動車組車輪踏面凹形磨耗發展規律及其對車輛穩定性的影響

楊 陳 賈小平 李龍濤 許 旭 蘇文靜

(中車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，工程師)

0 引言

根據調查發現，我國新建高速鐵路上運營的動車組車輪主要以踏面凹形磨耗為主。車輪踏面凹形磨耗的產生和發展會逐步惡化輪軌接觸關系，進而影響轉向架和車輛的振動特性。文獻[1-3]研究了動車組車輪踏面凹形磨耗對高速動車組輪軌相互作用的影響，結果表明：踏面凹形磨耗會增加輪軌間高頻垂向振動，使輪軌橫向力的幅值顯著增加。文獻[4]對比研究了不同線路、相同平臺動車組車輪磨耗的演變規律，以及踏面凹形磨耗對動車組動力學性能的影響。文獻[5]通過對武廣線上運行的某高速動車組開展跟蹤測試，發現隨著車輪踏面凹形磨耗發展，會使轉向架和輪對的橫向振動加速度快速增大，車輛的穩定性和平穩性有所降低，并認為車輪凹形磨耗是引發轉向架橫向報警的直接原因。文獻[6]系統地總結了我國高速鐵路車輪斷面橫向磨耗情況，并提出了7個方面的措施來抑制車輪踏面的凹形磨耗。隨著車輪踏面凹形磨耗的發展往往還會引發車輛的異常振動；隨著車輛運營里程的增加，發現部分列車在經過特定區段時會出現抖車現象[7]。在問題列車的車輪型面測量中均發現車輪踏面出現凹形磨耗的情況，如圖1所示。鏇輪后異常抖車現象消失。為了研究車輛異常抖車與車輪踏面凹形磨耗的關系，本文首先對某高速動車組運行過程中所采集的試驗數據進行分析，然后對鏇修周期內該型動車組車輪踏面廓形進行長期跟蹤測量，以掌握車輪踏面的磨耗特征和輪軌接觸關系的演變規律。通過建立剛柔耦合車輛動力學模型來研究車輪踏面凹形磨耗發展對車輛穩定性的影響。

圖1 車輪凹形磨耗

1 抖車試驗分析

該型動車組車輪的常規鏇修周期為30萬km，但在實際運營中發現，部分列車在運營17萬km時,經過固定區段時會出現車輛異常振動現象。通過添乘試驗的反饋，判斷該車輛的異常振動為車體抖動(即抖車)，每次持續約2～3 s。圖2為抖車段和非抖車段的車體地板面橫向振動加速度時域和頻域數據。分析可知，發生抖車時，車體橫向振動加速度時域信號會迅速增加并呈現明顯的諧波特性，振動能量主要集中在10 Hz左右，相較于非抖車段的主頻幅值增大了20倍。利用試驗數據對車體和構架進行工作變形分析(ODS)，發現車輛經過抖振段時，車體振動幅度加強，抖振主頻可辨，呈現車體隨構架蛇行運動而抖動現象。因此，推測引起車體異常抖動的原因是車輪踏面凹形磨耗導致車輛穩定性下降。

a)抖車段振動加速度時域曲線

2 車輪踏面特征分析

為驗證引起列車運營中車體異常抖動的原因，對發生抖車的列車進行長期車輪型面跟蹤測量。使用RIFTEK激光輪廓測量儀設備對車輪踏面進行掃描，按照車輛運行5萬km為1個節點，測試一次車輪型面數據。跟蹤周期為1個鏇修周期。對所測車輪的型面進行分析，建立輪對磨耗數據庫，得到每次測量時輪對的踏面等效斜度、踏面凹形磨耗及輪軌匹配關系圖等。對上述變量在同一列車中的變化趨勢進行研究，統計等效斜度及車輪磨耗隨車輛運營的發展規律和內在聯系。

圖3為不同運營里程下標準LM型(磨耗型)車輪踏面廓形分布圖。圖4為不同運營里程下標準LM型車輪與60 N鋼軌匹配的輪軌接觸關系。由圖4可知，不同運營里程下車輪均出現不同程度的凹形磨耗，車輪初始外形下輪軌接觸狀態良好，接觸線連續均布；運行5萬km后，接觸線開始集中，接觸范圍變窄，且接觸點位置出現跳躍；隨著運行里程的增加，輪軌接觸點由軌頭踏面中心逐步偏向軌距角，接觸范圍進一步變窄，同時存在較大跳躍。因此在車輛實際運行中，較大程度凹形磨耗的車輪在一定橫移量激勵下會使輪軌接觸位置突變，進而引發車體的異常振動。

