基于磨耗的高速铁路轮轨接触关系研究

刘丰收

(中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081)

随着我国高速铁路运营里程和服役时间的不断增加，高速铁路轮轨磨耗受到广泛关注，掌握服役过程中高速铁路轮轨接触关系变化规律对于保障列车运行品质至关重要。目前，我国服役动车组主要有4种车轮型面，即LMA型面(CRH2系高速动车组装配)，LMB型面(CRH3系高速动车组装配)，LMC型面(即XP55型面，CRH5系高速动车组装配)和LMD型面(CRH1系高速动车组装配)，其中LMA和LMB占多数。高速铁路钢轨型面有60D和60N两种，其中60D型面较多，高速铁路轮轨型面匹配关系极为复杂[1]。随着轮轨系统长期服役，轮轨磨耗引起的型面变化会改变轮轨接触关系，轮轨接触范围、等效锥度及轮轨动态性能等均会随之发生改变，钢轨表面光带就是这一系列变化的直观体现，高速动车组运行过程中出现的转向架横向振动加速度报警和车体晃动问题均会伴随着钢轨光带分布不良现象[2-4]，但目前尚未有研究结果对现场钢轨表面光带宽度予以限制。

本文选取了京沪高铁作为典型线路，在对服役于其上车轮、钢轨的型面开展长期跟踪测试基础上，重点分析轮轨型面变化及磨耗规律，研究钢轨磨耗范围、轮轨接触范围、钢轨光带宽度与名义等效锥度的关联性，并结合名义等效锥度限值，提出高速铁路钢轨表面光带宽度的合理范围，以便现场工作人员通过观测钢轨表面光带判断轮轨接触状态及动车组运行性能。

1 轮轨磨耗特征

1.1 车轮磨耗特征

车轮型面跟踪测试选取了京沪高铁运行的CRH380AL(LMA车轮型面)和CRH380BL(LMB车轮型面)2种车型各1列高速动车组的车轮型面进行跟踪观测，1个镟修周期内观测3次，对应的车轮运用里程分别为4万，10万和20万km。京沪高铁2种车轮型面在1个镟修周期内的变化情况如图1所示。图中：LMA-1，LMA-2和LMA-3分别对应LMA型面车轮的3次观测，LMB-1，LMB-2和LMB-3分别对应LMB型面车轮的3次观测。由图1可知，运用里程达到20万km时，LMA型面车轮磨耗均匀，其踏面磨耗为0.5 mm；LMB型面车轮则以踏面磨耗为主，为0.7 mm。

车轮最大磨耗分布情况如图2所示。由图2可知，在所有测试车轮中，62%的LMA型面车轮最大磨耗在0.2～0.4 mm范围内，73%的LMB型面车轮最大磨耗在0.5～0.7 mm范围内。

图1 不同运行里程车轮型面变化情况

图2 车轮最大磨耗分布

1.2 钢轨磨耗特征

钢轨型面跟踪测试选取了北京、济南和上海局管内共计12个钢轨测点，测试工况包括了直线、桥上直线、大曲线以及车站小半径曲线等线路，测试周期为3～5个月[5]。以第1次测试的钢轨型面为基准，分析直线区段某钢轨测点14个月内钢轨垂直磨耗量及型面变化情况如图3所示。由图3可知，当通过总重为42 Mt时(第4次测试时)，钢轨垂直磨耗量均值为0.04 mm，同时可知钢轨磨耗随着通过总重的增加而增加。

钢轨型面的变化特征如图4所示。由图4可见，钢轨磨耗引起的型面变化范围为轨头中心-20～20 mm区域，且钢轨磨耗会增大轨顶圆弧半径，京沪高铁钢轨目标廓形为60D，其轨顶圆弧半径为160 mm，第1次测试时轨顶圆弧半径为163 mm，第4次测试时钢轨型面轨顶圆弧半径为176 mm。

