基于实测钢轨廓形的轮轨匹配等效锥度对比研究

侯茂锐，郭涛，张志波

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京100081；2.中车唐山机车车辆有限公司 转向架技术中心，河北 唐山063500；3.中车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心，山东 青岛266000）

1 概述

轮轨系统技术是高速铁路的核心技术之一，轮轨服役行为直接关系到列车的运行安全，是保障高速铁路安全、高效运营的重要支撑。自2008年第1条高速铁路——京津城际开通以来，我国高速铁路总体保持了优良的平稳性和舒适性，极大的满足了人们出行方式的转变。但由于我国高速铁路轮轨匹配的复杂性，也出现了一些由于局部轮轨匹配不良引发的动车组构架横向加速度报警、晃车、抖车等车体低频异常振动和扣件弹条断裂、车轮多边形等高频异常振动问题［1-2］。

等效锥度是车轮踏面与钢轨轨头廓形进行匹配，经过计算得到的与轮对横移量之间相关的非线性曲线。为了使用方便，规定轮对横移量3 mm时对应的等效锥度为名义等效锥度［3］。由于名义等效锥度具有直观、简洁等特点，现场广泛用于评价轮轨型面匹配性能［4-5］。本次研究的等效锥度均指名义等效锥度。近年来，诸多研究人员对等效锥度及其对车辆异常振动的影响开展了多方面研究。文献[6]研究了武广高速铁路CRH3型动车组构架横向失稳问题，车轮凹磨、钢轨双光带使得局部等效锥度达到0.5～0.7，由此引发构架横向失稳。文献[7-8]分别研究了衡柳线、海南环岛高速铁路由于轮轨匹配等效锥度过小（约0.07）引发的车体1～2 Hz低频晃动问题。文献[9]研究了哈齐客专运行的CRH5型动车组，由于钢轨廓形打磨不到位使得等效锥度增大，引发车体出现6～8 Hz的高频异常振动。文献[10-11]根据现场服役动车组横向稳定性情况，基于TB60钢轨提出了4种车轮踏面不同速度级的服役等效锥度限值，为实现车轮状态镟修提供指导。

为了系统对比不同高速铁路动车组轮轨型面匹配特性，在京沪、武广、哈大、兰新、贵广、丹大等6条高速铁路选择典型地面测点和16列动车组车轮进行为期近2年的现场测试［12］。对现场试验数据进行综合比较，分析不同线路实测钢轨廓形对不同车轮踏面等效锥度的影响，对比分析了3种主型平台动车组车轮踏面与不同线路钢轨廓形匹配的等效锥度差异，描绘出动车组镟轮初期和镟轮末期的等效锥度变化范围，为不同线路控制合理的轮轨匹配状态提供支撑。

2 地面钢轨测点与跟踪试验动车组

在6条高速铁路共选择42个钢轨断面进行长期跟踪测试，在每条线路选择1个典型断面的钢轨廓形数据进行轮轨匹配等效锥度计算分析［12］。跟踪测试动车组包括3种平台的不同速度等级动车组16列，包含了LMA、S1002CN、LMB-10、XP55四种车轮踏面类型。CRH2平台动车组应用LMA车轮踏面，CRH3平台动车组主要应用S1002CN车轮踏面，部分动车组优化为LMB-10车轮踏面，CRH5平台动车组主要应用XP55车轮踏面。选择1个镟轮周期的车轮踏面数据进行等效锥度计算分析，具体地面钢轨测点及跟踪测试动车组信息见表1。

表1 地面钢轨测点及跟踪测试动车组信息

3 实测钢轨廓形与设计车轮踏面匹配

6条线路钢轨设计廓形不同，主要有TB60和60N，钢轨打磨指导廓形为60D。由于钢轨打磨一般应用多头打磨车，主要依靠砂轮对钢轨轨头廓形进行磨削，加工精度达不到机加工的表面精度；此外，不同铁路局集团公司不同工务段的打磨方式、策略也不尽相同，开通运营时间和线路通过总重也不完全相同，因此，影响钢轨轨头廓形变化的因素较多。

不同线路测点钢轨轨头廓形比较见图1，3种标准车轮踏面廓形比较见图2。由图1可知，哈大高铁和武广高铁的钢轨轨头廓形比较接近，工作边轨距角与其他4条线轨头廓形相差较大，轨距角处打磨去除材料较多。由图2可知，S1002CN车轮踏面厚度最大，XP55车轮踏面的轮缘较高，且踏面外侧斜率较大。

为对比分析不同钢轨轨头廓形变化对轮轨接触几何关系的影响，特分析LMA、S1002CN、XP55标准车轮踏面与线路实测钢轨匹配的等效锥度变化规律。

LMA车轮踏面与TB60钢轨、60N钢轨以及6条线路实测钢轨廓形匹配的等效锥度比较见图3。由图3可知，LMA踏面与不同钢轨廓形匹配的等效锥度差异较小，基本在0.03附近波动。

