蔡園武，常崇義，陳 波，林鵬飛

（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 高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)室，北京 100081；3.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

在列車制動(dòng)過程中，制動(dòng)防滑控制不當(dāng)會(huì)造成車輪擦傷，車輪擦傷是車輪踏面常見的一種病害缺陷。列車運(yùn)行時(shí)車輪擦傷會(huì)周期性地撞擊鋼軌，引起輪軌之間較大的垂向力和高頻振動(dòng)，造成輪對(duì)、鋼軌和軌道結(jié)構(gòu)的損壞。車輪擦傷除影響列車運(yùn)行的安全和質(zhì)量外，還增加輪軌噪聲和養(yǎng)護(hù)維修成本[1?3]。

為了確保高速列車運(yùn)行安全，在制定車輪擦傷維修限值規(guī)范[4?5]時(shí)需要考慮車輪擦傷尺寸、運(yùn)行速度及其帶來的輪軌垂向力大小[6]。我國關(guān)于高速車輪踏面擦傷的維護(hù)規(guī)范[7]規(guī)定：不同輪徑下車輪擦傷長度和深度的要求不同，例如對(duì)于輪徑小于840 mm的車輪，擦傷長度不超過25 mm、深度不超過0.25 mm，對(duì)于輪徑大于840 mm的車輪，擦傷長度不超過30 mm、深度不超過0.25 mm；不同的車輪擦傷深度下限速的要求也不同，例如擦傷深度為0.25～0.50 mm時(shí)速度應(yīng)不超過200 km·h?1，擦傷深度為0.5～1.0 mm時(shí)速度應(yīng)不超過120 km·h?1。但是，規(guī)范[7]并沒有給出不同車輪擦傷尺寸、運(yùn)行速度下輪軌垂向力的數(shù)值大小和分布規(guī)律，有必要開展相關(guān)研究。

在過去的幾十年中，車輪擦傷引起的輪軌沖擊和輪軌損傷主要通過仿真手段進(jìn)行分析[8?13]，試驗(yàn)研究較少[14?15]。不同的仿真模型得到的結(jié)果不完全相同，例如任尊松[12]采用三維車輪擦傷模型和車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，研究運(yùn)行速度對(duì)輪軌垂向力的影響，仿真結(jié)果表明：輪軌垂向力在50～150 km·h?1速度范圍內(nèi)隨速度增加而增加，在150～250 km·h?1范圍內(nèi)達(dá)到最大值，然后隨速度增加而減小，不同車輪擦傷長度下輪軌垂向力達(dá)到最大值時(shí)的速度并不相同。由于輪軌滾動(dòng)接觸的復(fù)雜性，在有限的建模精度下用數(shù)值仿真很難指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)營，而現(xiàn)場試驗(yàn)成本太高。因此，有必要開展車輪擦傷沖擊臺(tái)架試驗(yàn)。

本文采用中國鐵道科學(xué)研究院的全尺寸高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行車輪擦傷引起的輪軌沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)車輪為CR400AF型高速列車用車輪，踏面為LMA型，軌道輪廓形為60N鋼軌廓形，試驗(yàn)軸重為15 t，試驗(yàn)臺(tái)采用CR400AF型高速列車用一系懸掛系統(tǒng)。在試驗(yàn)前人工預(yù)制不同長度的車輪擦傷，研究車輪擦傷長度、運(yùn)行速度對(duì)輪軌沖擊的影響。

1 基于高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)的車輪擦傷沖擊試驗(yàn)

1.1 車輪擦傷預(yù)制

預(yù)制車輪擦傷的幾何尺寸設(shè)置參照文獻(xiàn)[12]中圖3及式（4）和式（5），其中擦傷長度是人為設(shè)定的，擦傷深度的計(jì)算依賴于擦傷長度和車輪的滾動(dòng)圓半徑，參照文獻(xiàn)[12]中圖3（a）和式（4），擦傷寬度的計(jì)算依賴于擦傷深度和接觸點(diǎn)處的軌頭半徑，參照文獻(xiàn)[12]中圖3（b）和式（5）。在LMA型踏面車輪和60N廓形鋼軌匹配下，即車輪半徑為460 mm、軌頭半徑為300 mm，確定不同程度的車輪擦傷尺寸，然后根據(jù)擦傷尺寸打磨車輪踏面，如圖1所示。

圖1 預(yù)制的不同程度車輪擦傷照片

1.2 輪軌垂向力和軸箱振動(dòng)加速度的測量

通過粘貼在車軸8 mm圓弧處的8個(gè)應(yīng)變片測量輪軌垂向力，采樣頻率為2 kHz，應(yīng)變片、數(shù)據(jù) 線和數(shù)據(jù)采集單元的安裝布置情況如圖2所示。

