丁陽喜，唐玉杰，朱韶光，董孝卿，張現(xiàn)鋒，王先亮

（1 華東交通大學(xué)，江西南昌330013；2 北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，北京100081；3 中國鐵道研究科學(xué)院 機車車輛研究所，北京100081；4 青島四方龐巴迪鐵路運輸設(shè)備有限公司，山東青島266111）

動車組旋修周期驗證研究*

丁陽喜1，唐玉杰1，朱韶光2，董孝卿3，張現(xiàn)鋒4，王先亮1

（1 華東交通大學(xué)，江西南昌330013；2 北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，北京100081；3 中國鐵道研究科學(xué)院 機車車輛研究所，北京100081；4 青島四方龐巴迪鐵路運輸設(shè)備有限公司，山東青島266111）

為驗證某型動車組30萬km旋修周期的合理性，對一個旋修周期內(nèi)的動車組實測車輪進行磨耗分析，并將實測車輪外形輸入到已建立的動力學(xué)模型中，計算動車組系統(tǒng)臨界速度、構(gòu)架橫向穩(wěn)定性、車體平穩(wěn)性、曲線通能力等動力學(xué)性能，并參照相關(guān)標準進行評價。結(jié)果表明：車輪磨耗、等效錐度隨運行里程增加變化平緩；運行31萬km后車輪踏面與鋼軌接觸狀態(tài)良好；所計算動力學(xué)性能均滿足標準要求。從而驗證某型動車組30萬km里旋修周期的合理性。

旋修周期；動車組；30萬km

動車組車輪磨耗會影響輪軌接觸關(guān)系，顯著影響運行的安全性、平穩(wěn)性、舒適度，文獻［1-3］均研究了實測磨耗踏面對動車組動力學(xué)性能的影響。為了改善輪軌接觸關(guān)系，確保動車組安全、舒適地運營，鐵路部門采用車輪旋修的方法進行維護，即對已偏離標準設(shè)計的車輪外廓進行旋修，以期恢復(fù)車輪與鋼軌良好的接觸狀態(tài)?？茖W(xué)合理的旋修是保證動車組安全、舒適、經(jīng)濟運行的前提，國內(nèi)外很多學(xué)者［4-6］都對此進行了研究。因我國動車組車型各異、線路眾多，各運營動車組的磨耗狀態(tài)也不盡同，文獻［4］在長期對我國高速動車組的振動性能與磨耗狀態(tài)進行大量跟蹤測試的基礎(chǔ)上，提出了旋修策略，即包括旋修周期制定與車輪踏面外形設(shè)計。旋修周期與動車組運行的安全性、平穩(wěn)性、經(jīng)濟性密切相關(guān)，若車輪旋修周期過長，會導(dǎo)致車輪與鋼軌接觸狀態(tài)惡化，降低乘坐舒適性，甚至?xí)＜靶熊嚢踩蝗粜拗芷谶^短，車輪踏面旋修頻繁，旋修工作量大，車輪使用壽命短，經(jīng)濟性差。目前國內(nèi)學(xué)者正在對既有運營線路上的動車組進行大量磨耗跟蹤試驗，優(yōu)化旋修周期。

某型動車組在運營中出現(xiàn)了較為嚴重的車體晃動情況，旋修周期也無法達到30萬km。在修改了車輪外形與優(yōu)化減振器參數(shù)后，車體晃動情況消失，需要進一步確定車輪旋修周期以確保動車組安全、舒適、經(jīng)濟地運行。為此，對該型不同車號的多列動車組進行了多次磨耗跟蹤試驗［7］，文章以其中的某動車組M c2車為對象，就試驗過程中采集的磨耗數(shù)據(jù)進行分析，再將實測車輪外形輸入到已建立的動力學(xué)模型中，考察動車組的臨界速度、輪重減載率、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力等，并與相關(guān)標準對比，從而驗證動車組30萬km旋修周期的合理性。

1　車輪磨耗分析

長期跟蹤的某動車組自旋修后，已安全運營31.3萬km。在此期間，進行了長達8次的磨耗跟蹤試驗，對整列動車組所有車輪進行測量，文中選取Mc2車的全部車輪外形，從踏面與輪緣隨運行里程的變化規(guī)律、等效錐度隨運行里程的變化規(guī)律兩個角度來說明旋修周期內(nèi)的車輪磨耗情況，從而驗證動車組30萬km旋修周期的合理性。