图1 不同线路测点钢轨轨头廓形比较

图2 3种标准车轮踏面廓形比较

图3 LMA车轮踏面与不同钢轨廓形匹配的等效锥度比较

S1002CN车轮踏面与TB60钢轨、60N钢轨以及6条线路实测钢轨廓形匹配的等效锥度比较见图4。由图4可知，S1002CN车轮踏面与不同钢轨廓形匹配的等效锥度差异较大，武广高铁钢轨廓形匹配的等效锥度最小，约为0.09；哈大、兰新高铁钢轨廓形匹配的等效锥度比武广高铁稍大，等于0.10；其他3条线的等效锥度在0.13左右，分布在TB60钢轨的0.17与60N钢轨的0.12之间。可见，S1002CN车轮踏面对钢轨廓形的变化较为敏感，钢轨廓形的微小差异均会引起S1002CN车轮踏面等效锥度较大的波动。

图4 S1002CN车轮踏面与不同钢轨廓形匹配的等效锥度比较

XP55车轮踏面分别与TB60钢轨、60N钢轨及6条线路实测钢轨廓形匹配的等效锥度比较见图5。由图5可知，XP55车轮踏面与实测钢轨廓形匹配的等效锥度差异非常小，主要分布在0.05～0.06。

图5 XP55车轮踏面与不同钢轨廓形匹配的等效锥度比较

4 实测钢轨廓形与实测车轮踏面匹配

在1个镟轮周期内，不同线路、不同动车组分别采用实测车轮与相对应的线路典型实测钢轨廓形进行匹配，计算等效锥度。由于各条线路的镟轮周期不尽相同，部分动车组镟轮周期甚至超过25万km，大多镟轮周期为20万～25万km，部分特殊情况可能为15万km。为便于分析，将镟轮后首次测试（约5万km以内）称为“镟轮初期”，将镟轮周期内最后一次的测试称为“镟轮末期”。平均等效锥度指全列车64个车轮等效锥度的平均值，重点关注镟轮初期和镟轮末期的等效锥度对比，镟轮周期内等效锥度随服役里程的变化规律参见文献[13]。

16列动车组镟轮初期和镟轮末期的平均等效锥度变化见图6。由图6可知，不同线路不同型号动车组的等效锥度差异较大，镟轮初期平均等效锥度值分布在0.03～0.20，镟轮末期平均等效锥度值分布在0.03～0.40。等效锥度分布范围较大与动车组类型、踏面类型和钢轨型面均有一定关系。

图6 不同动车组镟轮初期和镟轮末期的平均等效锥度变化

为了清晰对比不同型号动车组在不同线路运行时的等效锥度变化特性，分别按照CRH2平台、CRH3平台和CRH5平台动车组分别进行对比分析，找出动车组在运行线路上的等效锥度分布范围。

4.1 CRH2平台动车组

CRH2平台动车组镟轮初期、镟轮末期实测车轮踏面分别与实测钢轨廓形匹配的平均等效锥度比较见图7。由图7可知，京沪高铁编号为1的CRH380AL动车组、武广高铁编号为5的CRH380AL动车组以及贵广客专编号分别为12、13的CRH2A动车组等效锥度分布基本一致，镟轮初期和镟轮末期等效锥度相差较小，镟轮初期平均等效锥度约等于0.03，镟轮末期平均等效锥度约等于0.06，分布范围为0.03～0.06。兰新客专编号为10的CRH2G动车组等效锥度变化范围与京沪、武广、贵广高铁的CRH2平台动车组等效锥度变化范围相差较大，镟轮初期平均等效锥度约为0.07，镟轮末期平均等效锥度约为0.19，分布范围为0.04～0.19。

图7 CRH2平台动车组等效锥度平均值变化

4.2 CRH3平台动车组

CRH3平台动车组镟轮初期、镟轮末期实测车轮踏面分别与实测钢轨廓形匹配的平均等效锥度比较见图8。京沪高铁编号为2的CRH380BL动车组应用LMB-10车轮踏面，编号3和4的CRH380BL动车组均应用S1002CN车轮踏面。由图4可知，LMB-10车轮踏面镟轮初期平均等效锥度约等于0.13，镟轮末期平均等效锥度约等于0.25，分布范围为0.13～0.25。S1002CN车轮踏面镟轮初期平均等效锥度约等于0.16，镟轮末期平均等效锥度约等于0.39，分布范围为0.16～0.39。可见，1个镟轮周期内LMB-10车轮踏面的等效锥度低于S1002CN踏面，对于缓解转向架构架横向振动加速度超限报警具有一定作用。

