趙長(zhǎng)雨，趙鑫，許世杰，王鵬，溫澤峰，謝毅

(1. 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

城際高速鐵路和城際軌道交通是我國(guó)“新基建”的核心內(nèi)容之一，是適應(yīng)城市群、區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過(guò)程中通勤客流井噴的戰(zhàn)略發(fā)展方向。城際鐵路的核心移動(dòng)裝備是最高運(yùn)行速度200 km/h的城際動(dòng)車(chē)組，具有速度中高、載客量大、快啟快停、快速乘降、頻繁啟停的顯著特點(diǎn)[1]，且運(yùn)行線(xiàn)路常含有小半徑曲線(xiàn)等困難路段?？傮w而言，城際輪軌系統(tǒng)服役環(huán)境往往較干線(xiàn)高速鐵路更為復(fù)雜，輪軌作用更激烈。運(yùn)營(yíng)實(shí)踐也表明，城際動(dòng)車(chē)組車(chē)輪會(huì)發(fā)生磨耗速率高、滾動(dòng)接觸疲勞、碾邊等諸多問(wèn)題[2?3]。本文針對(duì)我國(guó)某型城際動(dòng)車(chē)組的車(chē)輪磨耗，研究其車(chē)輪廓形演化的特點(diǎn)、磨耗速率及影響因素。輪軌接觸、閘瓦-車(chē)輪接觸和研磨子?車(chē)輪接觸界面是現(xiàn)代軌道交通車(chē)輪磨損的3 個(gè)根源。因輪軌間復(fù)雜接觸行為，輪軌作用可導(dǎo)致輪緣和踏面磨耗，而閘瓦和研磨子作用僅導(dǎo)致踏面磨耗。對(duì)于城際和高速動(dòng)車(chē)組而言，普遍采用盤(pán)形制動(dòng)，故其車(chē)輪磨耗由輪軌和研磨子-車(chē)輪接觸決定。我國(guó)高速軌道多為大半徑曲線(xiàn)和直線(xiàn)，且平直度高，列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)，踏面接觸位置及所導(dǎo)致磨耗主要發(fā)生在名義滾動(dòng)圓附近，易引發(fā)踏面 凹 坑 磨 耗[4?5]。JENDEL 等[6?7]跟 蹤 測(cè) 試 斯 德 哥 爾摩鐵路通勤線(xiàn)(最高速度140 km/h，最小曲線(xiàn)半徑338 m)客車(chē)，發(fā)現(xiàn)車(chē)輪磨耗主要發(fā)生在?50～40 mm 范圍內(nèi)(0 mm 對(duì)應(yīng)名義滾動(dòng)圓，即踏面局部坐標(biāo)的原點(diǎn)，輪緣側(cè)取負(fù)值)，踏面最外側(cè)(40～60 mm)幾乎無(wú)磨耗。SHI 等[8]統(tǒng)計(jì)了CRH380 高速動(dòng)車(chē)組3 個(gè)鏇修周期(共計(jì)81 萬(wàn)km)內(nèi)的車(chē)輪磨耗跟蹤數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)踏面區(qū)域表現(xiàn)為凹坑磨耗，3 個(gè)周期內(nèi)的車(chē)輪踏面磨耗速率(定義在名義滾動(dòng)圓處)分別為0.15，0.17 和0.23 mm/萬(wàn)km，另外多條線(xiàn)路動(dòng)車(chē)組車(chē)輪同樣在踏面?20～20 mm 區(qū)域內(nèi)形成了凹坑磨耗[9?11]。輪緣磨耗與曲線(xiàn)通過(guò)緊密相關(guān)，當(dāng)左、右曲線(xiàn)長(zhǎng)度存在明顯差異時(shí)(尤其小半徑曲線(xiàn))，會(huì)造成兩側(cè)車(chē)輪輪緣磨耗差異明顯，即偏磨，常見(jiàn)于地鐵和城際線(xiàn)路[3,12]。閘瓦-車(chē)輪界面多存在于地鐵車(chē)輛和貨車(chē)，亦是重要研究對(duì)象。付建鵬等[13]發(fā)現(xiàn)，電?空制動(dòng)方案不合理會(huì)導(dǎo)致拖車(chē)車(chē)輪發(fā)生階梯狀異常磨耗。李霞等[14]發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)閘瓦晃動(dòng)、作用壓力過(guò)大、制動(dòng)頻繁等會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪出現(xiàn)W 形異常磨耗。研磨子在車(chē)輪上的作動(dòng)方式與閘瓦類(lèi)似，初衷是清掃踏面和改善黏著水平[15]。研究表明，研磨子修型的同時(shí)，另有一定消除車(chē)輪非圓化的作用[16]。本文針對(duì)我國(guó)某型城際動(dòng)車(chē)組，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤觀(guān)測(cè)和數(shù)值分析，分析研磨子作用對(duì)車(chē)輪磨耗的影響，為未來(lái)優(yōu)化研磨子作用提供必要參照。