Mc2車一位輪對左輪和右輪旋修后實測踏面外形與運行31萬km里后實測踏面外形對比如圖1所示，紅色輪廓線表示旋修后踏面，黑色輪廓線表示運行31k m里后踏面。圖1顯示：動車組運行31萬km后滾動圓附近（70±20）mm處有明顯的凹型磨耗，輪緣也有磨耗，Mc2車其他位輪對車輪均有此情況［7］。

該車所有車輪踏面與輪緣的磨耗量平均值隨運行里程的變化規(guī)律如圖2（a）。該車運行31萬km之后，車輪踏面累計磨耗量平均值為1.22 mm，輪緣累計磨耗量平均值為1.00 mm；踏面和輪緣每10萬km的平均磨耗分別為0.39 mm和0.32 mm。踏面與輪緣磨耗量在6萬km之前快速增加，此后隨運行里程增加緩慢增加，且兩者趨勢近似。在12萬km之前輪緣磨耗速率高于車輪踏面磨耗速率，12萬km以后，踏面磨耗速率高于輪緣磨耗速率。由上述分析可知：在此期間車輪踏面與輪緣磨耗隨運行里程增加變化平緩，沒有出現(xiàn)劇烈磨耗現(xiàn)象。

圖1　Mc2車一位輪對左輪和右輪旋修后與運行31萬km后實測踏面外形對比

等效錐度是輪軌接觸中重要的幾何參數(shù)，影響著動車組的動力學(xué)性能，若其值過小會導(dǎo)致動車組運用過程中出現(xiàn)晃車現(xiàn)象，其值過大會引起動車組構(gòu)架橫向振動報警現(xiàn)象［8］。輪軌接觸會出現(xiàn)連續(xù)地磨耗現(xiàn)象，造成各里程對應(yīng)下的等效錐度不斷變化。圖2（b）為輪對橫移3mm處，Mc2車4個輪對等效錐度的平均值隨運行里程的變化規(guī)律。由圖可知：輪對橫移3mm處等效錐度平均值隨運行里程的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；該動車組運行31萬km后輪對橫移3mm的等效錐度平均值為0.19，在此跟蹤周期內(nèi)，最大值僅為0.22。參照UIC518［9］規(guī)定：速度小于等于200km/h，等效錐度λ≤0.4，等效錐度在此期間符合標準要求。由上述分析可知：在此期間等效錐度隨運行里程的增加變化平緩，沒有出現(xiàn)劇烈變化，動車組滿足30萬km的旋修要求。

圖2　磨耗量與等效錐度隨運行里程變化

圖3　Mc2車輪緣累計磨耗

在跟蹤過程中發(fā)現(xiàn)，該動車組輪緣有偏磨現(xiàn)象。圖3為Mc2車運行31萬km之后4個車軸左輪輪緣與右輪輪緣累計磨耗量。1軸左輪輪緣與右輪輪緣磨耗量相差最大，為0.46 mm；3軸左輪輪緣與右輪輪緣磨耗量相差最小，為0.14 mm。左輪輪緣磨耗量均大于右輪輪緣磨耗量，但兩者差值較小，即輪緣偏磨現(xiàn)象不嚴重。

2　接觸分析

車輪與鋼軌接觸幾何關(guān)系在跟蹤周期內(nèi)隨著運行里程增加不斷變化。選取Mc2車的一位輪對分析，旋修后和運行31萬km后的車輪與鋼軌軌接觸關(guān)系如圖4。旋修后左輪與右輪滾動圓半徑相差僅為0.1mm，車輪主要在踏面滾動圓附近與軌頂內(nèi)側(cè)接觸，接觸點對稱，分布均勻；運行31萬km后左輪與右輪滾動圓半徑相差為0.5mm，車輪主要在踏面滾動圓兩側(cè)與軌頂接觸，且踏面滾動圓附近處接觸稀疏，接觸點分布不對稱，說明該處形成的凹形磨耗對輪軌接觸有影響。運行31萬km后的車輪與鋼軌接觸雖沒有剛旋修時接觸狀態(tài)好，但沒有出現(xiàn)接觸點劇烈跳躍現(xiàn)象，磨耗范圍由踏面滾動圓附近向兩側(cè)擴大，車輪踏面磨耗趨向均勻，對提高車輪運用壽命有意義。