圖2 輪軌垂向力測量裝置

通過安裝在軸箱上的振動(dòng)加速度傳感器測量軸箱振動(dòng)加速度，采樣頻率為12.8 kHz。

1.3 試驗(yàn)流程

（1）試驗(yàn)前，用酒精或丙酮清潔車輪與軌道輪接觸表面的污染物，使輪軌接觸表面保持清潔和干燥。

（2）在輪對(duì)一側(cè)的車輪踏面上預(yù)制人工擦傷缺陷。

（3）通過試驗(yàn)臺(tái)垂向作動(dòng)器給輪對(duì)施加軸重，通過橫向作動(dòng)器和搖頭作動(dòng)器控制輪對(duì)與軌道輪的相對(duì)橫移量和搖頭角，均保持為零。

（4）啟動(dòng)軌道輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，輪對(duì)通過輪軌間的摩擦力跟隨軌道輪旋轉(zhuǎn)，直至輪軌接觸點(diǎn)處的速度達(dá)到指定試驗(yàn)速度后，保持穩(wěn)定的試驗(yàn)速度1 min。

（5）記錄和保存試驗(yàn)過程中的輪軌垂向力和軸箱振動(dòng)加速度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 輪軌動(dòng)態(tài)沖擊結(jié)果

不同車輪擦傷長度和試驗(yàn)速度下測量的輪軌垂向力和軸箱振動(dòng)加速度隨時(shí)間的變化規(guī)律基本相同，由于文章篇幅有限，這里僅以40 mm長、32.3 mm寬、0.43 mm深車輪擦傷、試驗(yàn)速度為40 km·h?1時(shí)的結(jié)果為例，展示車輪擦傷沖擊鋼軌時(shí)輪軌垂向力和軸箱振動(dòng)加速度隨時(shí)間的變化。

輪軌垂向力的時(shí)程曲線如圖3所示。從圖3看出：在車輪擦傷沖擊鋼軌前輪軌垂向力最大值為75 kN；車輪擦傷沖擊鋼軌后輪軌垂向力最大值為133 kN，較沖擊前增加約44%；輪軌沖擊在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，并帶來高頻振動(dòng)。

軸箱振動(dòng)加速度的時(shí)程曲線如圖4所示。從圖4看出：在車輪擦傷沖擊鋼軌前軸箱振動(dòng)加速度在0 m·s?2附近，車輪擦傷沖擊鋼軌后軸箱振動(dòng)加速度最大值為913 m·s?2。

圖4 40 km·h-1速度時(shí)軸箱振動(dòng)加速度時(shí)程曲線

軸箱振動(dòng)加速度的時(shí)頻分析如圖5所示。從圖5看出：在車輪擦傷沖擊鋼軌時(shí)不僅有100～500 Hz的中頻振動(dòng)，還有2 000和6 000 Hz左右的高頻振動(dòng)。

圖5 40 km·h-1速度時(shí)軸箱振動(dòng)加速度時(shí)頻分布

軸箱振動(dòng)加速度的衰減趨勢如圖6所示。從圖6看出：輪軌沖擊后軸箱振動(dòng)加速度在很短的時(shí)間內(nèi)迅速衰減，0.05 s后衰減了90%。

圖6 40 km·h-1速度時(shí)軸箱振動(dòng)加速度衰減過程

軸箱振動(dòng)加速度幅值衰減方程可表達(dá)為

式中：aA為軸箱振動(dòng)加速度幅值；t為時(shí)間。

2.2 車輪擦傷長度對(duì)輪軌動(dòng)態(tài)沖擊的影響

由1.1節(jié)可知，車輪擦傷的寬度和深度取決于擦傷長度，因此僅分析車輪擦傷長度對(duì)輪軌垂向力和軸箱振動(dòng)加速度的影響。

不同速度下輪軌垂向力最大值隨車輪擦傷長度的變化關(guān)系如圖7所示。從圖7看出：輪軌垂向力最大值隨車輪擦傷長度的增加逐漸增加，且不同速度下的增加幅度不同；50 km·h?1速度下，輪軌垂向力最大值從擦傷長度為30 mm時(shí)的106 kN增加到70 mm時(shí)的184 kN，增加約74%；400 km·h?1速度下，輪軌垂向力最大值從擦傷長度為30 mm時(shí)的82 kN增加到70 mm時(shí)的90 kN，僅增加約10%。

圖7 輪軌垂向力最大值隨車輪擦傷長度變化關(guān)系

軸箱振動(dòng)加速度最大值隨車輪擦傷長度的變化關(guān)系如圖8所示。從圖8看出：軸箱振動(dòng)加速度最大值也隨車輪擦傷長度的增加逐漸增加，且不同速度下增加的幅度也不同；50 km·h?1速度下，軸箱振動(dòng)加速度最大值從擦傷長度為30 mm時(shí)的544 m·s?2增加到 70 mm時(shí)的1 897 m·s?2，增加約249%；400 km·h?1速度下，軸箱振動(dòng)加速度最大值從擦傷長度為30 mm時(shí)的279 m·s?2增加到70 mm時(shí)的398 m·s?2，僅增加約43%。