1 城際動(dòng)車(chē)組車(chē)輪磨耗測(cè)試

為摸清某型城際動(dòng)車(chē)組的車(chē)輪服役行為，在我國(guó)南方某城際線(xiàn)路上開(kāi)展始于2017 年11 月的跟蹤測(cè)試(截至2020 年10 月仍在進(jìn)行)。從研磨子研究的角度而言，該測(cè)試可大致分為2 個(gè)階段，第1階段采用動(dòng)車(chē)組的出廠(chǎng)設(shè)置，目的是摸清車(chē)輪服役表現(xiàn)并提出改進(jìn)措施(相關(guān)背景和具體措施參見(jiàn)[3])，第2 階段測(cè)試重在驗(yàn)證改進(jìn)措施的效果。本節(jié)重在展示第1階段試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)推論。

第1 階段涵蓋了18 列動(dòng)車(chē)組，先后共測(cè)試了34 列次車(chē)輪廓形。作為對(duì)比，下文也列出了調(diào)研的250和350 km/h速度級(jí)高速干線(xiàn)動(dòng)車(chē)組的測(cè)試結(jié)果。車(chē)輪磨耗量為實(shí)測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)廓形之差，具體由踏面磨耗W0(0 mm處)和W30(30 mm處)表征。

1.1 磨耗測(cè)試結(jié)果

圖1展示了某城際動(dòng)車(chē)組在鏇后15.33萬(wàn)km 時(shí)所有車(chē)輪的平均廓形和磨耗橫向分布。作為對(duì)比，2 列最高運(yùn)行速度為250 km/h 和350 km/h 的干線(xiàn)高速動(dòng)車(chē)組的相應(yīng)測(cè)試結(jié)果也示于圖中，測(cè)試時(shí)它們的鏇后里程為14.64 萬(wàn)km 和15.42 萬(wàn)km。3 列動(dòng)車(chē)組均為跟蹤測(cè)試，圖1僅展示1次測(cè)試結(jié)果。

圖1 3列不同速度級(jí)動(dòng)車(chē)組實(shí)測(cè)型面及磨耗量對(duì)比Fig.1 Comparison of measured profile and wear of three EMUs with different speed grades

由圖1 可見(jiàn)，250 km/h 和350 km/h 動(dòng)車(chē)組的踏面磨耗量及其分布(?30～50 mm 區(qū)域內(nèi))相似，集中在名義滾動(dòng)圓附近(?20～20 mm)。城際動(dòng)車(chē)組則不同，其踏面磨耗具有以下2個(gè)特征：1)磨耗量遠(yuǎn)大于2 列干線(xiàn)動(dòng)車(chē)組，最大值相差4.83 倍(具體值分別為3.43，0.72和0.71 mm)；2)最大磨耗發(fā)生在踏面外側(cè)(20～50 mm)，而非名義滾動(dòng)圓附近。需說(shuō)明，圖1 中3 列動(dòng)車(chē)組均采用LMA 型面，配有研磨子，但運(yùn)行速度、運(yùn)行線(xiàn)路不同。

1.2 磨耗速率估計(jì)

