動車組小半徑曲線運行輪緣異常磨耗研究*

楊 超，張玉龍，陳 彪

（1華東交通大學 機電與車輛工程學院，南昌 330013；2中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

我國現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段，車輛運行數萬公里輪緣就磨耗到限。異常的輪緣磨耗使得運營成本大大增加。車輛通過小半徑曲線時輪軌之間有一點接觸和兩點接觸2種接觸形式，鋼軌側磨分別是軌距圓角處的輪軌高接觸應力和高蠕滑力以及輪緣在鋼軌側面上滑動造成的［1］。金學松等建立車輛軌道耦合動力學模型，通過車輛曲線動力學分析確定輪軌的瞬時接觸位置、法向載荷、蠕滑率等，并且利用數值方法分析了鋼軌離散支撐引發曲線鋼軌初始波浪形磨損形成的機理［2］。林洋等建立車輛軌道耦合動力學模型，通過車輛過曲線動力學分析與安全性試驗方法對比研究了輪軌接觸關系［3］。陳鵬等運用SIMPACK虛擬樣機技術，對曲線上車輛速度、軌底坡、曲線超高對輪軌磨耗的影響進行仿真分析，提出改進軌道參數和定期對鋼軌保養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行試驗研究［5］。

配屬于某動車所城際高速動車組出現輪緣異常磨耗現象，為了解磨耗情況，分別對兩列同型號的動車組車輪踏面進行調研。其中，1號列車旋修后運行里程為38 600 km，輪緣傾斜度QR值接近到限；2號列車旋修后里程為58 500 km，QR值超限已被動車所扣車。調研發現，兩列動車組左右側磨耗量最大相差接近2.4 mm。兩列動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，車輪滾動圓位置磨耗較小，右側車輪輪緣存在魚鱗紋痕跡。此外，個別車輪還存在刮痕。

圖1 車輪踏面輪緣磨耗

利用踏面測量儀分別對1號和2號動車組車輪踏面進行測量并計算動車組左右側車輪平均值，數據見表1。

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

表1 2列動車組左右側車輪平均值數據對比

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行測量，同時利用加速度傳感器、噪聲傳感器等對車輛運行性能進行測試，分析輪緣異常磨耗的原因，如圖2所示，對線路參數進行優化以期降低輪緣磨耗速率［6-10］。

圖2 動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

調研發現，半徑300 m的曲線上股鋼軌側磨最大為1 mm，無垂磨，曲線上股軌面光帶范圍內，存在縱向連續刮痕，軌距角處存在輕微連續魚鱗傷；半徑400 m的曲線上股鋼軌側磨最大為0.5 mm，垂磨最大為0.2 mm，曲線上股軌面光帶范圍內，存在縱向連續刮痕，軌距角處存在輕微連續魚鱗傷；半徑500 m和半徑2 000 m的曲線上股鋼軌無明顯側磨，無垂磨。

為分析車輛輪緣異常磨耗的影響因素，運用SIMPACK動力學仿真軟件建立車—線多體動力學仿真模型，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），軌道不平順采用實測線路不平順。不同曲線半徑對輪緣磨耗影響的仿真結果如圖3、圖4所示。

圖3 不同曲線半徑的磨耗指數

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，磨耗指數越大，輪對沖角越小。曲線半徑以800 m為界限，當曲線半徑小于800 m時，車輪磨耗指數顯著增大，輪對沖角急劇減小，此時輪緣磨耗速度加快；當曲線半徑大于800 m時磨耗指數維持較低水平，輪對沖角幾乎無變化，此時車輪磨耗速度較慢。

