侯茂銳，劉豐收，胡曉依，張志波，成 棣，方 興

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；3.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266000）

由于我國高速鐵路具有線路里程長，無砟軌道所占比例大，地質(zhì)條件和氣候環(huán)境復(fù)雜，不同速度等級、不同型號的動車組共線運(yùn)行，列車持續(xù)高速運(yùn)行等特點(diǎn)，使得輪軌之間的匹配關(guān)系顯得尤為復(fù)雜。輪軌型面匹配表現(xiàn)為2 種鋼軌軌頭型面（60D和60N 型） 匹配5 種車輪踏面（LMA，LMD，S1002CN，XP55 和LMB-10 型），部分線路區(qū)段也曾出現(xiàn)過典型的輪軌關(guān)系問題，如動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向振動加速度超限報(bào)警、車輪踏面非均勻磨耗、鋼軌軌面光帶不良等［1］。

對于高速鐵路，一方面，輪軌型面的微小變化直接影響車輛運(yùn)行的安全性、舒適性；另一方面，輪軌型面變化與鋼軌、車輪的養(yǎng)護(hù)維修成本具有密切關(guān)系。近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者對輪軌磨耗問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［2］研究了車輪踏面凹磨及其對貨車車輛動力學(xué)性能的影響，并給出了凹磨限值。文獻(xiàn)［3］研究了輪軌匹配等效錐度曲線的非線性變化特性，提出2 個(gè)可以反映等效錐度非線性變化程度的評價(jià)指數(shù)，并分析其對車輛動力學(xué)性能的影響。文獻(xiàn)［4］基于現(xiàn)場實(shí)測輪軌型面建立了輪軌關(guān)系管理平臺，可對輪軌磨耗、滾動接觸疲勞等傷損進(jìn)行預(yù)測，指導(dǎo)現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)維修。文獻(xiàn)［5］應(yīng)用數(shù)值方法研究了車輪踏面磨耗對鋼軌和車輪傷損的影響。文獻(xiàn)［6-9］主要針對新輪新軌匹配，研究了不同輪軌型面匹配、輪對內(nèi)側(cè)距、軌底坡等因素對輪軌接觸幾何關(guān)系及車輛動力學(xué)性能的影響。文獻(xiàn)［10］針對4 種高速車輪踏面分別應(yīng)用3種等效錐度計(jì)算方法分析輪軌接觸特征，為車輪磨耗分析提供了參考。文獻(xiàn)［11］研究了車輪踏面凹形磨耗造成的偏磨以及對車輛動力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)同相偏磨對車輛的臨界速度及平穩(wěn)性影響嚴(yán)重。文獻(xiàn)［12］系統(tǒng)總結(jié)了我國高速鐵路車輪踏面橫向凹坑磨耗情況，并提出了7 個(gè)方面的措施進(jìn)行抑制。上述文獻(xiàn)均針對TB60 標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面開展輪軌型面匹配研究。文獻(xiàn)［13-14］開展了基于60N 鋼軌型面的輪軌型面匹配研究，相較于TB60鋼軌，60N鋼軌的輪軌接觸點(diǎn)集中在軌頭中心區(qū)域且各項(xiàng)動力學(xué)性能指標(biāo)較優(yōu)。文獻(xiàn)［15］研究了CRH3型動車組由于輪軌匹配等效錐度過大而引起的構(gòu)架橫向振動加速度超限報(bào)警問題。文獻(xiàn)［16］研究了CRH3C型動車組由于輪軌匹配等效錐度過小而引起的車體橫向失穩(wěn)（晃車）問題。

前期相關(guān)研究一般均針對新輪新軌，對于現(xiàn)場實(shí)際服役鋼軌型面和車輪踏面的變化及匹配特性的研究較少。為了系統(tǒng)掌握我國高速鐵路輪軌型面變化規(guī)律及匹配特性，在京滬、武廣、哈大、蘭新、貴廣、丹大等6 條典型高速鐵路選擇了172 個(gè)鋼軌型面變化測點(diǎn)和16 列動車組進(jìn)行了為期2 a 的現(xiàn)場測試，線路和動車組選擇原則具體方案參見文獻(xiàn)［17］。

