铁路货车车轮经济性旋修策略研究*

江亚男，陈俊栋，何 平，宋冬利，熊模友，吴华丽

(1 中铁科学研究院有限公司，成都 610032；2 西南交通大学，成都 610031)

铁道车辆运行过程中车轮与钢轨的长期滚动摩擦导致车轮型面磨损，影响轮轨接触几何特性，造成列车运行安全性、平稳性、舒适性等服役性能降低，严重时甚至引发安全事故，合理有效的车轮型面修复策略是保障列车安全平稳运行的关键。传统车轮检修工艺为保障车辆的服役性能，多采用保守的维修方案，过度旋修现象普遍，车轮使用寿命难以达到设计寿命。车轮踏面的经济性旋修策略研究，对大幅减少车轮旋修时的金属切削量、延长车轮使用寿命、显著提高轮对检修经济效益具有重要意义。

车轮的经济旋研究始于20世纪末，研究内容包括薄轮缘旋修模版设计和旋修方案决策算法两方面。早在1995年，日本研究者奥山雅贵[1]基于大量现场数据，制定了日本高铁车辆车轮旋修量判定基准及车轮踏面均匀、正确旋修的具体方法；同年，俄罗斯西伯利亚路局为了验证轮轨间隙对轮缘磨耗的影响，在轮缘厚度为33 mm的基础上设计了轮缘厚度为30 mm、27 mm的薄轮缘旋修车轮外形，车轮旋修量减少了50%，同时增加了车轮的使用寿命[2]；为了达到经济旋的目的，欧标EN 13745[3]给出了S1002、EPS和1/40th等3种踏面的薄轮缘模版制定方法。我国的车轮经济旋研究工作至2010年以后掀起了一股研究热潮，2016年新修订的TB/T 449标准[4]给出了LM型踏面的10种轮缘厚度模板；董孝卿团队[5-9]分别开展了CRH3C型动车组采用的S1002CN型踏面、CRH5 型动车组采用的XP55型踏面和CRH1型车采用的LMD型踏面的薄轮缘模板设计研究，并通过动力学仿真分析、线路跟踪试验等手段验证了模板的有效性和采用新模版带来的车轮旋修的经济性，基于车轮磨耗特性开展旋修周期设计；李秋泽等[10]通过分析CRH5型车大量的120万km后的车轮参数情况设计了XP55-28经济型旋修踏面，并通过仿真分析对该形面进行验证；庞松林[11]根据CRH1、CRH2型车LMA型踏面经济旋需求，设计了LMA-28型薄轮缘踏面外形，进行了设计型面的动力学性能验证和磨耗动力学性能验证，并对CRH2型车旋修周期和车轮检测限值进行了优化。王珍[12]研究了考虑动车组整车轮径差与轮缘厚度的预防性维修策略，给出了与整车轮径差相关的轮缘磨耗预防性旋修策略并对其进行了分析验证；黄增俊[13]根据地铁车辆车轮的磨耗特性，探讨了基于轮径差和轮缘厚度的地铁车辆轮对旋修策略；许宏等[14]利用蒙特卡罗仿真方法，以轮对期望使用寿命和期望旋修次数为指标，对不同的轮对旋修策略进行分析，从而实现轮对旋修策略的优化。

当前，铁路货车车轮的型面维修仍为作业人员根据检尺的特征参数检测结果进行旋修进刀量和旋修模板的经验性决策。由于缺乏对车轮磨耗后全廓形状态的检测，且受限于作业工人的经验丰富程度，铁路货车车轮维修普遍存在过度旋和多次旋修的问题，影响轮对维修效率和经济性。针对这一现状，深入开展了基于车轮全廓形曲线的经济性旋修决策算法研究，通过对某铁路货车维修公司的长期现场跟踪试验，验证了算法的有效性。

1 铁路货车车轮型面经济旋修策略算法

1.1 LM型踏面连续轮缘厚度旋修模板生成算法

当前，铁路货车车轮型面均采用LM型磨耗踏面，尺寸如图 1所示。该型踏面由AB、BC、CD、EFG、GH、HOI、IJ等7段圆弧和DE、JM、MN等3段直线段拼接而成，各曲/直线段光滑过度。 我国行业标准TB 449-2016中给出了LM型踏面的10种不同轮缘厚度等级的旋修模板，其中，参数L1、L2、B、R为薄轮缘模板控制变量。