基于圖1 中3 列動(dòng)車(chē)組車(chē)輪歷次測(cè)試的平均磨耗量(其他結(jié)果未展示)，得到如圖2 所示的車(chē)輪磨耗速率?？梢?jiàn)，城際動(dòng)車(chē)組的W0和W30磨耗速率分別 是0.183 mm/萬(wàn)km 和0.227 mm/萬(wàn)km，是250 km/h 干線(xiàn)動(dòng)車(chē)組的5.6 倍和15.1 倍，或350 km/h 干線(xiàn)動(dòng)車(chē)組的5.5 倍和19.9 倍。值得指出，城際動(dòng)車(chē)組的W0磨耗速率比W30小0.044 mm/萬(wàn)km；而250 km/h 和350 km/h 干線(xiàn)高速動(dòng)車(chē)組則相反，W0分別比W30大0.017 mm/萬(wàn)km和0.022 mm/萬(wàn)km。

圖2 3列不同速度級(jí)動(dòng)車(chē)組車(chē)輪磨耗速率對(duì)比Fig.2 Comparison of wheel wear rate of three EMUs with different speed grades

由上述結(jié)果可知，與干線(xiàn)動(dòng)車(chē)組相比，城際動(dòng)車(chē)組車(chē)輪的磨耗速率更大，且橫向分布也存在顯著差異，導(dǎo)致了其不同的廓形演化特征。換言之，城際動(dòng)車(chē)組車(chē)輪的使用壽命更低，這大大增加了其運(yùn)營(yíng)成本。因此，有必要探究影響城際動(dòng)車(chē)組車(chē)輪演化的主要因素。

2 車(chē)輪廓形演化影響因素探究

在第2階段跟蹤測(cè)試中，針對(duì)同一線(xiàn)路上運(yùn)行的1 列動(dòng)車(chē)組開(kāi)展為期2 個(gè)鏇修周期的試驗(yàn)。該動(dòng)車(chē)組1～4 和5～8 車(chē)分別使用了LMA 和LM 2 種型面，并配備了相應(yīng)的抗蛇行減振器，也更改了研磨子工作模式和材質(zhì)，以探究它們對(duì)車(chē)輪磨耗和廓形演化的影響。

2.1 初始型面的影響

圖3(a)展示了第1 個(gè)鏇修周期內(nèi)(運(yùn)行18.74 萬(wàn)km，時(shí)長(zhǎng)6 個(gè)月)，裝配LMA 型面的32 個(gè)車(chē)輪在5個(gè)不同鏇后里程下的平均磨耗分布，以及15.15 萬(wàn)km 時(shí)的典型車(chē)輪踏面照片。圖中黑色實(shí)線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)型面，彩色實(shí)線(xiàn)為歷次測(cè)試的磨耗型面，而彩色虛線(xiàn)為相應(yīng)的磨耗量分布。裝配LM 型面的32 個(gè)車(chē)輪的相應(yīng)結(jié)果示于圖3(b)。可見(jiàn)，2 種型面車(chē)輪踏面區(qū)域的磨耗分布非常類(lèi)似，呈馬鞍形分布。根據(jù)磨耗分布，車(chē)輪踏面可大致分成3個(gè)區(qū)域：磨耗量居中的①區(qū)(?30～?10 mm)，表面呈現(xiàn)光亮色，靠近輪緣部分帶有微銹；磨耗量最小的②區(qū)(?10～20 mm，名義滾動(dòng)圓附近)，表面呈暗紅色；磨耗量最大的③區(qū)(20～50 mm)，表面新鮮光亮，存在明顯的車(chē)輪周向犁溝。

圖3 中不同運(yùn)行里程下W0和W30的平均值示于圖4 之中?？梢?jiàn)，2 種踏面的磨耗量均隨里程的增加而大致線(xiàn)性增加，且LMA 型面的磨耗率稍大于LM 型面。具體而言，LMA型面W0和W30對(duì)應(yīng)的平均磨耗速率分別是0.22 mm/萬(wàn)km 和0.25 mm/萬(wàn)km，而LM 型面相應(yīng)為0.20 mm/萬(wàn)km 和0.24 mm/萬(wàn)km，磨耗速率稍降低。需指出，該動(dòng)車(chē)組中LMA 型面車(chē)輪的磨耗速率與圖2所示結(jié)果略有差異，這是不同車(chē)在不同時(shí)段內(nèi)測(cè)量結(jié)果的正常波動(dòng)。