图3 钢轨垂直磨耗变化情况

图4 钢轨型面变化

1.3 综合分析

综合现场轮轨磨耗跟踪测试分析结果，1个镟修周期内(约3个月)，LMA型面车轮踏面最大磨耗主要在0.2～0.4 mm，LMB型面车轮踏面最大磨耗主要在0.5～0.7mm。钢轨磨耗较小，通过总重为42 Mt(14个月)时，直线区段钢轨垂磨量为0.04 mm，钢轨型面变化及磨耗范围为-20～20 mm，同时，钢轨磨耗会增大钢轨顶弧半径。高速铁路钢轨磨耗远小于车轮磨耗，1个车轮镟修周期内钢轨垂直磨耗量与车轮踏面磨耗量比值约为1∶80。

2 轮轨接触关系

2.1 轮轨接触范围与钢轨光带宽度的关系

在车轮及钢轨长期服役过程中，车轮和钢轨型面均会由于磨耗产生一定变化，相应的轮轨接触范围及轮轨匹配关系也会发生改变。LMA和LMB车轮标准型面分别与60D钢轨标准型面匹配时的接触点分布如图5所示。由图5可见，LMA车轮型面对应的轮轨接触点集中分布于轨顶中心±5 mm范围内，LMB车轮型面对应的轮轨接触点分布则相对分散，分布于轨顶中心-8～5 mm。

在分析轮轨接触点分布的基础上，进一步考虑轮轨接触斑宽度可计算得到实测京沪高铁轮轨磨耗条件下的轮轨接触范围。轮对横移量为-6～6 mm时(直线工况)LMA和LMB车轮系列型面与60D钢轨实测型面匹配时的轮轨接触范围如图6所示。由图6可见，LMA车轮系列型面对应的轮轨接触宽度均在18 mm以内，轮轨磨耗对于轮轨接触范围的影响规律并不明显；LMB车轮系列型面对应的轮轨接触范围明显大于LMA车轮系列型面，且随车轮、钢轨磨耗的增加而明显增大，第4次测试得到的钢轨型面与服役20万km车轮型面匹配时轮轨接触宽度约为33 mm。

图5 轮轨接触点分布

图6 轮轨接触范围

钢轨光带宽度是轮轨最大接触宽度在钢轨轨面的直观体现，LMA和LMB型面车轮同时服役于京沪高铁，因此，钢轨光带宽度由轮轨型面匹配时的最大轮轨接触宽度决定。京沪高铁钢轨直线区段某测点的钢轨光带宽度4次测试结果如图7所示。由图7可见，钢轨光带宽度与图6给出的轮轨最大接触宽度(即LMB型面对应的轮轨接触宽度)基本对应，因此可用LMB车轮型面对应的轮轨接触宽度近似表示现场钢轨光带宽度。

2.2 轮轨接触范围与等效锥度的关系

轮轨型面匹配分析不仅可以直观判断轮轨接触范围，还可以计算得到轮轨匹配等效锥度[6]，对于研究转向架横向振动加速度报警[7]和车体晃动[8]有重要意义。LMA和LMB车轮系列型面与钢轨实测型面匹配时的名义等效锥度如图8所示。由图8可见：LMA系列型面与实测钢轨型面匹配时的名义等效锥度在0.025～0.043范围内，且变化较小；LMB系列型面与实测钢轨型面匹配时的名义等效锥度在0.08～0.15范围内，且随着车轮和钢轨磨耗的增大而增大，变化规律与轮轨接触范围的变化规律相似。

图7 京沪高铁直线区段某测点钢轨光带宽度

图8 轮轨名义等效锥度

考虑到LMB系列型面与实测钢轨型面匹配时轮轨接触宽度和等效锥度随轮轨磨耗变化规律更明显，同时，现场出现横向加速度报警和车体晃动的动车组多为装配LMB型面车轮的动车，因此将重点分析LMB型面车轮对应的接触范围和名义等效锥度的关系。轮轨接触宽度与轮轨匹配名义等效锥度的对应关系如图9所示。由图9可见，从总体趋势来看，实测轮轨型面匹配名义等效锥度随轮轨接触范围的扩大而增大，可见名义等效锥度与轮轨接触范围存在一定正相关性。