圖4　Mc2車輪與鋼軌接觸幾何關(guān)系

Mc2車一位輪對不同時期等效錐度如圖5。等效錐度隨輪對橫移變化在不同時期呈現(xiàn)不同特點：旋修后，等效錐度隨輪對橫移變化不大，維持在0.1左右；運行31萬km后，等效錐度隨輪對橫移增加有逐漸減小的趨勢，橫移大于3mm，等效錐度變化趨于平緩，但整體幅值均比旋修后大。兩個時期，輪對橫移3mm處等效錐度差值約為0.08，變化不劇烈，且均滿足限值要求。

圖5　Mc2車一位輪對不同時期等效錐度

3　動力學(xué)性能驗證

將運行31萬km的M c2車實測車輪外形輸入車輛動力學(xué)模型，計算空載與重載，即M c2車不載客與定員載客兩種情況下，車輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、曲線通過能力，并與相關(guān)標準［10］限值進行比較，判斷動力學(xué)性能是否超標，確定磨耗后的車輪踏面是否滿足車輛安全性、舒適度等要求，從而說明動車組30萬km旋修周期的合理性，即動車組可以運行至30萬km進行旋修。

3.1建模

采用多體動力學(xué)軟件UM進行參數(shù)化建模，建立了某型動車組Mc2車。建模過程中，考慮抗蛇形減振器、橫向止擋、輪軌接觸的非線性，并設(shè)置如質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等相關(guān)參數(shù)，建成由1個車體、2個轉(zhuǎn)向架、4個輪對組成的動力學(xué)模型。模型包括8個一系垂向減振器、8個一系彈簧、8個定位轉(zhuǎn)臂、4個空氣彈簧、4個二系垂向減振器、4個二系橫向減振器、2個牽引拉桿、2個橫向止擋、2個抗側(cè)滾扭桿?？紤]浮沉、點頭、橫移、搖頭、側(cè)滾等自由度，整個系統(tǒng)共有48個自由度，整車動力學(xué)模型如圖6。

圖6　動車組Mc2車動力學(xué)模型

計算過程中，采用我國60 kg/m鋼軌，并假設(shè)鋼軌外形不變，德國高速軌道譜作為軌道激擾輸入，軌底坡為1/40。動車組運行31萬km后的實測車輪外形作為輸入，并考慮左輪與右輪的輪徑差，如表1。

3.2車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性

車輛系統(tǒng)的蛇行穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的固有屬性，是決定車輛能否高速運行的關(guān)鍵因素［11］。車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性可以通過線性臨界速度與非線性臨界速度進行判定。由于計算線性臨界速度時，未考慮車輛系統(tǒng)非線性因素，其準確性受到影響，因此進行非線性分析以準確地計算車輛的臨界速度。一般地，非線性臨界速度的計算方法采用直接積分法，即首先讓車輛在很高的速度下運行出現(xiàn)輪緣貼靠鋼軌內(nèi)側(cè)的大幅蛇行運動，并將此狀態(tài)賦給車輛系統(tǒng)作為初始積分狀態(tài)，然后逐漸降低運行速度讓其運行在理想光滑軌道上，最后當車輛系統(tǒng)的蛇行運動收斂至0時所對應(yīng)的速度就是非線性臨界速度［11］。采用此方法計算出動車組的空載與重載兩種工況下不同踏面的非線性臨界速度，如表2所示。重載下動車組臨界速度比空載下高10 km/h左右，標準踏面的臨界速度遠高于已磨耗踏面臨界速度。表中最惡劣工況下的臨界速度為362.2 km/h，遠高于該動車組運營速度200 km/ h，具有很高的安全裕量，說明動車組運行31萬km之后車輪踏面狀態(tài)能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