本文以現(xiàn)場測試得到的大量鋼軌型面和車輪踏面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)方法分析不同線路鋼軌型面和車輪型面的變化規(guī)律，并以實(shí)測鋼軌型面為基準(zhǔn)進(jìn)行輪軌匹配等效錐度分析，得到我國高速鐵路輪軌型面匹配的主要特征及差異，并提出相關(guān)優(yōu)化措施及建議。

1 鋼軌型面變化

鋼軌型面的變化主要由2 部分構(gòu)成，一部分為鋼軌打磨引起的變化，打磨又分為大機(jī)打磨和快速打磨；另一部分為鋼軌自然磨耗引起的變化。不同測點(diǎn)鋼軌型面變化情況見表1。

表1 鋼軌型面變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表1可知：①不考慮鋼軌打磨對鋼軌型面變化的影響時(shí)，可以看出鋼軌垂磨量與年通過總重呈一定的正相關(guān)性；年通過總重小于11 Mt 的線路（哈大、蘭新、貴廣和丹大），鋼軌垂磨量均接近0.01 mm，已超過儀器測試精度。②鋼軌打磨引起的型面變化明顯，最大變化面積為9.30 mm2，其中由打磨引起的型面變化面積約占90%。③打磨工藝和方式存在差異，使得不同區(qū)段測點(diǎn)打磨引起的鋼軌型面變化差異較大，一般快速打磨的打磨量較小，大機(jī)打磨的打磨量大。鋼軌型面變化會影響輪軌接觸狀態(tài)及列車運(yùn)行品質(zhì)，當(dāng)鋼軌進(jìn)行打磨作業(yè)時(shí)，應(yīng)采取科學(xué)合理的打磨工藝，嚴(yán)格控制打磨質(zhì)量，以確保良好的輪軌接觸關(guān)系。

鋼軌最大磨耗位置分布統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖1所示。圖中：正值表示偏向軌距角一側(cè)。由圖1可知，鋼軌最大磨耗點(diǎn)68.4%集中在軌頭中心偏工作邊0～5 mm 范圍內(nèi)，《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》規(guī)定鋼軌垂直磨耗測試位置在鋼軌頂面寬1/3 處（距標(biāo)準(zhǔn)工作邊）［18］，對于TB60 鋼軌為距軌頭中心13.5 mm 處。高速鐵路正線一般為大曲線半徑，靠近軌距角附近的垂直磨耗很少發(fā)生，因此，為了更加準(zhǔn)確地表征高速鐵路鋼軌垂直磨耗位置，建議將鋼軌垂直磨耗測試位置調(diào)整為距軌頭中心5 mm處。

圖1 鋼軌最大磨耗位置分布

京滬線5 條不同半徑曲線、直線區(qū)段鋼軌磨耗跟蹤測點(diǎn)與公里標(biāo)的對應(yīng)情況見表2，不同鋼軌磨耗速率的對比如圖2所示。圖中，K2 測點(diǎn)位置鋪設(shè)U75VH 熱處理鋼軌，其余測點(diǎn)均鋪設(shè)U71MnK熱軋鋼軌。由圖2可知，曲線半徑大于2 495 m 時(shí)，直線和曲線鋼軌磨耗速率基本相當(dāng)；半徑為460 和800 m這2條曲線的鋼軌磨耗速率明顯增大，尤其是半徑460 m 曲線，雖然使用了U75VH熱處理鋼軌，但其磨耗速率仍然約為半徑800 m曲線的1.5倍。

表2 鋼軌磨耗測點(diǎn)曲線半徑R與公里標(biāo)對應(yīng)情況

2 車輪型面變化

圖2 京滬線不同曲線與直線區(qū)段鋼軌磨耗速率對比

在主要運(yùn)行于京滬線的CRH380BL、武廣線的CRH380AL、哈大線的CRH380BG、蘭新線的CRH2G、貴廣線的CRH2A 和丹大線的CRH5G 型動車組中，各選擇1列服役動車組進(jìn)行車輪磨耗分析，結(jié)果分別如圖3—圖8所示。

