我國典型高速鐵路輪軌型面變化規律及匹配特性

侯茂銳，劉豐收，胡曉依，張志波，成 棣，方 興

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所，北京 100081；3.中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心，山東 青島 266000）

由于我國高速鐵路具有線路里程長，無砟軌道所占比例大，地質條件和氣候環境復雜，不同速度等級、不同型號的動車組共線運行，列車持續高速運行等特點，使得輪軌之間的匹配關系顯得尤為復雜。輪軌型面匹配表現為2 種鋼軌軌頭型面（60D和60N 型） 匹配5 種車輪踏面（LMA，LMD，S1002CN，XP55 和LMB-10 型），部分線路區段也曾出現過典型的輪軌關系問題，如動車組轉向架構架橫向振動加速度超限報警、車輪踏面非均勻磨耗、鋼軌軌面光帶不良等［1］。

對于高速鐵路，一方面，輪軌型面的微小變化直接影響車輛運行的安全性、舒適性；另一方面，輪軌型面變化與鋼軌、車輪的養護維修成本具有密切關系。近年來，國內外諸多學者對輪軌磨耗問題進行了研究。文獻［2］研究了車輪踏面凹磨及其對貨車車輛動力學性能的影響，并給出了凹磨限值。文獻［3］研究了輪軌匹配等效錐度曲線的非線性變化特性，提出2 個可以反映等效錐度非線性變化程度的評價指數，并分析其對車輛動力學性能的影響。文獻［4］基于現場實測輪軌型面建立了輪軌關系管理平臺，可對輪軌磨耗、滾動接觸疲勞等傷損進行預測，指導現場養護維修。文獻［5］應用數值方法研究了車輪踏面磨耗對鋼軌和車輪傷損的影響。文獻［6-9］主要針對新輪新軌匹配，研究了不同輪軌型面匹配、輪對內側距、軌底坡等因素對輪軌接觸幾何關系及車輛動力學性能的影響。文獻［10］針對4 種高速車輪踏面分別應用3種等效錐度計算方法分析輪軌接觸特征，為車輪磨耗分析提供了參考。文獻［11］研究了車輪踏面凹形磨耗造成的偏磨以及對車輛動力學性能的影響，發現同相偏磨對車輛的臨界速度及平穩性影響嚴重。文獻［12］系統總結了我國高速鐵路車輪踏面橫向凹坑磨耗情況，并提出了7 個方面的措施進行抑制。上述文獻均針對TB60 標準鋼軌型面開展輪軌型面匹配研究。文獻［13-14］開展了基于60N 鋼軌型面的輪軌型面匹配研究，相較于TB60鋼軌，60N鋼軌的輪軌接觸點集中在軌頭中心區域且各項動力學性能指標較優。文獻［15］研究了CRH3型動車組由于輪軌匹配等效錐度過大而引起的構架橫向振動加速度超限報警問題。文獻［16］研究了CRH3C型動車組由于輪軌匹配等效錐度過小而引起的車體橫向失穩（晃車）問題。

前期相關研究一般均針對新輪新軌，對于現場實際服役鋼軌型面和車輪踏面的變化及匹配特性的研究較少。為了系統掌握我國高速鐵路輪軌型面變化規律及匹配特性，在京滬、武廣、哈大、蘭新、貴廣、丹大等6 條典型高速鐵路選擇了172 個鋼軌型面變化測點和16 列動車組進行了為期2 a 的現場測試，線路和動車組選擇原則具體方案參見文獻［17］。

本文以現場測試得到的大量鋼軌型面和車輪踏面數據為基礎，應用現代統計方法分析不同線路鋼軌型面和車輪型面的變化規律，并以實測鋼軌型面為基準進行輪軌匹配等效錐度分析，得到我國高速鐵路輪軌型面匹配的主要特征及差異，并提出相關優化措施及建議。

1 鋼軌型面變化

鋼軌型面的變化主要由2 部分構成，一部分為鋼軌打磨引起的變化，打磨又分為大機打磨和快速打磨；另一部分為鋼軌自然磨耗引起的變化。不同測點鋼軌型面變化情況見表1。

表1 鋼軌型面變化統計結果

由表1可知：①不考慮鋼軌打磨對鋼軌型面變化的影響時，可以看出鋼軌垂磨量與年通過總重呈一定的正相關性；年通過總重小于11 Mt 的線路（哈大、蘭新、貴廣和丹大），鋼軌垂磨量均接近0.01 mm，已超過儀器測試精度。②鋼軌打磨引起的型面變化明顯，最大變化面積為9.30 mm2，其中由打磨引起的型面變化面積約占90%。③打磨工藝和方式存在差異，使得不同區段測點打磨引起的鋼軌型面變化差異較大，一般快速打磨的打磨量較小，大機打磨的打磨量大。鋼軌型面變化會影響輪軌接觸狀態及列車運行品質，當鋼軌進行打磨作業時，應采取科學合理的打磨工藝，嚴格控制打磨質量，以確保良好的輪軌接觸關系。