踏面7段圆弧的圆心和半径分别从左到右依次编号为(O1,R1)～(O7,R7)，点F和O分别为轮缘厚度和名义滚动圆的位置控制点。图1 LM型踏面轮廓示意图

等级模板是导致车轮直径旋修量增加的主要原因之一，由于缺乏与磨耗后轮缘厚度值对应的模板，为了恢复至等级模板，需要增加轮径旋修量。因此有必要开展连续轮缘厚度模板算法研究，支撑更经济的车轮旋修策略。

LM型踏面的D-E段外形决定了轮轨接触时的脱轨安全性能，H-N段外形决定了列车通过直线或大半径曲线的运行稳定性[5]，是踏面的关键区段，进行连续轮缘厚度模板设计时应保证关键区段外形基本不变。参考EN 13745和TB/T 449-2016中关于薄轮缘踏面的生成原则，采用平移法设计任意轮缘厚度的LM型踏面模板，薄轮缘模版生成原则如图2所示。对任意的轮缘厚度变化量de1，通过踏面各段曲线的几何约束条件，合理确定匹配的de2、de3的值和C点的小半径过度圆弧，从而得到完整的踏面曲线。具体过程为：

(1)将轮缘厚度控制点F向轮缘内测平移de1，轮缘厚度值为B1=B-de1；

(2)将GH段圆弧圆心横坐标向轮缘内测平移de2，到O6’，通过G’H’段与H’I段圆弧相切的几何关系确定新的切点H’；

(3)根据G’H’段与E’G’段相切、E’G’段过点F’、E’G’段与D’E’段相切等几何条件，确定圆心位置O5’，和切点G’、E’；

(4)D’E’为与x轴70°夹角的斜直线；

(5)将BC段圆弧圆心向轮缘内测平移de3，到O2’，作半径为R2的圆O2’；

(6)以R1为半径作圆O1’，与x=-70相切于点A’，与圆O2’相切于点B’；

(7)以R3为半径作圆O3’，与斜直线D’E’相切于点D’，与圆O2’相切于点C’。当轮缘厚度值小到一定程度，为防止轮缘顶部过尖，通过高次曲线或R=1的圆弧连接O2’与O3’圆心对应的两段圆弧。

根据几何约束条件建立数学方程，通过C++编程实现任意轮缘厚度LM型踏面曲线数据的生成，图3为基于本文方法生成的LM型薄轮缘模板。

图2 LM型踏面薄轮缘模板生成原则

为验证薄轮缘模板的性能，文中对比了轮缘厚度最小模板LM26.2与标准模板LM32的性能参数，结果如表1所示。由于轮缘厚度主要影响列车的曲线通过性能，因此，文中所对比的动力学性能指标计算工况为重车曲线运行，曲线的构成为120 m驶入缓和曲线、200 m圆周曲线、120 m驶出缓和曲线，外轨超高75 mm。

图3 LM型踏面薄轮缘模板

由计算结果可见，薄轮缘模板的服役性能略有降低，但均符合GB5599和TB/T2360标准中规定的指标限值的要求，系列薄轮缘模板能满足列车安全运行的指标要求。

1.2 经济性旋修方案决策

以连续轮缘厚度模板库为基础，以“最小的轮径旋修量和合理的轮缘厚度”为优化目标，提出基于踏面全廓形的铁路货车车轮经济性旋修优化算法，实现车轮直径与轮缘厚度的旋修方案决策。其算法流程如图 4所示。具体过程为：

