车轮磨耗对轮轨匹配的影响规律

刘闯，李国栋，宋春元，李晓峰

（中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心转向架研发部，吉林 长春 130000）

车轮磨耗对轮轨匹配的影响规律

刘闯，李国栋，宋春元，李晓峰

（中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心转向架研发部，吉林 长春 130000）

轮轨匹配是影响高速动车组动力学性能的重要因素，合理的车轮型面可以提高轮轨匹配特性，从而减小轮轨间作用力。选取一列状态良好、运行固定交路的高速动车组进行长期跟踪测试，对比分析不同里程下的车轮踏面状态，对照相应里程时的车辆动力学性能，分析研究各磨耗阶段轮轨匹配对车辆性能的影响。

动车组；车轮；轮轨匹配；等效锥度；磨耗；动力学

随着我国高速铁路的发展，车辆、线路与配套设备的长期运用产生了多种问题，车轮与钢轨的磨耗问题尤为突出。轮轨间磨耗损伤主要是由于滚动接触疲劳产生的。钢轨波磨和轨头斜裂纹等问题可通过定期钢轨打磨修型消除。车轮异常磨耗等问题可通过定期镟修进行控制。但钢轨打磨与车轮镟修都加大了车辆运营成本。为了解决轮轨间磨耗问题，改善车辆运行品质，国内外学者开展了大量研究，包括轨道振动特性、车辆悬挂参数、车轮与钢轨廓形、车轮与钢轨材质及热处理工艺等方面[1-2]。

影响车辆运行品质的因素多种多样，为了专项研究车轮磨耗状态对车辆运行状态的影响，选取一列状态良好、运行固定交路的CRH3型动车组进行长期跟踪测试，车轮初始踏面廓形为S1002CN踏面。对比分析不同里程下的车轮踏面状态，对照相应里程时的车辆动力学性能，分析研究各磨耗阶段轮轨匹配对车辆性能的影响。

1 不同磨耗里程下车轮踏面变化规律

1.1 等效锥度

等效锥度是轮轨关系中影响高速动车组车辆动力学性能的重要参数，等效锥度过大，高速动车组的蛇行运动稳定性很难得到保证；等效锥度过小，则会降低车辆对中性[3]。

以实测踏面与60D钢轨匹配，依据UIC 519标准，计算不同磨耗里程下车轮踏面的等效锥度（见图1）。在一个镟轮周期内，等效锥度随着运营里程逐渐增长，增长速率约为0.01/万km。

图1 踏面等效锥度随运营里程的变化规律

1.2 接触带宽

车轮接触带宽在镟轮初期约为17.5 mm，镟修周期末达到33.0 mm，运行过程中随运营里程逐渐增长，平均增长速率约为1 mm/万km。一般接触带宽越宽，车轮磨耗面积越大，径向磨耗量就会相应越小。接触带宽随运营里程的变化规律见图2。

图2 接触带宽随运营里程的变化规律

1.3 踏面磨耗量

随着运营里程增加、等效锥度增大，踏面磨耗速率逐渐增快。踏面平均磨耗速率约为0.2 mm/10万km。不同车型、轮径及橡胶元件的老化，甚至包括气候环境，都会对车轮磨耗量造成影响[4]。大量实测表明，在一个镟修周期内，车轮磨耗量几乎不超过1 mm。踏面磨耗量随运营里程的变化规律见图3。

图3 踏面磨耗量随运营里程的变化规律

2 车辆动力学性能变化规律

高速动车组的运行状态受到众多因素影响，包括轮轨相互作用、空气动力作用、车辆自身结构与悬挂参数等[5]。为了验证不同里程磨耗后的车轮踏面对车辆动力学性能的影响，对车辆动态响应进行一个镟修周期的持续跟踪。

2.1 运营里程与稳定性的关系

车辆非线性临界速度的大小受等效锥度的影响，随着等效锥度的增大，非线性临界速度会呈现先增大后减小的趋势，不同车辆状态情况下，临界速度变化的拐点不同。这与Polach提出的非线性临界速度分布特点类似，车辆存在2个低临界速度区域[6]。

以5次车轮踏面测量得到的实际踏面形状为基础，选取每次测量中接近平均等效锥度的踏面作为典型踏面，通过多体动力学软件进行仿真分析，得出车辆非线性临界速度变化趋势（见图4）。