圖3 采用2種初始型面的某城際動(dòng)車(chē)組試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of an intercity EMU with two initial wheel profiles

圖4 某城際動(dòng)車(chē)組上2種型面在不同里程下的磨耗量Fig.4 Wheel wear of an intercity EMU with two initial wheel profiles under different mileages

總之，將城際動(dòng)車(chē)組初期使用的LMA 型面更換成LM 型面，雖然可以稍稍降低磨耗速率，但降低后的磨耗速率依然遠(yuǎn)大于圖2中所示的干線(xiàn)動(dòng)車(chē)組，即型面對(duì)動(dòng)車(chē)組車(chē)輪磨耗的影響不大。

2.2 研磨子工作模式和材料屬性的影響

按照動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)，研磨子在動(dòng)車(chē)組每次制動(dòng)時(shí)動(dòng)作，直至速度降至30 km/h 時(shí)為止。另外，檢測(cè)到車(chē)輪空轉(zhuǎn)和滑行后，也開(kāi)啟研磨子作用。第1鏇修周期內(nèi)，研磨子采用持續(xù)高壓工作模式，即以0.49 MPa 壓力使研磨子持續(xù)作用在車(chē)輪踏面上，直至停止踏面清掃。第2鏇修周期內(nèi)，運(yùn)行2.16萬(wàn)km 后改為間歇低壓作用，即以0.3 MPa 壓力使研磨子貼緊踏面20 s，之后緩解10 s，再重復(fù)上述作用，直至停止清掃，同時(shí)，更換不同材質(zhì)的研磨子，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試知，第1 鏇修周期研磨子硬度在380 HB 左右，第2 鏇修周期內(nèi)更換后硬度在250 HB左右。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，運(yùn)行18.36萬(wàn)km 的第1個(gè)鏇修周期內(nèi)，1～4 車(chē)(LMA 型面)更換136 塊研磨子，5～8 車(chē)(LM 型面)更換118 塊研磨子，即每個(gè)LMA和LM 車(chē)輪平均更換4.25 塊和3.68 塊。由圖5 中詳細(xì)的研磨子使用里程可見(jiàn)，絕大部分研磨子僅可運(yùn)行使用3～5萬(wàn)km。

圖5 測(cè)試城際動(dòng)車(chē)組在第1鏇修周期內(nèi)的研磨子使用里程分布Fig.5 Mileage distribution of the tread trimmers used for tracked intercity EMU during the first reprofiling interval

需指出，與動(dòng)車(chē)所交流得知，第1鏇修周期內(nèi)的研磨子消耗情況與其他列車(chē)基本相同。然而，干線(xiàn)動(dòng)車(chē)組的既有研磨子使用記錄顯示，其服役壽命通常在10 萬(wàn)km 以上[17]。這說(shuō)明所測(cè)試城際動(dòng)車(chē)組的研磨子消耗過(guò)大，服役壽命偏短。

依據(jù)前面所述的研磨子作用模式推斷，城際動(dòng)車(chē)組研磨子消耗過(guò)大的直接原因應(yīng)該是運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的頻繁啟停，根本原因是城際線(xiàn)路的站間距過(guò)短。統(tǒng)計(jì)所跟蹤動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行線(xiàn)路情況發(fā)現(xiàn)，線(xiàn)路全長(zhǎng)117 km，共設(shè)18 個(gè)站點(diǎn)，平均站間距僅為6.9 km。統(tǒng)計(jì)該動(dòng)車(chē)組在連續(xù)146 d 內(nèi)擔(dān)任的122 個(gè)運(yùn)行交路發(fā)現(xiàn)，其停車(chē)間距最大71 km，最小3 km，平均23.98 km。