圖3 京滬線某CRH380BL動車組車輪磨耗情況

圖4 武廣線某CRH380AL動車組車輪磨耗情況

圖5 哈大線某CRH380BG動車組車輪磨耗情況

由圖3可知：車輪磨耗隨著服役里程的增大呈現(xiàn)近似線性增大；20.5 萬km 里程時(shí)全列車輪踏面磨耗呈現(xiàn)正態(tài)分布特性，0.6～0.7 mm 范圍內(nèi)的踏面磨耗占所有車輪的53.1%，車輪踏面最大磨耗約0.9 mm；輪緣有少量磨耗，踏面中部磨耗分布在-25～30 mm范圍內(nèi)。

圖6 蘭新線某CRH2G動車組車輪磨耗情況

圖7 貴廣線某CRH2A動車組車輪磨耗情況

圖8 丹大線某CRH5G動車組車輪磨耗情況

由圖4可知：車輪磨耗隨著服役里程的增大呈現(xiàn)近似線性增大；全列車輪磨耗的離散性較大，17.9 萬km 里程時(shí)0.5～0.6 mm 范圍內(nèi)的踏面磨耗占比最大，達(dá)到34.4%，最大車輪踏面磨耗約0.8 mm；踏面中部和輪緣均發(fā)生磨耗，踏面中部磨耗分布在-30～50 mm范圍內(nèi)。

由圖5可知：車輪磨耗隨著服役里程的增大而增大；24.2 萬km 里程時(shí)全列車輪踏面磨耗呈正態(tài)分布特性，1.0～1.1 mm 范圍內(nèi)的踏面磨耗占比最大，達(dá)到51.6%，車輪踏面最大磨耗約1.6 mm；踏面中部磨耗分布在-30～35 mm范圍內(nèi)。

由圖6可知：車輪磨耗隨著服役里程的增大逐漸增大；24.2 萬km 里程時(shí)全列車輪踏面磨耗呈正態(tài)分布特性，1.05～1.20 mm 的踏面磨耗占比最大，達(dá)到40.6%，車輪踏面最大磨耗約1.5 mm；以踏面中部磨耗為主，磨耗分布在-20～30 mm 范圍內(nèi)，分布范圍較小。

由圖7可知：車輪磨耗隨著服役里程的增大逐漸增大；21.8 萬km 里程時(shí)全列車輪踏面磨耗呈正態(tài)分布特性，0.5～0.6 mm 的踏面磨耗占比最大，達(dá)到53.8%；以踏面磨耗為主，踏面磨耗分布范圍較大，主要在橫坐標(biāo)-35～50 mm范圍內(nèi)。

由圖8可知：車輪磨耗隨著服役里程的增大逐漸增大，隨著服役里程的增加，全列車輪磨耗的離散型有所增大；26.6 萬km 里程時(shí)全列車輪踏面磨耗主要分布在1.05～1.20 和1.20～1.35 mm 占比相近，分別占比23.4%，20.3%；最大車輪踏面磨耗約1.95 mm；踏面中部和輪緣均有一定磨耗，踏面中部磨耗集分布在-20～40 mm范圍內(nèi)。

對運(yùn)行于上述6 條線路上的動車組車輪踏面磨耗速率進(jìn)行計(jì)算，比較結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同線路運(yùn)行的動車組車輪踏面磨耗速率比較

由圖9可知：丹大線的動車組車輪踏面磨耗速率最大，約為0.06 mm·（萬km）-1；哈大線和蘭新線均約為0.05 mm·（萬km）-1；京滬線和武廣線均約為0.035 mm·（萬km）-1；貴廣線約為0.031 mm·（萬km）-1。盡管線路條件、軌道激擾、動車組類型、輪軌型面及材質(zhì)、氣候等因素均存在差異，但是仍可以發(fā)現(xiàn)，哈大線、蘭新線和丹大線均處于北方干燥、風(fēng)沙氣候環(huán)境中，由于輪軌摩擦系數(shù)較大，使得輪軌動力作用增加，車輪磨耗加快；而京滬線、武廣線和貴廣線均處于南方潮濕、多雨的氣候環(huán)境中，輪軌磨耗系數(shù)較小，輪軌動力作用較小，車輪磨耗較慢。

