楊 超，張玉龍，陳 彪

（1華東交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，南昌 330013；2中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

我國現(xiàn)有鐵路線路約有三分之一是曲線線路，特別是在曲線較多的區(qū)段，車輛運(yùn)行數(shù)萬公里輪緣就磨耗到限。異常的輪緣磨耗使得運(yùn)營成本大大增加。車輛通過小半徑曲線時(shí)輪軌之間有一點(diǎn)接觸和兩點(diǎn)接觸2種接觸形式，鋼軌側(cè)磨分別是軌距圓角處的輪軌高接觸應(yīng)力和高蠕滑力以及輪緣在鋼軌側(cè)面上滑動(dòng)造成的［1］。金學(xué)松等建立車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，通過車輛曲線動(dòng)力學(xué)分析確定輪軌的瞬時(shí)接觸位置、法向載荷、蠕滑率等，并且利用數(shù)值方法分析了鋼軌離散支撐引發(fā)曲線鋼軌初始波浪形磨損形成的機(jī)理［2］。林洋等建立車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，通過車輛過曲線動(dòng)力學(xué)分析與安全性試驗(yàn)方法對比研究了輪軌接觸關(guān)系［3］。陳鵬等運(yùn)用SIMPACK虛擬樣機(jī)技術(shù)，對曲線上車輛速度、軌底坡、曲線超高對輪軌磨耗的影響進(jìn)行仿真分析，提出改進(jìn)軌道參數(shù)和定期對鋼軌保養(yǎng)潤滑來降低輪緣磨耗［4］。WANG W J等對輪軌材料在各種接觸條件下的磨損進(jìn)行試驗(yàn)研究［5］。

配屬于某動(dòng)車所城際高速動(dòng)車組出現(xiàn)輪緣異常磨耗現(xiàn)象，為了解磨耗情況，分別對兩列同型號(hào)的動(dòng)車組車輪踏面進(jìn)行調(diào)研。其中，1號(hào)列車旋修后運(yùn)行里程為38 600 km，輪緣傾斜度QR值接近到限；2號(hào)列車旋修后里程為58 500 km，QR值超限已被動(dòng)車所扣車。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，兩列動(dòng)車組左右側(cè)磨耗量最大相差接近2.4 mm。兩列動(dòng)車組車輪踏面輪緣磨耗情況如圖1所示，可以看出輪緣厚度方向磨耗很大，車輪滾動(dòng)圓位置磨耗較小，右側(cè)車輪輪緣存在魚鱗紋痕跡。此外，個(gè)別車輪還存在刮痕。

圖1 車輪踏面輪緣磨耗

利用踏面測量儀分別對1號(hào)和2號(hào)動(dòng)車組車輪踏面進(jìn)行測量并計(jì)算動(dòng)車組左右側(cè)車輪平均值，數(shù)據(jù)見表1。

由表1可以看出：左側(cè)車輪的QR平均值為8.01，右側(cè)車輪的QR平均值為6.44，左側(cè)車輪的QR平均值降低速率為0.38/萬km，而右側(cè)車輪的QR平均值降低速率為0.78/萬km。右側(cè)車輪的QR平均值已達(dá)到運(yùn)用限度且右側(cè)車輪的輪緣磨耗、QR平均值降低的速率遠(yuǎn)高于左側(cè)車輪。

表1 2列動(dòng)車組左右側(cè)車輪平均值數(shù)據(jù)對比

文中利用踏面測量儀及軌道測量儀對車輪磨耗及鋼軌廓形進(jìn)行測量，同時(shí)利用加速度傳感器、噪聲傳感器等對車輛運(yùn)行性能進(jìn)行測試，分析輪緣異常磨耗的原因，如圖2所示，對線路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以期降低輪緣磨耗速率［6-10］。

圖2 動(dòng)車組輪緣異常磨耗的影響因素

1 輪緣快速磨耗影響因素分析

1.1 曲線半徑

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，半徑300 m的曲線上股鋼軌側(cè)磨最大為1 mm，無垂磨，曲線上股軌面光帶范圍內(nèi)，存在縱向連續(xù)刮痕，軌距角處存在輕微連續(xù)魚鱗傷；半徑400 m的曲線上股鋼軌側(cè)磨最大為0.5 mm，垂磨最大為0.2 mm，曲線上股軌面光帶范圍內(nèi)，存在縱向連續(xù)刮痕，軌距角處存在輕微連續(xù)魚鱗傷；半徑500 m和半徑2 000 m的曲線上股鋼軌無明顯側(cè)磨，無垂磨。