圖8 軸箱振動(dòng)加速度最大值隨車輪擦傷長度變化關(guān)系

2.3 運(yùn)行速度對(duì)輪軌動(dòng)態(tài)沖擊的影響

不同擦傷長度下輪軌垂向力最大值隨速度的變化關(guān)系如圖9所示。從圖9看出：輪軌垂向力最大值在0～35 km·h?1速度范圍內(nèi)隨速度增加快速增加，在速度約為35 km·h?1時(shí)達(dá)到最大，然后隨速度增加逐漸減小，在35～200 km·h?1范圍內(nèi)減小較快，而在200～400 km·h?1范圍內(nèi)變化較小；長度小于50 mm的車輪擦傷造成的輪軌垂向力最大不超過156 kN；對(duì)于60 mm長的車輪擦傷，輪軌垂向力最大值從35 km·h?1時(shí)的178 kN減小到400 km·h?1時(shí)的88 kN，減小約51%，輪軌垂向力最大值在32.4～43.4 km·h?1范圍內(nèi)超過限值170 kN（參照“鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范”標(biāo)準(zhǔn)[16]，輪軌垂向力不得超過170 kN），輪軌垂向力超過限值170 kN后將會(huì)對(duì)輪軌系統(tǒng)造成損傷；對(duì)于70 mm長的車輪擦傷，輪軌垂向力最大值從35 km·h?1時(shí)的201 kN減小到400 km·h?1時(shí)的90 kN，減小約55%，輪軌垂向力最大值在24.2～67.6 km·h?1范圍內(nèi)超過170 kN。

圖9 輪軌垂向力最大值隨速度變化關(guān)系

軸箱振動(dòng)加速度最大值隨速度的變化曲線如圖10所示。從圖10看出：軸箱振動(dòng)加速度最大值隨速度的變化規(guī)律與輪軌垂向力最大值基本一致。

圖10 軸箱振動(dòng)加速度最大值隨速度變化曲線

3 車輪擦傷長度和速度管理的安全限界

根據(jù)圖9的結(jié)果，繪制車輪擦傷安全限界分布如圖11所示。從圖11看出：紅色區(qū)域?yàn)檩嗆壌瓜蛄ψ畲笾荡笥?70 kN的區(qū)域，代表危險(xiǎn)區(qū)；黃色區(qū)域?yàn)檩嗆壌瓜蛄ψ畲笾捣秶?50～170 kN的區(qū)域，為過渡區(qū)；綠色和藍(lán)色區(qū)域?yàn)檩嗆壌瓜蛄ψ畲笾敌∮?50 kN的區(qū)域，為安全區(qū)。

圖11 車輪擦傷安全限界分布

紅色危險(xiǎn)區(qū)為舌狀分布，在運(yùn)行中若發(fā)現(xiàn)高速列車車輪擦傷，當(dāng)車輪擦傷長度大于60 mm時(shí)要立即進(jìn)行處理，不建議再上線運(yùn)行；根據(jù)擦傷程度限制車速不能低于一定的速度，或者以低于20 km·h?1速度慢行。

4 結(jié) 論

（1）輪軌垂向力最大值隨車輪擦傷長度的增加而增加。在60 mm長車輪擦傷下，輪軌垂向力最大值在35 km·h?1速度附近已經(jīng)超過170 kN的安全限值。

（2）輪軌垂向力最大值在0～35 km·h?1速度范圍內(nèi)隨速度的增加快速增加，在約35 km·h?1速度時(shí)達(dá)到最大，然后隨速度的增加逐漸減小，在35～200 km·h?1范圍內(nèi)減小較快，而在200～400 km·h?1范圍內(nèi)變化較小。車輪擦傷沖擊下軸箱振動(dòng)加速度最大值的變化規(guī)律與輪軌垂向力最大值基本一致。

（3）在車輪擦傷與鋼軌發(fā)生沖擊時(shí)，不僅有100～500 Hz的中頻振動(dòng)，還有2 000和6 000 Hz左右的高頻振動(dòng)。車輪擦傷與鋼軌發(fā)生沖擊后很短的時(shí)間內(nèi)，輪軌垂向力和軸箱振動(dòng)加速度迅速衰減。

（4）從車輪擦傷安全限界分布發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)為舌狀分布，中低速運(yùn)行更容易引起較大輪軌沖擊。在列車運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)高速列車車輪擦傷，當(dāng)車輪擦傷長度大于60 mm時(shí)要立即進(jìn)行處理，不建議再上線運(yùn)行，并根據(jù)擦傷程度控制車速盡可能避開25～70 km·h?1。