图4 车辆非线性临界速度变化趋势

2.2 运营里程与平稳性的关系

针对高速动车组一个完整周期内的平稳性变化规律，在全列镟修后，定期测试分析其平稳性。以全程时域平稳性信号进行计算，考虑99.85%置信度统计最大值。动车组均以300 km/h速度运用于京沪高铁，执行交路为北京南—上海虹桥往返。完整镟修周期内，平稳性变化规律具有以下特点：在整个镟修周期内，横向平稳性普遍为1.6～2.2，垂向平稳性普遍为1.6～2.0，在整个周期内平稳性没有显著变化。镟后0.2万km时，其横向和垂向平稳性指标处于整个周期内的最大值，之后逐渐减小，镟后5.0万km后平稳性指标保持稳定。全镟修周期内，垂向平稳性指标变化幅度小于横向平稳性指标。头车完整镟修周期内平稳性指标变化规律见图5。

图5 头车完整镟修周期内平稳性指标变化规律

对比分析1车（动车）与2车（拖车）在测试踏面廓形相近时间点的平稳性指标变化规律（见图6—图9）。可以看出，2车（拖车）横向平稳性指标小于1车（动车），在整个镟修周期内，其平稳性指标保持稳定，且均为优秀；2车（拖车）垂向平稳性指标在整个镟修周期内保持稳定，略小于1车（动车）同期垂向平稳性指标。

2.3 运营里程与构架加速度的关系

构架横向加速度采用10 Hz滤波，以连续6次峰值达到某一值作为判定依据统计构架横向加速度（见图10）。统计结果显示，构架横向加速度在完整镟修周期内随里程增加而有增大趋势。在镟修周期末，车轮等效锥度较大时，构架横向加速度达到最大。

3 结束语

根据实测的完整镟修周期内车辆各阶段踏面磨耗情况与车辆动力学性能，研究车辆踏面磨耗对车辆动力学性能的影响规律。研究表明，随着车辆运行里程的增加，车轮踏面磨耗增大，轮轨匹配等效锥度与轮轨接触带宽逐渐增大；车辆非线性临界速度呈现先增大后减小的趋势；车体横向与垂向平稳性指标在全频段范围内与在车轮踏面磨耗各阶段比较变化不明显；构架横向加速度随着车轮磨耗的增加逐渐增大。

本次跟踪测试以采用S1002CN踏面的CRH3型动车组为参考对象，跟踪其在一个镟修周期内的特征。研究过程中车辆受外界影响因素较复杂，一个镟修周期内的数据不足以充分确定车轮踏面磨耗对轮轨匹配的影响规律，希望在以后工作中能大量积累试验数据，详细统计分析踏面各磨耗位置磨耗量对轮轨匹配的影响，从而对踏面轮廓的改进提供借鉴。

图6 1车（动车）完整镟修周期内横向平稳性指标变化规律

图7 1车（动车）完整镟修周期内垂向平稳性指标变化规律

图8 2车（拖车）完整镟修周期内横向平稳性指标变化规律

图9 2车（拖车）完整镟修周期内垂向平稳性指标变化规律

图10 构架横向加速度随运行里程变化规律

[1]王一平，罗仁，胡俊波．不同配准策略下的轮轨磨 耗量研究[J]．中国铁路，2017(9)：83-90．

[2]徐凯，李芾，李东宇，等．动车组车轮踏面磨耗对动 力学性能的影响[J]．中国铁路，2016(9)：40-44．

[3]王福天．车辆系统动力学[M]．成都：西南交通大学 出版社，2007．

[4]任尊松．轮轨多点接触及车辆-道岔系统动态相互 作用[M]．北京：科学出版社，2014．

[5]池茂儒，张卫华，曾京，等．轮径差对车辆系统稳定 性的影响[J]．中国铁道科学，2008，26(6)：65-69．

[6]李艳．高速列车动力学参数影响度的研究与应用[D]. 成都：西南交通大学，2008．

Impact of Wheel Wear on Wheel/rail Relationship

LIU Chuang，LI Guodong，SONG Chunyuan，LI Xiaofeng
（Bogie R&D Department of National Passenger Vehicle Research Center，CRRC Changchun Railway Vehicles Co Ltd，Changchun Jilin 130000，China）

Wheel/rail interaction is 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 wheel 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.

EMU；wheel；wheel/rail interaction；equivalent taper；wear；dynamics

U270.1

A

1001-683X（2017）12-0023-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.023

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（Z2015J-006）

刘闯（1990—），男，工程师。 E-mail：lch20121007@163.com

责任编辑 高红义

2017-08-15