李國棟

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

隨動車組運(yùn)行里程的增加，車輪輪緣厚度由于磨耗逐漸減小，達(dá)到一定里程時需要及時對車輪進(jìn)行旋修，以滿足車輛在不同線路條件下運(yùn)行時的安全性和平穩(wěn)性要求［1］。僅以原型方案進(jìn)行旋修，需要同時恢復(fù)輪緣和踏面常工作區(qū)，根據(jù)實(shí)際車輪旋修作業(yè)，每提高1 mm 輪緣厚度，車輪直徑方向需要切削6～7 mm，造成大量不必要的浪費(fèi)，大幅縮短車輪使用壽命，如圖1 所示。因此在動車組車輪運(yùn)用過程中優(yōu)先考慮恢復(fù)影響車輛動力學(xué)性能的踏面工作區(qū)，采用經(jīng)濟(jì)性旋修方案進(jìn)行旋修。

圖1 車輪旋修示意

目前我國投入運(yùn)營的動車組逐年增多，從車輪旋修的角度如何在保證車輛運(yùn)行安全的前提下減小車輪維護(hù)成本，延長車輪使用壽命是我國廣大鐵路工作者面臨的重大挑戰(zhàn)。劉新明［2］通過大量調(diào)研，總結(jié)了采用經(jīng)濟(jì)性旋修初期出現(xiàn)的各類問題，評估了我國車輛車輪經(jīng)濟(jì)旋修的優(yōu)缺點(diǎn)。董孝卿和王悅明等［3-5］研究了薄輪緣踏面設(shè)計在歐洲的應(yīng)用，并設(shè)計了S1002CN 型、LMD型踏面薄輪緣經(jīng)濟(jì)旋修方案，利用高次曲線連接輪緣與踏面的過渡，實(shí)現(xiàn)輪緣減薄的目的，并通過車輪磨耗量的跟蹤測試，提出了旋修策略。李秋澤［6］利用仿真設(shè)計了XP55 型踏面薄輪緣經(jīng)濟(jì)旋修方案，并通過了現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，提高了旋修經(jīng)濟(jì)性。

國外學(xué)者在車輪踏面優(yōu)化設(shè)計方面做了許多工作。Heller［7］以降低輪軌磨耗為目標(biāo)對車輪踏面進(jìn)行閉環(huán)程序設(shè)計，通過仿真計算對既有踏面和優(yōu) 化 踏 面 進(jìn) 行 了 對 比 驗(yàn) 證；Smith 和Kalousek［8］從優(yōu)化輪軌匹配關(guān)系的角度研發(fā)了圓弧形踏面的優(yōu)化 設(shè) 計 程 序；Persson 和Iwnicki［9］基 于 遺 傳 算 法 開發(fā)了車輪踏面優(yōu)化設(shè)計程序，針對一系剛性轉(zhuǎn)向架和一系彈性轉(zhuǎn)向架分別優(yōu)化了2 種踏面；Wu Huimin［10］以鋼軌型面為基礎(chǔ)，提出了直接擴(kuò)展車輪踏面優(yōu)化方法，并在倫敦地鐵取得了良好的應(yīng)用效果；Polach［11］充分分析了輪軌匹配關(guān)鍵參數(shù)如等效錐度、接觸角等之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出以優(yōu)化等效錐度和接觸范圍為目標(biāo)的車輪踏面設(shè)計方法；Shevtsov 和Markine［12-13］基 于 大 量 實(shí) 測 車 輪 踏面和鋼軌廓形運(yùn)用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出了車輪逆向設(shè)計方法；Haque［14］考慮輪軌匹配非線性，采用最優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行踏面外形設(shè)計，并進(jìn)行了仿真計算驗(yàn)證。

改進(jìn)的LMB_10型車輪踏面，通過等效錐度分區(qū)控制設(shè)計，有效解決原型踏面存在的車輛蛇行和抖動等異常振動問題。文中在踏面設(shè)計時總結(jié)了既有動車組踏面設(shè)計時出現(xiàn)的車輛異?；蝿訂栴}［3］，避免類似故障的發(fā)生。此外利用動力學(xué)仿真，從車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、安全性3 方面對新設(shè)計踏面進(jìn)行了驗(yàn)證；并在試驗(yàn)驗(yàn)證階段對車輪磨耗及轉(zhuǎn)向架振動進(jìn)行跟蹤。

1 LMB_10 型車輪踏面

LMB_10型車輪踏面在S1002CN 車輪踏面基礎(chǔ)上，對等效錐度進(jìn)行分區(qū)控制，如圖2 所示。根據(jù)踏面不同區(qū)域等效錐度的差異將車輪踏面劃分3部分，即設(shè)計錐度區(qū)（踏面常工作區(qū)）、高錐度區(qū)、低錐度區(qū)。優(yōu)化設(shè)計的原則為：保持常工作區(qū)內(nèi)原踏面設(shè)計錐度不變，減小高錐度區(qū)錐度，增大低錐度區(qū)錐度，具體如下：