表1　Mc2車實測滾動圓輪徑差

表2　兩種踏面臨界速度對比

動車組橫向運行穩(wěn)定性也與動車組安全性、舒適度密切相關(guān)。根據(jù)文獻［10］對構(gòu)架橫向加速度進行了10 Hz低通濾波，計算空載與重載情況不同速度級下構(gòu)架橫向加速度最大值，如圖7。由圖7可知，空載與重載下構(gòu)架橫向加速度隨速度變化趨勢一致，重載比空載時幅值大，重載且速度為260 km/h時構(gòu)架最大橫向加速度為7.0 m/s-2，仍低于標準限值，且此時波形迅速收斂，轉(zhuǎn)向架未失穩(wěn)。因動車組實際運營速度為200 km/ h，遠低于260 km/h的計算速度，所以該踏面狀態(tài)下的動車組橫向運行穩(wěn)定性良好。

3.3車輛系統(tǒng)平穩(wěn)性

車輛系統(tǒng)平穩(wěn)性直接影響著乘客乘坐的舒適度。圖8為動車組已運行31萬km后空載與重載兩種工況下，磨耗車輪踏面所對應(yīng)車體平穩(wěn)性、加速度RMS值隨速度的變化情況。由圖8（a）、圖8（b）可知：隨著速度的提高，車體橫、垂向平穩(wěn)性數(shù)值逐步增加，兩者在200 km/h變化到220 km/h時增加迅速；空載與重載兩種工況下，車體橫向、垂向平穩(wěn)性隨速度的變化趨勢一致，但空載下車體橫向、垂向平穩(wěn)性數(shù)值均高于重載工況；兩種工況下，車體垂向平穩(wěn)性優(yōu)于車體橫向平穩(wěn)性，這是因為計算時沒有考慮車輪不圓對車體垂向平穩(wěn)性的影響。圖8（a）反映：當空載速度為230 km/h、重載速度為260 km/h時，車體橫向平穩(wěn)性由優(yōu)轉(zhuǎn)向良好，但這能滿足動車組以200 km/h運營時車體橫向平穩(wěn)性為優(yōu)的要求。圖8（b）反映：空載與重載下，各速度級下車體垂向平穩(wěn)性均為優(yōu)。圖8（c）、圖8（d）為車體橫向、垂向加速度的RMS值隨速度的變化情況，與圖8（a）、圖8（b）趨勢近似，但隨著速度的提高加速度RMS值增加較為均勻。該磨耗車輪踏面所對應(yīng)的車體橫向、垂向平穩(wěn)性在動車組200 km/h運行時皆為優(yōu)，動車組可以運行至30萬km進行旋修。

圖7　構(gòu)架橫向加速度隨速度變化

3.4曲線通過能力

為了驗證該磨耗踏面的曲線通過能力，設(shè)置了A、B、C、D、E、F 6種不同曲線半徑的工況。曲線參數(shù)設(shè)置見表3。6種工況下，最高計算速度通過曲線時，欠超高最大為55 mm，符合《鐵路工務(wù)規(guī)則》規(guī)定，即允許最大未被平衡的超高為65～75mm。

在A～E 6種工況下，計算空載與重載兩種情況不同速度級下的各輪脫軌系數(shù)、輪重減載率與各輪軸橫向力，并選取最大值作為統(tǒng)計量。

空載與重載6種工況下所對應(yīng)不同速度級的最大脫軌系數(shù)如表4所示。由表4可知：6種工況下空載比重載脫軌系數(shù)大；曲線半徑為400m時，空載與重載脫軌系數(shù)最大，分別為0.27，0.265，均遠低于文獻［10］規(guī)定的限值。各曲線所對應(yīng)的速度下，脫軌系數(shù)最大時速度并不高，均在力平衡時速度以下，即此時軌道有過超高。

空載與重載6種工況下所對應(yīng)不同速度級的最大輪重減載率如表5所示，與表4類似，空載時輪重減載率高于重載；B工況下，空載與重載輪重減載率最大，分別為0.66和0.61，低于文獻［10］輪重減載率的動態(tài)限定值0.8，而動車組實際運營速度為200 km/h，小于工況B下240 km/h的計算速度，計算的輪重減載率具有安全裕量。

圖8　車體橫向與垂向平穩(wěn)性、加速度RMS值隨速度變化

表3　曲線設(shè)置參數(shù)表

表4　6種工況下脫軌系數(shù)