表1 轮缘模板性能参数对比

①基于设备测量的廓形数据和轮径值，判断车轮特征参数、轮轨接触状态与等效锥度是否超限，对健康状态失效轮对，启动旋修方案决策功能；

②确定旋修决策控制轮，以小半径车轮为轮对旋修决策控制轮；

③以小半径轮1的廓形线为基础，以旋修量尽量小的情况下轮缘厚度合规且尽量大为优化目标进行旋修模板比选，筛选出最优方案(C1,Sd1)；

④根据旋后同轴轮径差为0原则，计算大轮径车轮的旋修量C2；

⑤以大半径车轮旋修量要求，从模板库中筛选出相应的轮缘厚度模板Sd2；

⑥检验轮对旋修方案给出的各参数是否满足检修作业指标要求，若不满足，返回第③步，叠加偏差量，重新计算；

⑦给出轮对旋修的最优旋修方案(Sd1,C1)和(Sd2,C2)。

图4 经济性旋修决策算法流程图

2 WDES便携式车轮型面检测系统

为了满足铁路货车轮对基于车轮全廓形的精细化旋修，选用中铁科学研究院有限公司研制的WDES便携式机车车辆轮对尺寸检测系统(以下简称WDES系统)进行货车车轮型面的测量。WDES系统结构如图 5所示，精度指标为，踏面测量精度±0.1 mm，轮径测量精度±0.5 mm，图 6为该设备对标准试样的测试效果与误差对比曲线。WDES系统的精度指标满足支撑货车车轮经济性旋修决策功能需求，且结构小巧便携，测量过程准确快速。

WDES系统数据处理后台配备了文中提出的薄轮缘模版生成算法和基于磨耗廓形的车轮经济性旋修决策算法，可实现维修方案的自动生成。

图5 WDES系统

图6 WDES系统对标准试样试验测量效果

3 旋修效果经济性验证

为了验证旋修算法的经济性，对某铁路货车车辆维修单位进行了长期的现场应用跟踪试验。该单位旋修车间有4台机床，其中2号机床配备一套WDES系统，执行经济性旋修方案，其余3台仍采用传统作业模式。

(1) 单条轮对旋修方案经济性分析

表1为某条轮径差超限待旋修货车轮对，分别由机床作业人员和WDES系统对该轮对制定旋修方案，WDES系统的直径旋修节约量为1.1 mm。图7为旋修方案对比曲线，图8为执行WDES系统决策方案后车轮型面校验。

表2 单条轮对旋修方案对比 mm

图7 单轮对旋修方案对比

图8 旋后型面校验(右轮)

由单条轮对旋修方案对比可见，WDES系统因考虑车轮磨耗的全廓形，可给出恰好保障车轮表面完全切削的经济性维修方案；人工决策时仅基于特征参数，为尽量实现一刀成型，维修方案偏于保守，造成过度旋修；执行WDES系统维修方案的旋后车轮型面通过型面校验，文中提出的薄轮缘模板生成算法满足技规要求。

(2) 旋修算法经济性统计分析

图9为跟踪试验期间，第2台机床执行WDES系统旋修方案的所有轮对，与人工决策方案的直径旋修量和轮缘厚度值对比曲线，其中，人工决策值的来源为3名旋修工人根据参数测量值给出的经验方案的平均值。

图9 人工与WDES系统旋修方案对比分析

所统计的236条轮对、472个车轮，WDES系统轮径旋修总量为1 052.9 mm、轮缘厚均值约为30.3 mm，人工轮径旋修总量为1 464.3 mm、轮缘厚均值约为29.5 mm；WDES系统方案的轮径节约量约为28%，轮缘厚度增量约为0.8 mm。

表2为跟踪试样期间，4台机床同一时间段内作业轮对的旋修量对比，采用WDES系统的2号机床相比传统模式的1、3和4号机床，轮径节约量约为31.2%，轮缘厚度增量约为1.2 mm。

由跟踪试验数据统计分析可见，对铁路货车轮对，文中提出的经济性旋修算法相比传统人工决策的模式有不低于25%的轮径旋修节约量。

表3 不同车床旋修效果对比结果*

*轮径节约量约为31.2%，轮缘厚度增量约为1.2 mm。

4 结束语

围绕经济性理念，开展铁路货车轮对车轮的经济性旋修决策算法研究：提出了货车车轮用LM型踏面连续轮缘厚度模版生成算法，构建了丰富的旋修模板库；以最小直径旋修量为优化目标，提出了基于车轮全廓形磨耗曲线的经济性旋修决策算法；现场应用试验表明，对铁路货车车轮，提出的经济性旋修决策算法相比传统的人工决策有不低于25%的轮径旋修节约量，经济效益明显。