圖2 踏面等效錐度分區(qū)控制

（1）設(shè)計錐度區(qū)與S1002CN 車輪踏面基本相當(dāng)。

（2）在高錐度區(qū)減小輪緣厚度從而增大輪軌間隙，為減小車輪橫移量過大時喉根圓與鋼軌軌肩角匹配的等效錐度，適當(dāng)降低喉根圓處的廓形斜率，避免抖車、報警問題。

（3）為增大車輪橫移量過大時踏面端部與鋼軌軌頂匹配的等效錐度，提高踏面端部廓形斜率，避免晃車問題。

文獻(xiàn)［15-16］詳細(xì)闡述了LMB_10型車輪踏面設(shè)計方案，并通過仿真和線路試驗(yàn)證明，該改進(jìn)車輪踏面有效改善車輛的蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和曲線通過性，具有良好的動力學(xué)性能，這里不過多闡述。

2 經(jīng)濟(jì)旋修方案設(shè)計

既有運(yùn)營動車組旋修時，保持原踏面形狀、適當(dāng)降低輪緣厚度進(jìn)行踏面經(jīng)濟(jì)性旋修，中車四方所在S1002CN 原型踏面基礎(chǔ)上設(shè)計了CN 型薄輪緣車輪外形，共計19 個型面，對應(yīng)輪緣厚度從34.5 mm 至26 mm 變化［16］。與原型相比，薄輪緣外形保持常工作區(qū)踏面外形、輪緣高度不變，利用高次曲線實(shí)現(xiàn)不同厚度的輪緣根部過渡，在滿足運(yùn)用和維修要求基礎(chǔ)上，減小了車輪旋修量，具有經(jīng)濟(jì)性。

參考CN 型薄輪緣車輪外形設(shè)計方法，改進(jìn)LMB_10型踏面薄輪緣踏面外形在設(shè)計時保持常工作區(qū)踏面外形、輪緣高度不變，僅對輪緣厚度部分做了調(diào)整，每間隔0.5 mm 為1 個梯度，自輪緣厚度32～26 mm，共計13 個型面，同時考慮QR 值大于6.5 mm 的 要求，如圖3 所 示。

圖3 薄輪緣經(jīng)濟(jì)性踏面

與原型方案相比改進(jìn)踏面薄輪緣經(jīng)濟(jì)性旋修方案在踏面橫向坐標(biāo)-27～65 mm 范圍內(nèi)廓形相同，該區(qū)域?yàn)檩嗆壋＝佑|區(qū)；在踏面橫向坐標(biāo)-70～-27 mm 范圍內(nèi)利用不同圓弧連接過渡以實(shí)現(xiàn)輪緣厚度減薄。

3 薄輪緣踏面輪軌接觸幾何關(guān)系分析

將改進(jìn)踏面薄輪緣踏面分別與標(biāo)準(zhǔn)CN60 鋼軌廓形匹配進(jìn)行等效錐度和接觸角差計算，如圖4所示。在8 mm 輪對橫移范圍內(nèi)等效錐度和接觸角差與原型相同。

圖4 薄輪緣踏面與CN60 鋼軌匹配輪軌接觸關(guān)系

4 薄輪緣踏面動力學(xué)性能計算

利用動力學(xué)仿真對改進(jìn)踏面薄輪緣外形對車輛動力學(xué)性能的影響進(jìn)行分析，建立了包括動車、拖車在內(nèi)的8 編組列車動力學(xué)仿真模型，同時考慮了目前國內(nèi)高速線路應(yīng)用的60D 和60N 鋼軌廓形，如圖5 所示。

圖5 動力學(xué)仿真模型

4.1 橫向穩(wěn)定性分析

仿真分析改進(jìn)踏面薄輪緣外形分別與60D 和60N 這2 種鋼軌廓形匹配下各車的車輛橫向穩(wěn)定性，如圖6 所示。構(gòu)架橫向振動加速度經(jīng)0.5～10 Hz濾波，均未出現(xiàn)幅值大于0.8g的諧波振動，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對比不同輪緣厚度下的構(gòu)架橫向加速度，無明顯差異。

圖6 構(gòu)架橫向振動加速度計算結(jié)果

4.2 運(yùn)行平穩(wěn)性分析

采用武廣譜作為軌道不平順激勵輸入，仿真計算車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和舒適度指標(biāo)，如圖7～圖9 所示。車體不同端部的平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.5，舒適度指標(biāo)均小于2.0，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對比不同輪緣厚度下的平穩(wěn)性指標(biāo)和舒適度指標(biāo)，無明顯差異。

圖7 車體前端橫向平穩(wěn)性指標(biāo)

圖9 車體前端舒適度指標(biāo)