表5　6種工況下輪重減載率

空載與重載6種工況下所對應(yīng)不同速度級的最大輪軸橫向力如表6所示，根據(jù)文獻［10］計算公式（1）計算空載與重載時輪軸橫向力限值分別為54，60 kN。表6顯示，工況B下重載時輪軸橫向力最大，為28.1 kN，低于限值；各工況下，重載時輪軸橫向力較空載時大。運行31萬km后的車輪踏面并沒有顯著影響輪軸橫向力，選擇30萬km作為旋修周期合理。各工況下輪軸橫向力最大值均出現(xiàn)在以最大速度或以最小速度計算時，說明欠超高與過超高均對輪軸橫向力不利。

式中H為輪軸橫向力，kN；P0為靜軸重，kN。

表6　6種工況下輪軸橫向力

表4～表6均說明運行31萬km后的車輪踏面狀態(tài)能滿足相關(guān)動力學(xué)性能的要求，可以選擇30萬km作為動車組的旋修周期。

圖9為所有車輪平均磨耗功率在6種工況各自速度級下的散點圖?？蛰d與重載，在各工況下，車輪平均磨耗功率隨著速度的提高而增加。相同工況下，重載時車輪平均磨耗功率基本上都高于空載。相同速度級下，曲線半徑越小，車輪平均磨耗功率越高，當曲線半徑為400 m時，車輪磨耗最劇烈。曲線半徑為400 m，速度為40 km/h時車輪平均磨耗功率高于其他工況下各速度級的車輪平均磨耗功率，曲線半徑的大小顯著地影響車輪磨耗功率的高低。動車組入動車運用所檢修或調(diào)車時會經(jīng)歷半徑小于400 m的曲線，所經(jīng)歷的小半徑曲線里程占運行總里程比重小，且在實際線路上運營時，很少有半徑小于800 m的曲線，車輪平均磨耗功率相對較低，車輪磨耗不劇烈。所以，動車組運行31萬km后的車輪踏面狀態(tài)較為理想，沒有出現(xiàn)劇烈磨耗現(xiàn)象，符合實際測試情況；動車組可以運行至30萬km進行旋修。

圖9　6種工況下車輪平均磨耗功率

4　結(jié) 論

（1）某動車組運行31萬km后，車輪踏面與輪緣磨耗、等效錐度隨運行里程變化平緩，沒有出現(xiàn)劇烈變化；左輪輪緣與右輪輪緣磨耗量差值不大，輪緣偏磨不明顯；磨耗后的車輪與鋼軌匹配良好，接觸較為均勻。車輪磨耗狀態(tài)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)劇烈磨耗，滿足30萬km旋修要求。

（2）將31萬km實測車輪外形導(dǎo)入動力學(xué)模型計算發(fā)現(xiàn)：車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性、車體橫向與垂向平穩(wěn)性、過曲線能力良好，沒有超過標準限值。運行31萬km后磨耗車輪踏面滿足動力學(xué)性能要求，動車組可以運行至30萬km進行旋修。

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Research on the Verification of Reprofiling Cycle for EMU

DING Yangxi1，TANG Yujie1，ZHU Shaoguang2，DONG Xiaoqing3，ZHANG Xianfeng4，WANG Xianliang1
（1 East China jiaotong University，Nanchang 330013 Jiangxi，China；2 Beijing Zongheng Electro mechanical Technology Development Co.，Beijing 100081，China；3 Loco motive&car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；4 Bombardier Sifang（Qingdao）Transportation Ltd.，Qingdao 266111 Shandong，China）

To verify the rationality of the reprofiling cycle in 0.3 million kilometers for an EMU，the EMU measured wheels were analyzed in the perspective of wear during the period of reprofiling cycle.Then the measured and abraded w heels profile were input to the established dynamic model of the EMU，calculated the critical speed of EMU system，EMU system frame lateral stability，the sperling index of the carbody，the dynamic performance of passing curve，and all of the calculated results were evaluated with reference to relevant standards.The results show that the wear wheel，wheel/rail equivalent conicity changes gently with the increase of running mileage，wheel-rail contact is in good state after running 0.3 million kilo meters，and the calculated dynamic performance can satisfy the requirements of standards.Finally，the rationality of the reprofiling cycle in 0.3 million kilo meters for an EMU has been verified conclusively.

reprofiling cycle；EMU；0.3 million kilometers；verification

U266.331+.1

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.06

1008-7842（2015）04-0025-06

*中國鐵道科學(xué)研究院科研開發(fā)基金項目（2013 YJ009）

2—）男，教授（

20215-01-12）