图9 轮轨接触宽度与名义等效锥度对应关系

3 钢轨光带宽度合理范围

等效锥度是反映轮轨接触状态和列车运行性能的主要指标之一，但该指标不便于工务部门在现场直观判断轮轨接触关系状态，上文实测轮轨型面匹配分析结果表明名义等效锥度与轮轨接触范围存在正相关性。同时，可以利用LMB车轮型面对应的轮轨接触宽度近似表示现场的钢轨表面光带宽度。故可通过分析钢轨光带宽度与等效锥度的关联性，结合名义等效锥度限值，得到钢轨表面光带宽度的合理范围，以指导现场判断轮轨接触状态和列车运行性能。

从京沪高铁轮轨磨耗特征及接触范围计算可知，1个镟修周期内车轮磨耗较大，且随着运行里程的增加而增加，LMB型面车轮对应的轮轨接触范围值及其变化规律与钢轨光带宽度及其变化规律更加接近，故选取服役20万km的LMB车轮型面进行轮轨型面匹配计算。钢轨型面变化极小，不同的钢轨实测型面与车轮匹配后的轮轨接触范围和等效锥度差异较小，为了得到明确的钢轨光带宽度与等效锥度的对应关系，需拟合出不同钢轨型面用以轮轨型面匹配分析。考虑到钢轨的轮轨接触范围主要在轨顶圆弧区域，拟合钢轨型面的轨顶圆弧半径变化范围为125～500 m，如图10所示。对于现场而言，直线区段轨顶圆弧半径增大主要由于钢轨磨耗或者工作边轨距角圆弧欠打磨所致，而工作边轨距角圆弧过打磨会导致轨顶圆弧减小。

转向架横向振动加速度报警和车体晃动[3]是我国高速铁路动车组运营过程中出现的典型异常振动问题。经过长期现场试验研究，分析总结得到了动车组名义等效锥度上、下限值分别为0.08和0.35，即名义等效锥度在0.08～0.35范围内可有效避免高速列车转向架横向加速度报警和车体晃动[7-9]。

通过对不同顶弧半径的钢轨拟合型面与车轮型面匹配关系计算分析，得到了不同轮轨型面匹配组合下的轮轨接触范围和名义等效锥度值，再拟合得到钢轨光带宽度与名义等效锥度的关系曲线，如图11所示。由图11可知，名义等效锥度的限值范围内(0.08～0.35)对应的钢轨光带范围为20～45 mm，钢轨表面光带宽度小于20 mm时，由于名义等效锥度较小，易出现车体晃车；当光带宽度大于45 mm时，由于名义等效锥度过大，易出现转向架横向振动加速度报警。

图10 不同顶弧半径的钢轨拟合型面

图11 名义等效锥度与钢轨光带宽度对应关系

图12 高速铁路异常振动区段的钢轨光带宽度实测情况

高速铁路出现转向架横向振动加速度报警和车体晃动区段的钢轨光带宽度实测情况如图12所示。从图12可知，转向架横向振动加速度报警区段的钢轨光带宽度约为50 mm，车体晃动区段的钢轨光带宽度约为18 mm，均超出上文提出的钢轨光带宽度合理范围。

4 结 论

(1)相同周期内，高速铁路钢轨磨耗远小于车轮磨耗。1个镟修周期内，LMA型面车轮的踏面磨耗为0.2～0.4 mm，LMB型面车轮踏面磨耗为0.5～0.7 mm；通过总重为42 Mt(14个月)时，直线区段钢轨垂直磨耗仅为0.04 mm，型面变化及磨耗范围为-20～20 mm，钢轨磨耗会增大钢轨顶弧半径。

(2)动车组在直线运行时，LMB车轮型面对应的轮轨接触范围和名义等效锥度呈一定正相关性，且均随轮轨磨耗增大而增大。同时，轮轨接触宽度与钢轨光带宽度基本对应。

(3)结合名义等效锥度限值，需对钢轨表面宽度予以限制。钢轨表面光带宽度小于20 mm时，易出现动车组车体晃车；当光带宽度大于45 mm时，易出现转向架横向振动加速度报警。