(duì)車輛系統(tǒng)穩(wěn)定 性的影響 J 中國(guó)鐵道科學(xué)， 2008，26（6）：65-69 6 李艷高速列車動(dòng)力學(xué)參數(shù)影響度 的研究

11、與應(yīng)用 D. 成都：西南交通大學(xué)， 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