刁曉明，朱韶光，董孝卿

（1 北京交通大學(xué) 機電學(xué)院，北京100044；2 北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，北京100081；3 中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081）

列車在使用過程中，輪軌接觸幾何關(guān)系直接決定著列車運行安全性、乘坐舒適度，并對車輛軌道系統(tǒng)各個部件使用壽命都有很大影響。隨運行里程增加，車輪踏面不斷磨損，車輪踏面外形不斷變化，導(dǎo)致輪軌接觸幾何關(guān)系發(fā)生變化，從而影響列車的振動性能，嚴(yán)重時，可能會引起安全事故。通過制定合理的旋修方案，優(yōu)化輪軌踏面形狀，降低輪軌磨耗等方法可以優(yōu)化軌軌匹配關(guān)系，達(dá)到降低磨耗，提高振動性能的目的。這些工作的前提是要得到列車運行過程的輪軌磨耗規(guī)律及相應(yīng)的振動變化規(guī)律。

武廣客運專線（簡稱：武廣客專）于2009年開通，為掌握武廣客專動車組振動性能和車輪磨耗演變規(guī)律，選擇了不同車輪踏面的兩列動車組作為試驗列車，對其車輪磨耗和車輛振動性能進(jìn)行了長期跟蹤測試研究，研究內(nèi)容見表1。采用丹麥GREENWOOD公司生產(chǎn)的MiniProf測量車輪踏面外形，列車每運行5萬km左右進(jìn)行一次測量（見圖1）。制作了便攜式的跟蹤測試硬件（見圖2）測試動車組的車體、構(gòu)架、軸箱橫向和垂向加速度，并采用中國鐵道科學(xué)研究院DASO測試軟件進(jìn)行振動數(shù)據(jù)處理和分析。

表1 測試內(nèi)容

圖1 車輪踏面測量方式

1 動車組車輪磨耗規(guī)律

1.1 磨耗量和磨耗率變化規(guī)律

采用磨耗量和10萬km平均磨耗量來評估車輪踏面磨耗。

圖2 車輛振動測試系統(tǒng)

磨耗量用于評價車輪踏面在1個測量周期內(nèi)車輪踏面磨耗程度，10萬km平均磨耗量用于評價車輪在一個旋修周期內(nèi)不同時期的磨耗速度。

2011－07武廣客專動車組主要運營速度由330～340km／h調(diào)整到290～310km／h。對調(diào)速前后的動車組1LMA車輪踏面外形均進(jìn)行了測量，僅對調(diào)速前的動車組2的S1002G（CN）車輪踏面外形進(jìn)行了測量。圖3給出調(diào)速前后的LMA車輪踏面測量結(jié)果和S1002G（CN）車輪踏面外形的測試結(jié)果。結(jié)果顯示，兩種車輪踏面外形的磨耗量均隨運行里程的增加而增大；LMA踏面外形磨耗量在調(diào)速前（主要速度330～340 km／h）隨運行里程的增加而增大，且呈逐漸增大趨勢，調(diào)速后（主要速度290～310km／h）磨耗量隨運行里程的增加而增大的趨勢出現(xiàn)放緩跡象。S1002G（CN）車輪踏面外形磨耗量變化規(guī)律與調(diào)速前LMA車輪踏面外形相似。圖4為兩種車輪踏面外形10萬km平均磨耗量對比，結(jié)果顯示，調(diào)速后的S1002CN和調(diào)速前的LMA車輪踏面外形的10萬km平均磨耗量隨運行里程均呈現(xiàn)高、低、高的磨耗規(guī)律，而調(diào)速后的LMA踏面外形10萬km平均磨耗量呈現(xiàn)逐漸下降的跡象。

圖3 車輪踏面磨耗量變化規(guī)律

圖4 10萬公里平均磨耗量變化規(guī)律

1.2 車輪磨耗區(qū)域

車輪磨耗區(qū)域即輪軌相互接觸的區(qū)域，對車輛動力學(xué)性能有較大影響。列車在運行過程中，車輪磨耗的區(qū)域取決于輪軌真實的接觸點位置，與具體線路、車輛參數(shù)和輪軌接觸外形等直接相關(guān)。圖5和圖6顯示，輪軌接觸過程中，在車輪滾動圓附近踏面出現(xiàn)下凹形磨耗，LMA車輪踏面外形的主要磨耗區(qū)域處于距輪緣內(nèi)側(cè)60～90mm范圍內(nèi)，最大磨耗位置基本穩(wěn)定在75mm附近，S1002G車輪踏面外形的主要磨耗區(qū)域處于距輪緣內(nèi)側(cè)60～90mm范圍內(nèi)，最大磨耗位置變化較大：剛開始運行時，最大磨耗位置位于70mm附近，隨運行里程增加逐漸過渡到75mm附近。