圖3 標準LM型車輪踏面廓形演變

a)標準LM型車輪踏面

圖5為不同運營里程下車輪等效斜度的分布圖，圖6為不同運營里程下踏面凹形磨耗量與等效斜度的關系散點圖。經分析可知，鏇輪后5萬km的車輪等效斜度主要分布在0.4～0.6，且此時踏面凹形磨耗量對等效斜度影響不明顯；鏇輪后10萬km的車輪等效斜度主要分布在0.50～0.66，等效斜度開始呈現隨著踏面凹形磨耗量的增大而增大的趨勢；鏇輪后15萬km的車輪等效斜度主要分布在0.60～0.73，等效斜度呈現隨著踏面凹形磨耗量的增大而增大的趨勢；鏇輪后17萬km的車輪等效斜度主要分布在0.65～0.80，等效斜度呈現隨著踏面凹形磨耗量的增大而增大的趨勢明顯。

a)鏇輪后5萬km

a)鏇輪后5萬km

將上述數據作均值處理并匯總至圖7，進而推導出等效斜度與車輪踏面凹形磨耗量之間的估算式為：

圖7 踏面凹形磨耗量與車輪踏面等效斜度的關系分析

Y=0.319 7X+0.120 1

(1)

式中：

Y——輪對等效斜度；

X——輪對踏面凹形磨耗量, mm。

式(1)可為車輪等效斜度與踏面凹形磨耗量的估計提供理論參考。

3 凹形磨耗發展對車輛穩定性的影響

為了得到車輪踏面凹形磨耗發展對該型動車組車輛穩定性[8]的影響規律，依據動力學參數建立了考慮車體和構架彈性的剛柔耦合車輛動力學模型[9]，如圖8所示。該模型包括1個車體，2個構架，4個輪對，8個軸箱以及一系、二系懸掛元件。車輛系統考慮了車體、構架和輪對的縱向、橫向、垂向、側滾、點頭和搖頭等6個方向的自由度，以及軸箱的點頭自由度，共計50個自由度[10-11]。仿真計算中采用線路實測軌道不平順激勵。

圖8 動車組單節車輛動力學模型

基于車輪踏面實測數據開展車輛穩定性仿真計算[12-13]，不同磨耗階段的凹形磨耗踏面對車輛穩定性的仿真影響結果如表1所示。車輛的蛇行臨界速度(以下簡稱為“臨界速度”)與鏇輪后運行里程的關系如圖9所示。構架橫向振動加速度最大值與鏇輪后運行里程的關系如圖10所示。由分析結果可知，該型動車組車輛的臨界速度隨車輪踏面凹形磨耗的增加呈現下降趨勢，鏇輪后17萬km踏面工況下臨界速度最小，其值為194 km/h，相較于初始踏面工況的臨界速度下降了40%；該型動車組車輛的構架橫向振動加速度最大值隨車輪踏面凹形磨耗的增加呈現上升趨勢，鏇后17萬km踏面工況下構架橫向振動加速度最大值為5.26 m/s2，相較于初始踏面工況的構架橫向振動加速度增大了37%。因此，車輛穩定性會隨車輪踏面凹形磨耗的發展而顯著下降，進而使具有較大車輪凹形磨耗工況的車輛在一定線路激勵作用下發生車體的異常抖動。

表1 不同磨耗階段的凹形磨耗踏面對車輛穩定性仿真結果

圖9 車輛的臨界速度與鏇輪后運行里程的關系

圖10 構架橫向振動加速度最大值與鏇輪后運行里程的關系

4 結語

本文分析了某型動車組運行中發生的異常抖車現象。跟蹤了鏇修周期內車輪踏面特征的演變。建立剛-柔耦合車輛動力學模型來研究車輪踏面凹形磨耗量發展對車輛穩定性的影響規律。其研究結果表明，隨著列車車輪踏面凹形磨耗量的增加，輪軌接觸范圍變窄，易發生接觸點跳躍現象，且車輪等效斜度會增大，車輛的臨界速度會顯著下降，從而使列車運行的穩定性降低。因此，當車輪踏面凹形磨耗發展到一定程度時，一旦線路存在較大的激擾，會使轉向架產生蛇行運動，引發動車組抖車現象。通過對車輪踏面進行鏇修，恢復到初始廓形，可以大幅度降低等效斜度，改善輪軌匹配關系，以最終解決動車組的車體異常振動問題。