鋼軌最大磨耗位置分布統計分析結果如圖1所示。圖中：正值表示偏向軌距角一側。由圖1可知，鋼軌最大磨耗點68.4%集中在軌頭中心偏工作邊0～5 mm 范圍內，《高速鐵路無砟軌道線路維修規則》規定鋼軌垂直磨耗測試位置在鋼軌頂面寬1/3 處（距標準工作邊）［18］，對于TB60 鋼軌為距軌頭中心13.5 mm 處。高速鐵路正線一般為大曲線半徑，靠近軌距角附近的垂直磨耗很少發生，因此，為了更加準確地表征高速鐵路鋼軌垂直磨耗位置，建議將鋼軌垂直磨耗測試位置調整為距軌頭中心5 mm處。

圖1 鋼軌最大磨耗位置分布

京滬線5 條不同半徑曲線、直線區段鋼軌磨耗跟蹤測點與公里標的對應情況見表2，不同鋼軌磨耗速率的對比如圖2所示。圖中，K2 測點位置鋪設U75VH 熱處理鋼軌，其余測點均鋪設U71MnK熱軋鋼軌。由圖2可知，曲線半徑大于2 495 m 時，直線和曲線鋼軌磨耗速率基本相當；半徑為460 和800 m這2條曲線的鋼軌磨耗速率明顯增大，尤其是半徑460 m 曲線，雖然使用了U75VH熱處理鋼軌，但其磨耗速率仍然約為半徑800 m曲線的1.5倍。

表2 鋼軌磨耗測點曲線半徑R與公里標對應情況

2 車輪型面變化

圖2 京滬線不同曲線與直線區段鋼軌磨耗速率對比

在主要運行于京滬線的CRH380BL、武廣線的CRH380AL、哈大線的CRH380BG、蘭新線的CRH2G、貴廣線的CRH2A 和丹大線的CRH5G 型動車組中，各選擇1列服役動車組進行車輪磨耗分析，結果分別如圖3—圖8所示。

圖3 京滬線某CRH380BL動車組車輪磨耗情況

圖4 武廣線某CRH380AL動車組車輪磨耗情況

圖5 哈大線某CRH380BG動車組車輪磨耗情況

由圖3可知：車輪磨耗隨著服役里程的增大呈現近似線性增大；20.5 萬km 里程時全列車輪踏面磨耗呈現正態分布特性，0.6～0.7 mm 范圍內的踏面磨耗占所有車輪的53.1%，車輪踏面最大磨耗約0.9 mm；輪緣有少量磨耗，踏面中部磨耗分布在-25～30 mm范圍內。

圖6 蘭新線某CRH2G動車組車輪磨耗情況

圖7 貴廣線某CRH2A動車組車輪磨耗情況

圖8 丹大線某CRH5G動車組車輪磨耗情況

由圖4可知：車輪磨耗隨著服役里程的增大呈現近似線性增大；全列車輪磨耗的離散性較大，17.9 萬km 里程時0.5～0.6 mm 范圍內的踏面磨耗占比最大，達到34.4%，最大車輪踏面磨耗約0.8 mm；踏面中部和輪緣均發生磨耗，踏面中部磨耗分布在-30～50 mm范圍內。

由圖5可知：車輪磨耗隨著服役里程的增大而增大；24.2 萬km 里程時全列車輪踏面磨耗呈正態分布特性，1.0～1.1 mm 范圍內的踏面磨耗占比最大，達到51.6%，車輪踏面最大磨耗約1.6 mm；踏面中部磨耗分布在-30～35 mm范圍內。

由圖6可知：車輪磨耗隨著服役里程的增大逐漸增大；24.2 萬km 里程時全列車輪踏面磨耗呈正態分布特性，1.05～1.20 mm 的踏面磨耗占比最大，達到40.6%，車輪踏面最大磨耗約1.5 mm；以踏面中部磨耗為主，磨耗分布在-20～30 mm 范圍內，分布范圍較小。

由圖7可知：車輪磨耗隨著服役里程的增大逐漸增大；21.8 萬km 里程時全列車輪踏面磨耗呈正態分布特性，0.5～0.6 mm 的踏面磨耗占比最大，達到53.8%；以踏面磨耗為主，踏面磨耗分布范圍較大，主要在橫坐標-35～50 mm范圍內。