4.3 運(yùn)行安全性分析

在武廣譜激擾下，仿真計算不同曲線工況下輪軌動態(tài)作用力，如圖10～圖13 所示。結(jié)果表明：不同工況下輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等安全性指標(biāo)均小于標(biāo)準(zhǔn)限值，并具有一定的安全裕量。

圖1 3 輪重減載率

圖1 2 脫軌系數(shù)

圖1 1 輪軌垂向力

圖1 0 輪軸橫向力

圖8 車體前端垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

5 線路跟蹤試驗(yàn)驗(yàn)證

對應(yīng)用改進(jìn)踏面薄輪緣外形的動車組車輪磨耗和轉(zhuǎn)向架振動、車體平穩(wěn)性進(jìn)行跟蹤測試，分析車輪踏面磨耗、輪緣磨耗、等效錐度等隨車輛運(yùn)用里程的變化規(guī)律，同時評估不同踏面狀態(tài)對轉(zhuǎn)向架橫向振動、車體運(yùn)行平穩(wěn)性的影響，如圖14 所示。通過定期對跟蹤車輛利用便攜式測試設(shè)備進(jìn)行踏面外形測試，獲得不同車輛走行里程下的車輪踏面外形，用于車輪磨耗、等效錐度的分析；通過在跟蹤車輛構(gòu)架、車體安裝傳感器，實(shí)時采集加速度信息，用于分析轉(zhuǎn)向架振動及車體運(yùn)行平穩(wěn)性，如圖15 所示。

圖1 5 轉(zhuǎn)向架振動測試

圖1 4 車輪踏面外形測試

5.1 磨耗跟蹤測試

對一列裝用改進(jìn)踏面薄輪緣外型車輪的動車組進(jìn)行磨耗跟蹤測試，按照不同的輪緣厚度進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖16 所示。不同輪緣厚度的薄輪緣外形輪軌匹配等效錐度、踏面磨耗量、輪緣磨耗量基本相當(dāng)，無明顯差異。

圖1 6 不同輪緣厚度方案對磨耗和動力學(xué)性能影響

5.2 車輛動力學(xué)跟蹤測試

為驗(yàn)證改進(jìn)踏面薄輪緣方案對車輛動力學(xué)性能的影響，分別選取2 列動車組進(jìn)行振動跟蹤測試，跟蹤周期均為120 萬km。其中動車組A 主要運(yùn)行線路為哈大線、鄭徐線、京廣線等；動車組B主要運(yùn)行線路為滬寧線、京滬線、徐蘭線等。跟蹤期間，隨運(yùn)行里程的增加，2 列動車組的輪緣厚度逐漸減小，由原型32 mm 降低至27 mm，跟蹤期間所有的旋修均采用改進(jìn)踏面薄輪緣方案。

對比動車組A 在旋修初期和車輪磨耗后期以300 km/h 速度等級運(yùn)行時的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到優(yōu)級，如圖17 所示。

圖1 7 動車組A 平穩(wěn)性指標(biāo)

對比動車組B 在旋修初期和車輪磨耗后期以350 km/h 速度等級運(yùn)行時的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到優(yōu)級，如圖18 所示。

圖1 8 動車組B 平穩(wěn)性指標(biāo)

對比動車組A 和動車組B 在車輪磨耗后期構(gòu)架橫向穩(wěn)定性，構(gòu)架橫向振動加速度經(jīng)0.5～10 Hz濾波后的最大值均小于失穩(wěn)報警限值0.8g如圖19 所示。

圖1 9 車輪磨耗后期構(gòu)架橫向穩(wěn)定性

6 結(jié) 論

對改進(jìn)的LMB_10型車輪踏面進(jìn)行薄輪緣經(jīng)濟(jì)旋修方案優(yōu)化設(shè)計和驗(yàn)證，可得到以下結(jié)論。

（1）在保持既有原型踏面常工作區(qū)域不變的基礎(chǔ)上，利用高次曲線對不同輪緣厚度與踏面連接過渡段進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，共設(shè)計了13 個薄輪緣外形，能夠滿足輪軌幾何接觸關(guān)系的要求。

（2）通過輪軌接觸關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)不同輪緣厚度踏面外形方案在輪對橫移量8 mm 以內(nèi)等效錐度、接觸角等輪軌接觸關(guān)系與改進(jìn)踏面原型結(jié)果相同。

（3）基于動力學(xué)仿真計算和線路跟蹤測試驗(yàn)證了所設(shè)計旋修方案，在車輪旋修周期內(nèi)車輛均能夠保證良好的動力學(xué)性能，避免因原型旋修時為恢復(fù)輪緣厚度而造成車輪直徑的大量浪費(fèi)，降低了動車組檢修維護(hù)成本。因此建議在裝用改進(jìn)的LMB_10型車輪踏面的動車組上，配套施行和推廣該經(jīng)濟(jì)旋修方案。