不同動車組車輪輪緣磨耗隨踏面磨耗的變化如圖10所示。由圖10可知：6 列動車組的輪緣磨耗均小于踏面磨耗，蘭新線的動車組輪緣磨耗最小，基本小于0.1 mm；武廣線輪緣磨耗大于踏面磨耗，輪緣磨耗約為0.9 mm 時(shí)，踏面磨耗約為0.5 mm；其他4 列動車組的輪緣磨耗隨著踏面磨耗的增大而增大，踏面中部磨耗大于輪緣磨耗，以踏面磨耗為主。武廣線CRH380AL 動車組配屬武漢鐵路局，由于武漢樞紐存在半徑300～700 m 的小半徑曲線，使得車輪輪緣磨耗較大。

圖10 不同動車組車輪輪緣磨耗隨踏面磨耗的變化

3 輪軌型面匹配特性

應(yīng)用3 種標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面（LMA，S1002CN 和XP55 型）分別與TB60，60N 和6 條線路的典型實(shí)測鋼軌型面進(jìn)行匹配，計(jì)算分析等效錐度變化情況如圖11所示。

圖11 3種車輪踏面與不同鋼軌型面匹配的等效錐度變化情況

由圖11可知：LMA，S1002CN 和XP55 型3 種車輪踏面分別與以上所述的8 種鋼軌型面匹配的等效錐度分布范圍分別為0.026～0.034，0.100～0.170 和0.053～0.057；LMA和XP55 型車輪踏面受鋼軌型面變化的影響較小，等效錐度基本保持穩(wěn)定，S1002CN 型車輪踏面受鋼軌型面變化的影響較大，雖然6 條不同線路均采用60D 預(yù)打磨型面打磨，但由于不同作業(yè)單位采用的打磨工藝和方式并不完全相同，使得不同線路區(qū)段實(shí)測的60D鋼軌型面存在差異，致使S1002CN 車輪踏面與某些線路的實(shí)測鋼軌型面匹配時(shí)等效錐度降至0.09，容易引發(fā)低錐度晃車，即二次蛇行失穩(wěn)，影響乘坐舒適性。

使用以上6 列動車組在1 個(gè)鏇輪周期內(nèi)的實(shí)測車輪型面與各線路實(shí)測鋼軌型面匹配計(jì)算等效錐度，通過對8輛車共64個(gè)車輪進(jìn)行計(jì)算，得到平均磨耗和平均等效錐度。1 個(gè)鏇輪周期內(nèi)車輪平均磨耗、平均等效錐度隨服役里程的變化如圖12所示。由圖12可知：貴廣線CRH2A動車組車輪在1個(gè)鏇輪周期內(nèi)的平均等效錐度基本穩(wěn)定在0.03 左右，隨踏面平均磨耗的增大沒有明顯的變化趨勢，武廣線CRH380AL 動車組的平均等效錐度隨踏面平均磨耗的增大呈現(xiàn)一定的減小趨勢，等效錐度由鏇輪初期的0.045 減小到鏇輪末期的0.025，其他4 條線路的平均等效錐度均隨踏面平均磨耗的增大而增大：京滬線CRH380BL 動車組鏇輪末期的平均等效錐度為0.36，哈大線CRH380BG 動車組鏇輪末期的平均等效錐度為0.32，蘭新線CRH2G 動車組鏇輪末期的平均等效錐度為0.19，丹大線CRH5G動車組鏇輪末期的平均等效錐度為0.23。

綜上分析可知，武廣線CRH380AL 型和貴廣線CRH2A 型這2 列動車組車輪磨耗分布范圍較寬，踏面磨耗分布在-30～50 mm 范圍內(nèi)，輪軌均勻接觸，使得等效錐度沒有出現(xiàn)明顯的增大趨勢；其他4 列動車組車輪磨耗分布范圍較小，一般在-25～30 mm范圍內(nèi)，輪軌接觸相對集中，容易形成凹形磨耗，等效錐度增長較快。