由圖8可知：車輪磨耗隨著服役里程的增大逐漸增大，隨著服役里程的增加，全列車輪磨耗的離散型有所增大；26.6 萬km 里程時全列車輪踏面磨耗主要分布在1.05～1.20 和1.20～1.35 mm 占比相近，分別占比23.4%，20.3%；最大車輪踏面磨耗約1.95 mm；踏面中部和輪緣均有一定磨耗，踏面中部磨耗集分布在-20～40 mm范圍內。

對運行于上述6 條線路上的動車組車輪踏面磨耗速率進行計算，比較結果如圖9所示。

圖9 不同線路運行的動車組車輪踏面磨耗速率比較

由圖9可知：丹大線的動車組車輪踏面磨耗速率最大，約為0.06 mm·（萬km）-1；哈大線和蘭新線均約為0.05 mm·（萬km）-1；京滬線和武廣線均約為0.035 mm·（萬km）-1；貴廣線約為0.031 mm·（萬km）-1。盡管線路條件、軌道激擾、動車組類型、輪軌型面及材質、氣候等因素均存在差異，但是仍可以發現，哈大線、蘭新線和丹大線均處于北方干燥、風沙氣候環境中，由于輪軌摩擦系數較大，使得輪軌動力作用增加，車輪磨耗加快；而京滬線、武廣線和貴廣線均處于南方潮濕、多雨的氣候環境中，輪軌磨耗系數較小，輪軌動力作用較小，車輪磨耗較慢。

不同動車組車輪輪緣磨耗隨踏面磨耗的變化如圖10所示。由圖10可知：6 列動車組的輪緣磨耗均小于踏面磨耗，蘭新線的動車組輪緣磨耗最小，基本小于0.1 mm；武廣線輪緣磨耗大于踏面磨耗，輪緣磨耗約為0.9 mm 時，踏面磨耗約為0.5 mm；其他4 列動車組的輪緣磨耗隨著踏面磨耗的增大而增大，踏面中部磨耗大于輪緣磨耗，以踏面磨耗為主。武廣線CRH380AL 動車組配屬武漢鐵路局，由于武漢樞紐存在半徑300～700 m 的小半徑曲線，使得車輪輪緣磨耗較大。

圖10 不同動車組車輪輪緣磨耗隨踏面磨耗的變化

3 輪軌型面匹配特性

應用3 種標準車輪踏面（LMA，S1002CN 和XP55 型）分別與TB60，60N 和6 條線路的典型實測鋼軌型面進行匹配，計算分析等效錐度變化情況如圖11所示。

圖11 3種車輪踏面與不同鋼軌型面匹配的等效錐度變化情況

由圖11可知：LMA，S1002CN 和XP55 型3 種車輪踏面分別與以上所述的8 種鋼軌型面匹配的等效錐度分布范圍分別為0.026～0.034，0.100～0.170 和0.053～0.057；LMA和XP55 型車輪踏面受鋼軌型面變化的影響較小，等效錐度基本保持穩定，S1002CN 型車輪踏面受鋼軌型面變化的影響較大，雖然6 條不同線路均采用60D 預打磨型面打磨，但由于不同作業單位采用的打磨工藝和方式并不完全相同，使得不同線路區段實測的60D鋼軌型面存在差異，致使S1002CN 車輪踏面與某些線路的實測鋼軌型面匹配時等效錐度降至0.09，容易引發低錐度晃車，即二次蛇行失穩，影響乘坐舒適性。

使用以上6 列動車組在1 個鏇輪周期內的實測車輪型面與各線路實測鋼軌型面匹配計算等效錐度，通過對8輛車共64個車輪進行計算，得到平均磨耗和平均等效錐度。1 個鏇輪周期內車輪平均磨耗、平均等效錐度隨服役里程的變化如圖12所示。由圖12可知：貴廣線CRH2A動車組車輪在1個鏇輪周期內的平均等效錐度基本穩定在0.03 左右，隨踏面平均磨耗的增大沒有明顯的變化趨勢，武廣線CRH380AL 動車組的平均等效錐度隨踏面平均磨耗的增大呈現一定的減小趨勢，等效錐度由鏇輪初期的0.045 減小到鏇輪末期的0.025，其他4 條線路的平均等效錐度均隨踏面平均磨耗的增大而增大：京滬線CRH380BL 動車組鏇輪末期的平均等效錐度為0.36，哈大線CRH380BG 動車組鏇輪末期的平均等效錐度為0.32，蘭新線CRH2G 動車組鏇輪末期的平均等效錐度為0.19，丹大線CRH5G動車組鏇輪末期的平均等效錐度為0.23。