圖5 LMA踏面主要磨耗位置

圖6 S1002G踏面主要磨耗位置

2 車輪踏面磨耗對振動性能的影響

2.1 振動性能隨車輪踏面磨耗的變化

車輪踏面磨耗會直接引起輪軌接觸幾何關(guān)系的變化，從而引起車輛動力學(xué)性能發(fā)生變化，嚴(yán)重時影響行車安全性。對不同磨耗狀態(tài)下的列車振動性能進(jìn)行了對比。圖7～圖9為武廣客專跟蹤動車組1和動車組2的橫向車體橫向、垂向平穩(wěn)性和構(gòu)架橫向加速度隨運行里程（等效錐度）的變化，對比數(shù)據(jù)為250km／h～340 km／h內(nèi)所有數(shù)據(jù)。圖10為該動車組2構(gòu)架橫向加速度最大值附近的時域波形。數(shù)據(jù)顯示，動車組1和動車組2車體橫向平穩(wěn)性和構(gòu)架橫向加速度隨車輪踏面磨耗增加而逐漸增大；動車組2車體垂向平穩(wěn)性無明顯變化；相比動車組1而言，動車組2的振動性能隨運行里程（車輪踏面磨耗）增加而增大的速度較快，運行里程為18萬km時（等效錐度0.44），動車組2的3個車體橫向平穩(wěn)性數(shù)據(jù)點大于2.5，6個構(gòu)架橫向加速度大于8.0m／s2，但未出現(xiàn)連續(xù)6次超過8m／s2的現(xiàn)象。運行里程為21.1萬km時（等效錐度0.47），動車組2的18個車體橫向平穩(wěn)性數(shù)據(jù)點大于2.5，19個構(gòu)架橫向加速度大于8.0m／s2（最大值已達(dá)到10m／s2），且出現(xiàn)了連續(xù)6次超過8m／s2的現(xiàn)象（見圖10）。以上數(shù)據(jù)和現(xiàn)象表明，車輪踏面磨耗對動車組1的橫向和垂向振動均影響較大；車輪踏面磨耗對動車組2的橫向振動影響較大，但對垂向振動，尤其是車體垂向平穩(wěn)性影響較小。

2.2 等效錐度對構(gòu)架振動性能影響研究

圖7 橫向平穩(wěn)性隨車輪磨耗的變化

圖8 垂向平穩(wěn)性隨車輪磨耗的變化

圖9 構(gòu)架橫向加速度隨車輪磨耗的變化

圖10 動車組2運行21.1萬km構(gòu)架橫向最大值處波形

輪軌等效錐度是計算、評估輪對蛇行失穩(wěn)的一個關(guān)鍵參數(shù)，同時也可以評估車輪踏面磨耗對輪軌接觸幾何關(guān)系的影響。所以本文采用等效錐度作為車輪踏面磨耗和車輪踏面磨耗引起列車振動的評估參數(shù)。轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性采用0.5～10Hz內(nèi)的構(gòu)架橫向加速度來表征。

表2為不同等效錐度下的構(gòu)架橫向加速度數(shù)據(jù)點統(tǒng)計，圖11為構(gòu)架橫向加速度大值點占總數(shù)據(jù)點的百分比隨等效錐度的變化趨勢。圖表顯示，等效錐度超出某一范圍時橫向穩(wěn)定性隨等效錐度的增加而增大，當(dāng)?shù)刃уF度大于0.4時，橫向穩(wěn)定性會出現(xiàn)大于8m／s2的失穩(wěn)跡象；構(gòu)架橫向加速度大值點占總數(shù)據(jù)點的百分比，隨等效錐度的增大而增加，并呈現(xiàn)指數(shù)的增長跡象。

表2 構(gòu)架橫向加速度數(shù)據(jù)點統(tǒng)計

圖11 構(gòu)架橫向加速度大值點隨等效錐度的變化趨勢

等效錐度在一定程度上也決定或影響著轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)的頻率和幅值。根據(jù)Klingel公式，自由輪對和剛性轉(zhuǎn)向架的蛇行運動頻率與踏面等效錐度存在式（1）、式（2）的關(guān)系。實際上，剛性轉(zhuǎn)向架的蛇行運行頻率ft是與它相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的轉(zhuǎn)向架的蛇行運動頻率的最小值，而自由輪對蛇行運動頻率fw則為最大值。可以看出無論是剛性轉(zhuǎn)向架還是完全彈性輪對，等效錐度對蛇行頻率的影響至關(guān)重要。

式中fw為自由輪對蛇行運動頻率，Hz；ft為剛性轉(zhuǎn)向架的蛇行運動頻率，Hz；λ為踏面等效錐度；b為左右輪軌接觸點橫向距離的一半，m；r0為車輪滾動圓半徑，m；v為車輪運行速度，km／h；l1為轉(zhuǎn)向架固定軸距之半。

圖12為不同速度級構(gòu)架橫向加速度頻譜與等效錐度的關(guān)系對比。結(jié)果顯示，蛇行運動頻率的幅值隨速度的增加而增大，在同一速度級下隨等效錐度的增加而增大。在速度為330～340km／h，等效錐度為0.47時，蛇行運動頻率幅值達(dá)到0.48，其在功率譜中占主導(dǎo)作用。