研磨子工作模式和材質(zhì)更改對(duì)車(chē)輪磨耗的影響示于圖6之中。圖中LM 車(chē)輪結(jié)果為全部32個(gè)輪的平均值，而LMA 車(chē)輪結(jié)果僅為4 車(chē)8 個(gè)輪的平均值(其他車(chē)廂在跟蹤期間發(fā)生了換輪、鏇修等，故略去)?？梢?jiàn)，幾乎相同的運(yùn)行里程下，第2 鏇修周期內(nèi)的車(chē)輪磨耗量大大降低，LM 和LMA 的W0平均值分別從1.83 mm 和1.95 mm 降低至1.14 mm和1.12 mm，降幅約為37.70%和42.56%。為方便讀者，初始LMA和LM型面也示于圖中。

圖6 不同工作模式下車(chē)輪磨耗對(duì)比，結(jié)果分別取自第1和第2鏇修周期Fig.6 Comparison of wheel wear based on the first and second reprofiling interval under different operation modes

圖7 進(jìn)一步展示了2 種研磨子工作模式下，不同里程時(shí)2種廓形車(chē)輪的平均磨耗率，其中持續(xù)高壓的結(jié)果取自圖4，間歇低壓結(jié)果源自第2 鏇修周期2.16 萬(wàn)km 之后的歷次跟蹤測(cè)試?？梢?jiàn)，LM 和LMA 車(chē)輪W0對(duì)應(yīng)的平均磨耗率值分別從0.20 mm/萬(wàn)km 和0.22 mm/萬(wàn)km 降 低 至0.10 mm/萬(wàn)km和0.08 mm/萬(wàn)km，降幅約為50.00%和63.63%(圖6中第2 鏇修周期包含前2.16 萬(wàn)km 持續(xù)高壓作用，從中得出的磨耗降幅與這里略有差異)，W30平均值分別從0.24 mm/萬(wàn)km 和0.25 mm/萬(wàn)km 降低至0.05 mm/萬(wàn)km和0.04 mm/萬(wàn)km，降幅約為79.16%和84.00%。

圖7 不同工作模式下車(chē)輪磨耗速率對(duì)比，結(jié)果分別取自第1和第2鏇修周期Fig.7 Comparison of wear rate based on the first and second reprofiling interval under different operation modes

總之，研磨子頻繁的長(zhǎng)時(shí)、高壓作用和硬度大應(yīng)該是造成城際動(dòng)車(chē)組車(chē)輪踏面磨耗過(guò)快的主因。

3 2種車(chē)輪磨耗分量估計(jì)

如上所述，城際動(dòng)車(chē)組車(chē)輪磨耗由輪軌相互作用和研磨子-車(chē)輪相互作用共同決定，以下分別稱(chēng)為輪軌磨耗分量和研磨子磨耗分量。基于跟蹤測(cè)試的車(chē)輪磨耗，本節(jié)估算上述2種車(chē)輪磨耗分量的大小。鑒于2 種型面的結(jié)果類(lèi)似，下面僅以L(fǎng)M型面為例展示。

3.1 車(chē)輪接觸分析

3.1.1 輪軌接觸點(diǎn)對(duì)

輪軌接觸造成的磨耗僅發(fā)生在能與鋼軌接觸的區(qū)域內(nèi)。選取圖3(b)中16.52萬(wàn)km 時(shí)平均磨耗型面，分別與動(dòng)車(chē)組運(yùn)行線(xiàn)路上實(shí)測(cè)的典型直、曲線(xiàn)磨耗軌匹配，計(jì)算了不同輪對(duì)橫移下的輪軌接觸點(diǎn)對(duì)，見(jiàn)圖8。其中，軌距為1 435 mm，輪背距為1 353 mm，軌底坡為1:40，車(chē)輪名義滾動(dòng)圓半徑為430 mm，忽略搖頭角，橫移間隔為1 mm，輪對(duì)向右橫移取正。