為分析車輛輪緣異常磨耗的影響因素，運(yùn)用SIMPACK動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立車—線多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，其中曲線軌道模型：直線（L=50 m）、緩和曲線（L=120 m）、緩和曲線（L=120 m）、直線（L=500 m），曲線超高采用未平衡加速度為0的超高值（120 mm），軌道不平順采用實(shí)測線路不平順。不同曲線半徑對輪緣磨耗影響的仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同曲線半徑的磨耗指數(shù)

圖4 不同曲線半徑的輪對沖角

由圖3和圖4可以看出，曲線半徑越小，磨耗指數(shù)越大，輪對沖角越小。曲線半徑以800 m為界限，當(dāng)曲線半徑小于800 m時(shí)，車輪磨耗指數(shù)顯著增大，輪對沖角急劇減小，此時(shí)輪緣磨耗速度加快；當(dāng)曲線半徑大于800 m時(shí)磨耗指數(shù)維持較低水平，輪對沖角幾乎無變化，此時(shí)車輪磨耗速度較慢。

1.2 曲線超高

利用建立的車—線多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，改變曲線軌道超高值，并分析曲線超高對磨耗指數(shù)和輪對沖角的影響，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 曲線超高的磨耗指數(shù)

由圖5和圖6可以看出，磨耗指數(shù)以及輪對沖角隨曲線超高值的增大基本呈上升趨勢；當(dāng)曲線半徑為300 m時(shí)，磨耗指數(shù)與輪對沖角數(shù)值都保持較高水平。線路調(diào)研中，動(dòng)走線半徑300 m曲線上股鋼軌側(cè)磨量大于半徑400 m曲線上股鋼軌側(cè)磨量，仿真結(jié)果與實(shí)際磨耗情況相符。當(dāng)超高值從60 mm增加到160 mm時(shí)，超高每增加20 mm，磨耗指數(shù)最大變化率為39.1%，一位輪對沖角最大變化率為47.2%。考慮到曲線超高設(shè)置對直曲過渡處輪軌的沖擊作用，建議動(dòng)車組低速通過半徑為300 m曲線線路時(shí)，曲線線路不設(shè)置超高。一方面減小直曲過渡處的輪重減載率，提高動(dòng)車組曲線通過的安全性；另一方面在一定程度上減少小半徑曲線路段的維修保養(yǎng)工作。

圖6 曲線超高的輪對沖角

1.3 車輛參數(shù)

車輛模型中一系彈簧橫向、垂向剛度分別為9 MN/m、10 MN/m，按照實(shí)際運(yùn)行線路及限速設(shè)置，計(jì)算不同定位剛度對磨耗功率的影響。

仿真結(jié)果表明，橫向定位剛度對磨耗功率幾乎沒有影響。一系縱向定位剛度對車輪磨耗功率影響結(jié)果見表2?？v向定位剛度越小，磨耗功率下降幅度越大。當(dāng)縱向定位剛度從10 MN/m減小到4 MN/m，磨耗功率下降幅度最大為21.7%，對于輪緣磨耗量較大的R300 m曲線，磨耗功率下降幅度最大為21.2%。

表2 磨耗功率隨節(jié)點(diǎn)縱向定位剛度變化率（%）

一系縱向定位剛度是影響車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的重要因素。減小一系縱向剛度可降低輪緣磨耗，但較小的縱向定位剛度會(huì)降低車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性［11］。即一系定位剛度從10 MN/m逐漸降低時(shí)，隨著旋修周期后期車輪踏面磨耗的增加，車輪等效錐度逐漸增大，可能造成車輛失穩(wěn)。因此，在降低車輪磨耗速率的同時(shí)還要考慮車輛運(yùn)行穩(wěn)定性［12］。一系縱向定位剛度最低可取8 MN/m，但相應(yīng)的磨耗功率下降幅度最大僅為4.3%，因此，采用降低一系縱向剛度降低輪緣磨耗的措施效果不佳。

2 輪軌型面匹配

輪對橫移量在6 mm以內(nèi)，輪對橫移量與輪徑差的變化關(guān)系是一條斜率為0.053的直線，故踏面等效錐度為0.053，如圖7所示。由于車輪等效錐度過低，當(dāng)車輛通過小半徑曲線時(shí)無法提供足夠輪徑差，導(dǎo)致輪緣貼靠且輪軌作用力增大，從而造成嚴(yán)重的輪緣磨耗。