綜上分析可知，武廣線CRH380AL 型和貴廣線CRH2A 型這2 列動車組車輪磨耗分布范圍較寬，踏面磨耗分布在-30～50 mm 范圍內，輪軌均勻接觸，使得等效錐度沒有出現明顯的增大趨勢；其他4 列動車組車輪磨耗分布范圍較小，一般在-25～30 mm范圍內，輪軌接觸相對集中，容易形成凹形磨耗，等效錐度增長較快。

輪軌型面匹配等效錐度應控制在合理的范圍以內，踏面凹形磨耗使得等效錐度增長較快，大于限值后容易引發高速車輛構架橫向振動加速度超限報警，影響鐵路正常安全運輸；等效錐度過小容易引起車輛的低頻橫向晃動問題，使得車輛平穩性顯著增大，影響乘坐舒適性。武廣線CRH380AL 型和貴廣線CRH2A 型動車組的車輪等效錐度沒有隨踏面磨耗的增大而增大，有利于車輪鏇修周期的延長，同時也應注意到，武廣線CRH380AL 型動車組的車輪等效錐度持續降低帶來的低錐度風險。

通過現場跟蹤測試，初步給出了不同動車組鏇輪周期內車輪等效錐度的分布范圍，為指導車輪狀態鏇修提供指導。

4 結 論

（1）高速鐵路正線鋼軌自然磨耗非常小，對于年通過總重小于11 Mt 的線路，鋼軌垂磨量不足0.01 mm，目前已超過儀器測試精度。鋼軌打磨引起的鋼軌型面變化明顯，最大約占型面變化的90%，型面面積變化68.4%的最大磨耗點集中在軌頭中心偏工作邊0～5 mm 范圍內，因此為充分反映高速鐵路鋼軌垂直磨耗的特征，建議將鋼軌垂直磨耗測試位置調整到距軌頭中心5 mm 處。曲線半徑大于2 495 m 時，直線和曲線鋼軌磨耗速率基本相當，半徑小于800 m 的曲線鋼軌磨耗速率明顯增大。

（2）1 個鏇輪周期內，車輪踏面磨耗隨服役里程的增大而逐漸增大，全列車輪踏面磨耗呈正態分布特性，隨著運行里程的增大，踏面磨耗的離散性逐漸增大。哈大線、蘭新線和丹大線的動車組車輪踏面磨耗較大，踏面平均磨耗速率約為0.05～0.06 mm·（萬km）-1，京滬線、武廣線和貴廣線的動車組車輪踏面平均磨耗速率為0.03～0.035 mm·（萬km）-1。

（3）除個別動車組車輪輪緣磨耗較大外，其他動車組車輪磨耗主要以踏面磨耗為主，武廣線的CRH380AL 型和貴廣線的CRH2A 型動車組車輪踏面磨耗分布范圍較大，位于-30～50 mm 范圍內，其他動車組車輪踏面磨耗分布范圍較小，一般位于-25～30 mm范圍內。

（4）LMA，S1002CN 和XP55 型3 種車輪踏面中，S1002CN 型車輪型面易受鋼軌型面變化的影響，LMA和XP55 型車輪型面受鋼軌型面變化的影響較小。我國高速鐵路現場實測鋼軌型面與TB60型面存在較大差異，主要為60D預打磨型面和60N型面，但由于現場打磨工藝和方式存在差異，使得不同線路區段的鋼軌型面存在一定偏差。因此，應嚴格控制鋼軌型面偏差，確定打磨偏差范圍，在進行車輪踏面優化或車輛動力學性能分析時，應當考慮實測鋼軌型面特征，而不能以TB60 鋼軌型面為基準。

（5）應用實測車輪與實測鋼軌型面匹配分析等效錐度變化，武廣線CRH380AL 型和貴廣線CRH2A 型動車組車輪等效錐度在1 個鏇輪周期內沒有顯著的增大趨勢，其他4 列動車組的等效錐度均隨踏面磨耗的增大而增大。造成這種差異的原因主要是，武廣線和貴廣線動車組車輪的磨耗范圍較寬，輪軌接觸點分布均勻，不易形成凹形磨耗，等效錐度變化緩慢，有利于車輪鏇修周期的延長，同時也應進一步關注武廣線動車組等效錐度持續降低帶來的低錐度風險。通過現場跟蹤測試，初步給出了不同動車組鏇輪周期內的等效錐度分布范圍，為指導車輪狀態鏇修提供指導。