圖8 輪軌接觸點(diǎn)對(duì)圖Fig.8 Wheel-rail contact point diagram

可見(jiàn)，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行在直線(xiàn)時(shí)，車(chē)輪主要在踏面名義滾動(dòng)圓附近?10～10 mm 位置與鋼軌接觸。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行在R400 m 小半徑左曲線(xiàn)時(shí)，輪對(duì)向高軌側(cè)橫移，此時(shí)的踏面接觸依然集中在名義滾動(dòng)圓附近，大橫移導(dǎo)致高軌側(cè)輪緣根部與鋼軌接觸。但是，車(chē)輪踏面30～50 mm 區(qū)域不太可能與鋼軌接觸，也就不會(huì)存在相應(yīng)的輪軌磨耗分量。

3.1.2 車(chē)輪?研磨子界面

研磨子在車(chē)輪踏面的接觸區(qū)域決定了研磨子磨耗分量在車(chē)輪踏面上的分布。新研磨子與車(chē)輪踏面有磨合過(guò)程，隨接觸次數(shù)的增加，研磨子和車(chē)輪踏面接觸面積逐漸增大。圖9 是第1 鏇修周期15.15 萬(wàn)km 時(shí)，實(shí) 測(cè)LM 型面(7 車(chē)3 軸6 輪)與對(duì)應(yīng)使用到限研磨子實(shí)測(cè)幾何結(jié)果?？梢?jiàn)，兩者接觸面幾何接近重合，覆蓋了車(chē)輪踏面?31～52 mm 的區(qū)域。

圖9 研磨子和車(chē)輪貼合示意圖Fig.9 Schematic diagram of tread trimmer and wheel fitting

3.1.3 小結(jié)

基于上述輪軌和車(chē)輪?研磨子接觸界面分析，進(jìn)一步考慮到接觸斑的尺寸，可以推斷，車(chē)輪踏面30～50 mm 區(qū)域內(nèi)的磨耗應(yīng)該由研磨子磨耗分量主導(dǎo)，而?30～30 mm 區(qū)域是兩種磨耗分量共同作用的結(jié)果。

3.2 磨耗分量估計(jì)

3.2.1 估計(jì)方法

結(jié)合列車(chē)運(yùn)行實(shí)際，定義城際動(dòng)車(chē)組平均停車(chē)間距23.98 km 為單位段長(zhǎng)，最高速度194 km/h(站間勻速段)。進(jìn)一步假設(shè)，每個(gè)停車(chē)間距中研磨子僅在進(jìn)站停車(chē)時(shí)作用1 次，取制動(dòng)減速度a=?0.31 m/s2，低于30 km/h停止作用，則每次作用距離為4 571.88 m。持續(xù)高壓(A)和間歇低壓(B)作用模式對(duì)應(yīng)的研磨子作用示意圖見(jiàn)圖10。

圖10 研磨子的持續(xù)高壓和間歇低壓工作模式示意圖Fig.10 Schematic diagram of mode about tread trimmer consecutively operating in the high pressure and intermittently operating in the low pressure way

第1 鏇修周期內(nèi)總磨耗量分布WT1(x)為最后一次測(cè)試(鏇后16.52 萬(wàn)km)與第1 次測(cè)試(鏇后0 萬(wàn)km)的廓形差，期間運(yùn)行了6 889.07 個(gè)單位段長(zhǎng)。則單位段長(zhǎng)內(nèi)踏面任意位置處平均磨耗量W(單位：mm)為：

式中：Wr和Wb分別為單位段長(zhǎng)輪軌和研磨子磨耗分量，mm；下標(biāo)1 表示第1 鏇修周期，上標(biāo)A 對(duì)應(yīng)研磨子持續(xù)高壓模式。這里僅關(guān)注踏面?30～50 mm范圍。

進(jìn)一步假設(shè)研磨子磨耗分量與施加壓力(P)和作用距離(L)之積成正比，則假使第1 鏇修周期中采用間歇低壓模式(B)時(shí)的研磨子磨耗分量為：