图8 CRH3平台动车组等效锥度平均值变化

武广高铁编号为6的CRH3C动车组和编号为7的CRH380B动车组均应用S1002CN车轮踏面。由图8可知，武广高铁的CRH3型动车组等效锥度明显低于京沪、哈大高铁。镟轮初期平均等效锥度约为0.08，镟轮末期平均等效锥度约为0.22，分布范围为0.08～0.22。武广高铁由于钢轨轨距角打磨量较大，使得S1002CN车轮踏面的等效锥度明显降低，镟轮初期（5万km以内）的平均等效锥度小于0.10。

哈大高铁编号为8的CRH380BG动车组应用S1002CN车轮踏面，编号为9的CRH380B动车组应用LMB-10车轮踏面。由图8可知，LMB-10车轮踏面镟轮初期平均等效锥度约为0.14，镟轮末期平均等效锥度约为0.28，分布范围为0.14～0.28。S1002CN车轮踏面镟轮初期平均等效锥度约为0.20，镟轮末期平均等效锥度约为0.37，分布范围为0.20～0.37。LMB-10车轮踏面在镟轮初期和镟轮末期的等效锥度均小于S1002CN车轮踏面。

4.3 CRH5平台动车组

CRH5平台动车组镟轮初期、镟轮末期实测车轮踏面分别与实测钢轨廓形匹配的平均等效锥度比较见图9。由图9可知，兰新客专与丹大铁路的CRH5型动车组等效锥度基本一致，兰新客专编号为11的CRH5G动车组镟轮初期平均等效锥度约为0.14，镟轮末期平均等效锥度约为0.28，分布范围为0.14～0.28；丹大铁路CRH5型动车组镟轮初期平均等效锥度约为0.09，镟轮末期平均等效锥度约为0.28，分布范围为0.09～0.28。

图9 CRH5平台动车组等效锥度平均值变化

综上所述，与实测钢轨廓形匹配，应用LMA车轮踏面的CRH2平台动车组服役运用中的等效锥度变化范围为0.03～0.19；应用S1002CN车轮踏面的CRH3平台动车组服役运用中的等效锥度变化范围为0.08～0.37；应用XP55车轮踏面的CRH5平台动车组服役运用中的等效锥度变化范围为0.09～0.28。课题组根据大量轮轨匹配等效锥度计算结果，结合车辆动力学性能试验数据，制定了匹配TB60钢轨廓形的等效锥度限值［11］。与实测钢轨廓形匹配的等效锥度一般小于TB60钢轨，下一步需要在前期等效锥度限值的基础上，综合考虑车辆动力学性能，提出匹配60D和60N廓形的等效锥度限值，为轮轨廓形养护维修提供指导。

5 结论

（1）通过不同钢轨廓形与标准车轮踏面匹配的等效锥度分析，发现钢轨廓形对S1002CN车轮踏面的等效锥度影响较大，其次是LMA车轮踏面，XP55车轮踏面受钢轨廓形影响最小。相对于TB60钢轨廓形，S1002CN车轮踏面等效锥度最大减小约50%，LMA车轮踏面最大减小约25%。

（2）应用LMA车轮踏面的CRH2平台动车组，京沪高铁和贵广客专镟轮末期和镟轮初期的等效锥度基本一致，均小于TB60钢轨廓形，存在由于等效锥度过小引起晃车的风险，并且随着运行里程的增加得不到缓解。应用S1002CN车轮踏面的CRH3平台动车组，在武广高铁1个镟轮周期内的等效锥度变化区间均明显小于其他线路，LMB-10车轮踏面的等效锥度较S1002CN有一定程度的减小；CRH3平台动车组对轮轨廓形变化敏感，局部的轮轨型面匹配不良容易引发低锥度晃车或高锥度构架报警等异常振动问题。对于CRH5平台动车组，受不同线路钢轨廓形影响较小，不同线路镟轮周期内等效锥度变化区间基本一致。

（3）与实测钢轨廓形匹配，LMA、S1002CN和XP55车轮踏面服役运用等效锥度变化范围分别为0.03～0.19，0.08～0.37和0.09～0.28，下一步需在前期等效锥度限值的基础上，综合考虑等效锥度对车辆动力学性能的影响，进一步修正提出匹配60D和60N廓形的等效锥度限值，为轮轨廓形的养护维修提供指导。

（4）轮轨匹配由车轮和钢轨组成的轮轨系统空间共同决定，单一的改变其中某1个因素均不能实现轮轨匹配的最优化。建议下一步研究钢轨打磨廓形的正负公差范围，确定钢轨廓形的包络空间，并以此为基础，进一步优化车轮踏面和部分悬挂参数性能，减小车轮踏面受钢轨廓形影响的敏感性，不断改善轮轨系统匹配性能，提升动车组运行平稳性和舒适性。