輪軌型面匹配等效錐度應(yīng)控制在合理的范圍以內(nèi)，踏面凹形磨耗使得等效錐度增長較快，大于限值后容易引發(fā)高速車輛構(gòu)架橫向振動加速度超限報(bào)警，影響鐵路正常安全運(yùn)輸；等效錐度過小容易引起車輛的低頻橫向晃動問題，使得車輛平穩(wěn)性顯著增大，影響乘坐舒適性。武廣線CRH380AL 型和貴廣線CRH2A 型動車組的車輪等效錐度沒有隨踏面磨耗的增大而增大，有利于車輪鏇修周期的延長，同時(shí)也應(yīng)注意到，武廣線CRH380AL 型動車組的車輪等效錐度持續(xù)降低帶來的低錐度風(fēng)險(xiǎn)。

通過現(xiàn)場跟蹤測試，初步給出了不同動車組鏇輪周期內(nèi)車輪等效錐度的分布范圍，為指導(dǎo)車輪狀態(tài)鏇修提供指導(dǎo)。

4 結(jié) 論

（1）高速鐵路正線鋼軌自然磨耗非常小，對于年通過總重小于11 Mt 的線路，鋼軌垂磨量不足0.01 mm，目前已超過儀器測試精度。鋼軌打磨引起的鋼軌型面變化明顯，最大約占型面變化的90%，型面面積變化68.4%的最大磨耗點(diǎn)集中在軌頭中心偏工作邊0～5 mm 范圍內(nèi)，因此為充分反映高速鐵路鋼軌垂直磨耗的特征，建議將鋼軌垂直磨耗測試位置調(diào)整到距軌頭中心5 mm 處。曲線半徑大于2 495 m 時(shí)，直線和曲線鋼軌磨耗速率基本相當(dāng)，半徑小于800 m 的曲線鋼軌磨耗速率明顯增大。

（2）1 個(gè)鏇輪周期內(nèi)，車輪踏面磨耗隨服役里程的增大而逐漸增大，全列車輪踏面磨耗呈正態(tài)分布特性，隨著運(yùn)行里程的增大，踏面磨耗的離散性逐漸增大。哈大線、蘭新線和丹大線的動車組車輪踏面磨耗較大，踏面平均磨耗速率約為0.05～0.06 mm·（萬km）-1，京滬線、武廣線和貴廣線的動車組車輪踏面平均磨耗速率為0.03～0.035 mm·（萬km）-1。

（3）除個(gè)別動車組車輪輪緣磨耗較大外，其他動車組車輪磨耗主要以踏面磨耗為主，武廣線的CRH380AL 型和貴廣線的CRH2A 型動車組車輪踏面磨耗分布范圍較大，位于-30～50 mm 范圍內(nèi)，其他動車組車輪踏面磨耗分布范圍較小，一般位于-25～30 mm范圍內(nèi)。

（4）LMA，S1002CN 和XP55 型3 種車輪踏面中，S1002CN 型車輪型面易受鋼軌型面變化的影響，LMA和XP55 型車輪型面受鋼軌型面變化的影響較小。我國高速鐵路現(xiàn)場實(shí)測鋼軌型面與TB60型面存在較大差異，主要為60D預(yù)打磨型面和60N型面，但由于現(xiàn)場打磨工藝和方式存在差異，使得不同線路區(qū)段的鋼軌型面存在一定偏差。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼軌型面偏差，確定打磨偏差范圍，在進(jìn)行車輪踏面優(yōu)化或車輛動力學(xué)性能分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮實(shí)測鋼軌型面特征，而不能以TB60 鋼軌型面為基準(zhǔn)。

（5）應(yīng)用實(shí)測車輪與實(shí)測鋼軌型面匹配分析等效錐度變化，武廣線CRH380AL 型和貴廣線CRH2A 型動車組車輪等效錐度在1 個(gè)鏇輪周期內(nèi)沒有顯著的增大趨勢，其他4 列動車組的等效錐度均隨踏面磨耗的增大而增大。造成這種差異的原因主要是，武廣線和貴廣線動車組車輪的磨耗范圍較寬，輪軌接觸點(diǎn)分布均勻，不易形成凹形磨耗，等效錐度變化緩慢，有利于車輪鏇修周期的延長，同時(shí)也應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注武廣線動車組等效錐度持續(xù)降低帶來的低錐度風(fēng)險(xiǎn)。通過現(xiàn)場跟蹤測試，初步給出了不同動車組鏇輪周期內(nèi)的等效錐度分布范圍，為指導(dǎo)車輪狀態(tài)鏇修提供指導(dǎo)。