第2 鏇修周期改進(jìn)措施之后，由總磨耗差WT2(x)和對(duì)應(yīng)3 786.49 個(gè)單位段長(zhǎng)(鏇后2.16 萬(wàn)～11.24萬(wàn)km)可計(jì)算單位段長(zhǎng)內(nèi)踏面任意位置處平均磨耗量為：

式中：下標(biāo)2 表示第2 鏇修周期，上標(biāo)B 對(duì)應(yīng)研磨子間歇低壓模式。

顯然，WBb1(x)和WBb2(x)之間的差異由不同研磨子材質(zhì)決定，為確定2種材質(zhì)研磨子所致車(chē)輪磨耗速率(f)比值，做如下計(jì)算：鑒于踏面30～50 mm區(qū)域由研磨子磨耗分量主導(dǎo)，因此可假設(shè)踏面30～50 mm 區(qū)域平均磨耗量W和研磨子磨耗分量Wb相等，即：

此即為第1 鏇修周期單位段長(zhǎng)研磨子磨耗分量，第2 鏇修周期的相應(yīng)結(jié)果由式(7)進(jìn)一步得到。把所得研磨子磨耗分量代入式(1)或(3)，即得到單位段長(zhǎng)的輪軌磨耗分量。

3.2.2 結(jié)果

采用上面的估計(jì)方法，得到2個(gè)鏇修周期磨耗分量分布結(jié)果如圖11 所示。研磨子磨耗分量分布呈現(xiàn)中間低兩端高的特點(diǎn)，輪軌磨耗分量分布在名義滾動(dòng)圓附近，呈現(xiàn)中間高兩端低的特點(diǎn)，兩者共同作用為總磨耗量，即圖中頂部虛線(xiàn)。2 個(gè)鏇修周期內(nèi)單位段長(zhǎng)的研磨子磨耗分量W0-b分別為2.93×10?4mm 和5.49×10?5mm，W30-b分 別為5.73×10?4mm 和1.08×10?4mm，0 和30 mm 處第2 周期相比第1 周期分別降低81.26%和81.15%，輪軌磨耗分 量W0-r均 為1.87×10?4mm，W30-r均 為2.23×10?6mm。

圖11 單位段長(zhǎng)2種車(chē)輪磨耗分量Fig.11 Two kinds of wheel wear components per unit length

將單位段長(zhǎng)下磨耗量折算為每萬(wàn)km 磨耗量，可知2 個(gè)鏇修周期研磨子磨耗速率W0-b分別為0.12mm/萬(wàn)km 和0.02 mm/萬(wàn)km，W30-b分 別 為0.24mm/萬(wàn)km 和0.05 mm/萬(wàn)km，輪軌磨耗速率W0-r約為0.08 mm/萬(wàn)km，W30-r接近0。

4 結(jié)論

1) 與干線(xiàn)動(dòng)車(chē)組相比，城際動(dòng)車(chē)組車(chē)輪的磨耗速率更大，最大差5.6 倍，最大磨耗發(fā)生于踏面外側(cè)(20～50 mm)，而非名義滾動(dòng)圓附近。研磨子頻繁作用和硬度過(guò)大是造成磨耗過(guò)快的主因。

2) 研磨子不變的前提下，變更LMA 和LM 型面對(duì)車(chē)輪磨耗基本無(wú)影響。更換研磨子工作模式和材質(zhì)后，磨耗速率明顯下降，表面狀態(tài)良好。

3) 由接觸分析發(fā)現(xiàn)，踏面30～50 mm 區(qū)域磨耗由研磨子磨耗分量主導(dǎo)，而?30～30 mm 區(qū)域是研磨子和輪軌2種磨耗分量共同作用的結(jié)果。

4)對(duì)于LM 型面，研磨子和輪軌2 種磨耗分量的估計(jì)結(jié)果如下：2 個(gè)周期內(nèi)研磨子磨耗分量的磨耗 速 率W0-b為0.12 mm/萬(wàn)km 和0.02 mm/萬(wàn)km，W30-b為0.24 mm/萬(wàn)km 和0.05 mm/萬(wàn)km；輪軌磨耗分量的磨耗速率W0-r約為0.08 mm/萬(wàn)km，W30-r接近0。