3 速度對車輪磨耗及列車振動性能的影響研究

2011－07－01武廣線降速運營，主要運營速度從320～340km／h調(diào)整到290～310km／h，跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，速度調(diào)整前后，部分動車組的車輪踏面磨耗和振動性能出現(xiàn)明顯的差別，為研究運營速度對車輪磨耗及列車振動性能的影響，選取武廣客運專線LMA車輪踏面外形動車組1作為研究對象，對其調(diào)速前后各進(jìn)行1個旋修周期的測試，為便于分析，選取列車降速前運行里程為4.1，10.1，16.9，19.6萬km，列車降速后運行里程為5.3，13.5，18.4，23萬km的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

圖13為降速使用前后LMA車輪踏面磨耗量對比，結(jié)果顯示，列車降速運行后，車輪踏面磨耗量明顯小于降速前的磨耗量。武廣客專動車組1降速前運行里程為19.6萬km時車輪踏面總磨耗量為0.77mm，降速運營后運行23萬km時車輪踏面總磨耗量僅0.46mm。

圖12 等效錐度與構(gòu)架失穩(wěn)頻率

圖13 LMA車輛在降速使用前后磨耗量對比

圖14為降速使用前后LMA車輪踏面10萬km平均磨耗量對比。結(jié)果顯示，降速使用前后動車組1的10萬km平均車輪踏面磨耗量呈現(xiàn)不同特征：降速前10萬km平均磨耗曲線呈現(xiàn)高、低、高的典型磨損現(xiàn)象，即車輪磨耗速度前期較快，中期較平穩(wěn)，后期加劇磨損。降速后10萬km平均車輪踏面磨耗曲線呈現(xiàn)高、低的現(xiàn)象，其磨耗曲線為典型磨耗曲線的前半部分。

圖15為降速使用前后LMA車輪踏面等效錐度對比。結(jié)果顯示，列車運營速度下降后，車輪踏面等效錐度明顯減小。

圖14 LMA車輛降速使用前后磨耗量對比

圖15 LMA車輛300km／h等效錐度

綜上所述，武廣線降速運營后，車輪踏面磨耗量明顯減小，車輪磨耗率下降，相同運行里程下，等效錐度減小。

圖16～圖20為車體橫向、垂向加速度，車體橫向、垂向平穩(wěn)性和構(gòu)架橫向加速度在降速使用前后對比。圖形顯示，降速后的車體橫向加速度、車體垂向加速度、構(gòu)架橫向加速度和車體垂向平穩(wěn)性均比降速前明顯減小。

圖16 降速使用前后車體橫向加速度散點對比

圖17 降速使用前后橫向平穩(wěn)性散點對比

圖18 降速使用前后車體垂向加速度散點對比

圖19 降速使用前后垂向平穩(wěn)性散點對比

圖20 降速使用前后構(gòu)架橫向加速度散點對比

4 結(jié)論

通過對武廣客專動車組車輪踏面外形和車輛振動的長期跟蹤測試，得到了動車組車輪踏面磨耗和振動性能隨運行里程的變化規(guī)律，研究了車輪磨耗后等效錐度對構(gòu)架橫向穩(wěn)定性的影響，最后探討了速度因素對車輪踏面磨耗及振動性能影響。

（1）降速使用前（主要速度330～340km／h）武廣客專S1002G（CN）和LMA車輪踏面外形的磨耗量隨運行里程增加，逐步增大。運行里程大于15萬km后，車輪踏面磨耗速度更呈逐漸增大趨勢。

（2）武廣客專S1002G（CN）和LMA車輪踏面外形的磨耗區(qū)域基本相同，主要處于距輪緣內(nèi)側(cè)60～90mm范圍內(nèi)，但最大磨耗位置不同：LMA踏面的最大磨耗基本穩(wěn)定在75mm附近，S1002G（CN）車輪踏面的最大磨耗位置隨運行里程變化較大，剛開始運行時位于70mm附近，隨運行里程增加逐漸過渡到75mm附近。

（3）輪軌等效錐度不僅可以評估車輪踏面磨耗程度，還直接影響構(gòu)架橫向失穩(wěn)的頻率、幅值。

（4）其他條件不變，速度的調(diào)整對車輪踏面磨耗和振動性能影響顯著。武廣線動車組主要運營速度由330～340km／h調(diào)整到290～300km／h后，車輪踏面磨耗量和振動性能出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)。

（5）建議對降速使用后武廣客運專線動車組車輪踏面磨耗情況和振動情況進(jìn)行調(diào)研，研究下一步延長旋修周期和實行經(jīng)濟性旋修的可行性。

［1］ 董孝卿，王悅明，倪純雙，等.京津城際鐵路動車組車輪運用情況深入研究，TY字第3041號［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所，2010.

［2］ 董孝卿，王悅明，王林棟，等.京津城際鐵路CRH3C型動車組車體晃動專題研究報告，TY字第3056號［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所，2011.

［3］ 康 熊，董孝卿，王悅明，等.車輪外形磨耗及動車組振動狀態(tài)跟蹤研究，TY字第3217號［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所，2011.

［4］ 王福天.車輛動力學(xué)［M］.北京：中國鐵道出版社，1981.