李寧寧，劉晶，李峰

(1.西安交通工程學(xué)院 機(jī)械工程系，陜西 西安 710000；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710000)

0 引言

為有效保障列車安全運行，需控制輪緣達(dá)到合適的厚度范圍，進(jìn)行車輪維修的時候則需要將其恢復(fù)到原形的狀態(tài)，每當(dāng)輪緣的厚度提高1 mm時，需去除約2 mm的踏面金屬[1-2]。在修復(fù)輪緣的過程中，輪徑的消耗比例為1∶6，隨著輪緣修復(fù)量的增加，會引起動車組輪徑的迅速減小，并發(fā)生輪徑的非正常磨耗，極大提高了動車組實際檢修難度，同時增加了列車的運行維護(hù)成本[3-4]。根據(jù)前期研究可知，車輪發(fā)生輪緣異常磨損是受到車輛自身結(jié)構(gòu)、運行控制過程、動力性能與行駛路線的綜合影響。目前，許多學(xué)者開展了地鐵等多種高速列車在小半徑運行狀態(tài)下的輪緣磨耗情況的研究[5-7]。其中，國內(nèi)學(xué)者LI X等[8]通過構(gòu)建重載鐵路磨耗狀態(tài)仿真模型，發(fā)現(xiàn)該仿真模型能夠預(yù)測曲線段的軌道磨損狀態(tài)。WANG J X等[9]主要探討了重載鐵路線路在不同曲線參數(shù)下的鋼軌磨損差異性，對某線城際動車組的運營過程進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)當(dāng)城際動車組在上述線路上運行時還會發(fā)生車輪的快速磨耗，尤其是輪緣受到明顯的磨耗破壞。該研究有助于分析車輪的快速磨耗狀態(tài)。

為克服線路超高產(chǎn)生的影響以及降低輪軌的磨耗程度，朱錦煜[10]從動力學(xué)層面進(jìn)行理論計算發(fā)現(xiàn)，隨著小半徑曲線形成更大的超高時，將會在外軌側(cè)區(qū)域形成更嚴(yán)重的磨損。練松良[11]對比了不同曲線軌道超高條件下的鋼軌側(cè)磨程度。根據(jù)實驗測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實設(shè)超高比平均速度計算超高更小時，列車進(jìn)入欠超高運行模式，能夠減輕鋼軌方式側(cè)磨的程度。為了提高對軌道車輛車輪磨耗特性預(yù)測效果，本文以某線的CRH6A車輪為例，建立磨耗動力學(xué)計算模型，分析速度對磨耗性能影響，給出車輪磨耗預(yù)測。

1 實測車輪磨耗及曲線分析

本文選擇某線CRH6A城際動車組作為研究對象，測試了該車輛在運行初期的50 000 km與接近車輪磨耗到一定程度的250 000 km兩種狀態(tài)的外形尺寸變化，計算了車輪踏面與輪緣發(fā)生的磨耗情況。圖1給出了車輪型面和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)LMA型車輪型面相比較的結(jié)果[12]。

圖1 車輪外形對比圖

根據(jù)圖1可知，當(dāng)磨耗到限時，車輪相對最初LMA標(biāo)準(zhǔn)型面的輪緣發(fā)生了根部區(qū)域模型磨耗的情況，大部分車輪磨耗出現(xiàn)于輪緣側(cè)磨以及輪緣根部。車輪型面產(chǎn)生的磨耗深度最大為10.28 mm，沿輪緣的厚度方向形成的磨耗最大值為5 mm，同時踏面產(chǎn)生的磨耗量是0.62 mm。

為深入探討車輪磨耗和運行超高之間的相互作用關(guān)系，測試了各個非均衡速度下輪軌經(jīng)過曲線段時發(fā)生磨耗的程度，采集了城際動車組實際運行數(shù)據(jù)。分別記錄車輛在各曲線條件下的運行速度，獲得實際運行速度相對均衡速度值的差異，最后統(tǒng)計了速度偏差的各項影響因素。

2 速度對車輪磨耗影響分析

2.1 動力學(xué)模型

構(gòu)建城際CRH6A動車組運動模型，表1給出了各項模型參數(shù)。

表1 車輛主要建模參數(shù)

車輛實際測試線路主要參數(shù)見表2。由表2可以發(fā)現(xiàn)，列車在這一線路上通常都是以低于非均衡速度的狀態(tài)通過曲線，車輪在曲線段發(fā)生了較高概率的異常磨耗。

表2 線路主要參數(shù)

2.2 速度對磨耗性能影響

導(dǎo)向輪屬于磨耗程度最大的一類車輪，對導(dǎo)向輪外側(cè)發(fā)生磨耗開展分析。為分析不同速度引起的車輪整體與輪緣磨耗狀態(tài)差異性，計算了各曲線工況下的車輪磨耗功。