圖7 輪徑差與輪對橫移量的變化關(guān)系

從接觸角與輪對橫移量的變化關(guān)系如圖8所示，車輪踏面與鋼軌接觸如圖9所示，從圖8、圖9可以看出，輪對橫移量在6 mm內(nèi)，接觸角差及效錐度較小，當(dāng)通過曲線時(shí)發(fā)生輪緣貼靠，從而引起較大的輪緣磨耗。另一方面，當(dāng)自由輪對純滾動(dòng)經(jīng)過曲線時(shí)，曲線半徑越小，純滾線偏離軌道中心線越遠(yuǎn)［13］。而輪軌間的間隙為9 mm，所以車輛經(jīng)過小半徑曲線時(shí)更容易發(fā)生輪緣貼靠并借助輪緣導(dǎo)向來通過曲線，也會(huì)引起較大的輪緣磨耗［14-15］。

圖8 接觸角與輪對橫移量的變化關(guān)系

圖9 車輪踏面與鋼軌接觸示意圖

3 踏面優(yōu)化

由輪軌匹配幾何關(guān)系可知，目前采用的踏面與鋼軌間的接觸角較小，當(dāng)動(dòng)車組通過曲線時(shí)無法提供足夠的輪徑差來降低輪緣磨耗。因此，需對目前采用的車輪踏面外形進(jìn)行優(yōu)化。文中以既有的踏面外形為基礎(chǔ)，以滾動(dòng)圓半徑差為目標(biāo)函數(shù)。

3.1 構(gòu)造輪徑差優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

針對高速輪對橫向位移量不同，理想輪徑差函數(shù)應(yīng)有相應(yīng)的滾動(dòng)半徑差以提高車輛曲線通過性能，降低鋼軌磨耗。給定鋼軌廓形為Zr（Yr）；優(yōu)化后的踏面外形為Zw（Yw）；滾動(dòng)圓半徑差為D（y）；輪對側(cè)滾角θ（y），輪對橫移量y，左右輪軌接觸點(diǎn)坐 標(biāo) 分 別 為［yw1（y），zw1（y）］，［yw2（y），zw2（y）］，［yr1（y），zr1（y）］，［yr2（y），zr2（y）］。輪 對 側(cè) 滾 角為式（1）：

輪軌在接觸點(diǎn)處相切即有式（2）、式（3）：

轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系可得式（4）、式（5）：

由目標(biāo)輪徑差可得式（6）：

解上述方程組可得到優(yōu)化后的踏面外形Zw（Yw）。

3.2 踏面優(yōu)化結(jié)果

考慮輪對等效斜率、輪緣接觸點(diǎn)以及接觸角差分別確定3個(gè)控制點(diǎn)，如圖10所示。首先輸入原始踏面外形和鋼軌廓形進(jìn)行輪軌匹配幾何關(guān)系計(jì)算，得出輪徑差曲線。然后根據(jù)輪徑差曲線反向求出新踏面外形，經(jīng)過多次迭代計(jì)算出優(yōu)化后的踏面外形。優(yōu)化后的輪軌接觸關(guān)系如圖11、圖12所示。由于增加了輪對橫移量在8 mm處的輪徑差，輪軌接觸點(diǎn)在軌頭上的分布更加均勻，從而改善了輪軌接觸特性，降低動(dòng)車組小半徑曲線通過時(shí)的輪緣磨耗。

圖10 輪徑差曲線

圖11 優(yōu)化后右輪輪軌接觸關(guān)系

圖12 優(yōu)化后左輪輪軌接觸關(guān)系

4 結(jié)論

針對某車輛出現(xiàn)的輪緣異常磨耗問題，通過對線路、車輛、輪軌匹配等方面的調(diào)研和仿真分析。得出以下結(jié)論：

（1）運(yùn)行線路中存在較多的小半徑曲線，導(dǎo)致車輪貼靠鋼軌工作邊，車輪輪緣磨耗異常，QR值達(dá)到旋修限度。

（2）降低一系縱向定位剛度可以在一定程度上減緩輪緣磨耗，但車輛運(yùn)行穩(wěn)定性也隨之降低，因此只能在一定范圍內(nèi)降低一系縱向定位剛度，且對輪緣異常磨耗的減緩程度不明顯。

（3）考慮到曲線超高設(shè)置對直曲過渡處輪軌沖擊作用影響，建議動(dòng)車組低速通過半徑為300 m曲線線路時(shí)，曲線線路不設(shè)置超高。一方面可減小直曲過渡處的輪重減載率，提高動(dòng)車組曲線通過的安全性；另一方面，在一定程度上減少小半徑曲線路段的維修保養(yǎng)工作。

（4）從增加輪徑差角度反向求出新的踏面外形，優(yōu)化后輪軌接觸點(diǎn)在軌頭上的分布更加均勻，從而改善輪軌接觸特性，降低動(dòng)車組小半徑曲線通過時(shí)的輪緣磨耗。