分析圖2不同曲線半徑下的車輪磨耗功和速度變化可知，當(dāng)曲線半徑為500 m時，隨著速度的增大獲得了更高的磨耗功，此時輪軌產(chǎn)生了較明顯的整體磨耗，而整體磨耗功則保持相對穩(wěn)定的特征。半徑超過1 500 m之后，隨著速度的增加，車輪磨耗功發(fā)生了降低的趨勢，同時還可以發(fā)現(xiàn)速度在所有半徑下都對輪磨耗功造成了顯著影響。產(chǎn)生上述差異的原因是，當(dāng)曲線半徑<500 m時，車輪產(chǎn)生了明顯的橫向位移，同時形成了較大的輪軌沖角以及輪緣導(dǎo)向力，此時形成了基本穩(wěn)定的整體磨耗功[13]。輪緣處導(dǎo)向力也呈現(xiàn)持續(xù)增大，在輪緣處形成了更大的縱向磨耗功Wcx2，獲得了更高的整體磨耗功。對于半徑為3 000 m的曲線段，速度對輪緣導(dǎo)向力產(chǎn)生的影響較弱，而輪軌沖角則受到速度較明顯的影響。對車輪磨耗進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，輪緣部位的縱向磨耗功Wcx2與橫向摩耗功Wcy2總和隨速度提高而降低，但輪緣區(qū)域的整體磨耗發(fā)生了降低。當(dāng)速度提高后，輪軌橫向蠕滑力發(fā)生了下降，引起踏面橫向磨耗功的降低，由于兩個主要部分都發(fā)生了磨耗功減小，從而引起車輪整體磨耗功也發(fā)生降低的變化趨勢。當(dāng)曲線半徑達(dá)到6 000 m時，隨著速度提高，車輪踏面的縱向與橫向磨耗功減小，由此導(dǎo)致整體磨耗功也發(fā)生下降。通過比較各半徑條件下的曲線磨耗功分量可知，提高速度后踏面處橫向磨耗功Wcy1減小。這是因為當(dāng)速度增大的過程中，形成了更高的離心力，對車輛重力的橫向分量起到平衡的效果，由此降低了輪軌的橫向蠕滑程度，同時獲得了更小的橫向磨耗功[14]。

圖2 輪對磨耗功與速度關(guān)系圖

從總體上分析，處于小半徑運行曲線條件下，因為此時半徑尺寸較小，當(dāng)車輛經(jīng)過曲線輪緣時與鋼軌保持緊貼狀態(tài)，總體始終保持較高程度的輪對磨耗，不同速度下的輪對磨耗與輪緣磨耗只發(fā)生小幅變化。當(dāng)曲線半徑達(dá)到1 500 m以上時，輪軌沖角受到速度的明顯影響，逐漸提高速度后，形成了更小的輪軌沖角，輪緣和鋼軌之間形成了更小的貼靠作用力，降低了輪對與輪緣的磨耗程度。

3 車輪磨耗預(yù)測

以LMA構(gòu)建得到初始磨耗仿真模型，同時設(shè)定垂直磨耗達(dá)到0.1 mm作為車輪型面更新條件，對車輪型面的磨耗狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測分析。分別計算了80、120與160 km/h速度下經(jīng)過50 000 km運行后車輪發(fā)生磨耗的程度，之后測試了車輪的表面磨耗深度與累積之和。

圖3顯示了3種速度下測試得到的車輪磨耗深度。其中，運行速度為80 km/h時，在車輪踏面上形成了最深的均分狀態(tài)。根據(jù)表3車輪整體磨耗與輪緣磨耗深度結(jié)果可知，當(dāng)速度提高后，指標(biāo)值發(fā)生了降低。當(dāng)曲線半徑為3 000 m時，形成了相同的磨耗分布與磨耗深度，并且發(fā)生了隨速度增大而降低的現(xiàn)象，以160 km/h比均衡速度更小的速度運行時車輪產(chǎn)生了明顯磨耗。

圖3 車輪磨耗圖

表3 車輪磨耗深度結(jié)果 單位：mm

因此，在大曲率半徑下，低于均衡速度較大值通過曲線時，車輪的磨耗將會加劇。這一計算結(jié)果與第2.2節(jié)結(jié)果基本吻合，說明使用磨耗功來評價速度對車輪磨耗的影響是可行的。在分析速度對輪軌磨耗的影響時還需要考慮到安全性方面，期待后續(xù)進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 結(jié)語

1)處于小半徑運行曲線條件下車輛經(jīng)過曲線輪緣時與鋼軌保持緊貼狀態(tài)，總體保持較高程度的輪對磨耗。當(dāng)曲線半徑達(dá)到1 500 m以上時，輪軌沖角受到速度的明顯影響。逐漸提高速度后，形成了更小輪軌沖角，輪緣和鋼軌之間形成了更小的貼靠作用力，降低了輪對與輪緣的磨耗程度。

2)磨耗分布與磨耗深度隨速度增大而降低，以160 km/h比均衡速度更小的速度運行時車輪產(chǎn)生了明顯磨耗。在實際運行過程中應(yīng)綜合考慮運行安全性和磨耗性能，設(shè)定好車輛通過曲線速度。