1.2 曲線超高

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

圖5 曲線超高的磨耗指數

由圖5和圖6可以看出，磨耗指數以及輪對沖角隨曲線超高值的增大基本呈上升趨勢；當曲線半徑為300 m時，磨耗指數與輪對沖角數值都保持較高水平。線路調研中，動走線半徑300 m曲線上股鋼軌側磨量大于半徑400 m曲線上股鋼軌側磨量，仿真結果與實際磨耗情況相符。當超高值從60 mm增加到160 mm時，超高每增加20 mm，磨耗指數最大變化率為39.1%，一位輪對沖角最大變化率為47.2%。考慮到曲線超高設置對直曲過渡處輪軌的沖擊作用，建議動車組低速通過半徑為300 m曲線線路時，曲線線路不設置超高。一方面減小直曲過渡處的輪重減載率，提高動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工作。

圖6 曲線超高的輪對沖角

1.3 車輛參數

車輛模型中一系彈簧橫向、垂向剛度分別為9 MN/m、10 MN/m，按照實際運行線路及限速設置，計算不同定位剛度對磨耗功率的影響。

仿真結果表明，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果見表2。縱向定位剛度越小，磨耗功率下降幅度越大。當縱向定位剛度從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 磨耗功率隨節點縱向定位剛度變化率（%）

一系縱向定位剛度是影響車輛運行穩定性的重要因素。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降低車輛運行的穩定性［11］。即一系定位剛度從10 MN/m逐漸降低時，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。因此，在降低車輪磨耗速率的同時還要考慮車輛運行穩定性［12］。一系縱向定位剛度最低可取8 MN/m，但相應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，輪對橫移量與輪徑差的變化關系是一條斜率為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，當車輛通過小半徑曲線時無法提供足夠輪徑差，導致輪緣貼靠且輪軌作用力增大，從而造成嚴重的輪緣磨耗。

圖7 輪徑差與輪對橫移量的變化關系

從接觸角與輪對橫移量的變化關系如圖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，接觸角差及效錐度較小，當通過曲線時發生輪緣貼靠，從而引起較大的輪緣磨耗。另一方面，當自由輪對純滾動經過曲線時，曲線半徑越小，純滾線偏離軌道中心線越遠［13］。而輪軌間的間隙為9 mm，所以車輛經過小半徑曲線時更容易發生輪緣貼靠并借助輪緣導向來通過曲線，也會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系

圖9 車輪踏面與鋼軌接觸示意圖

3 踏面優化

由輪軌匹配幾何關系可知，目前采用的踏面與鋼軌間的接觸角較小，當動車組通過曲線時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行優化。文中以既有的踏面外形為基礎，以滾動圓半徑差為目標函數。

3.1 構造輪徑差優化目標函數

針對高速輪對橫向位移量不同，理想輪徑差函數應有相應的滾動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）；優化后的踏面外形為Zw（Yw）；滾動圓半徑差為D（y）；輪對側滾角θ（y），輪對橫移量y，左右輪軌接觸點坐 標 分 別 為［yw1（y），zw1（y）］，［yw2（y），zw2（y）］，［yr1（y），zr1（y）］，［yr2（y），zr2（y）］。輪 對 側 滾 角為式（1）：

輪軌在接觸點處相切即有式（2）、式（3）：

轉換坐標系可得式（4）、式（5）：

由目標輪徑差可得式（6）：

解上述方程組可得到優化后的踏面外形Zw（Yw）。

3.2 踏面優化結果

考慮輪對等效斜率、輪緣接觸點以及接觸角差分別確定3個控制點，如圖10所示。首先輸入原始踏面外形和鋼軌廓形進行輪軌匹配幾何關系計算，得出輪徑差曲線。然后根據輪徑差曲線反向求出新踏面外形，經過多次迭代計算出優化后的踏面外形。優化后的輪軌接觸關系如圖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，降低動車組小半徑曲線通過時的輪緣磨耗。

圖10 輪徑差曲線

圖11 優化后右輪輪軌接觸關系

圖12 優化后左輪輪軌接觸關系

4 結論

針對某車輛出現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研和仿真分析。得出以下結論：

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

（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，但車輛運行穩定性也隨之降低，因此只能在一定范圍內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）考慮到曲線超高設置對直曲過渡處輪軌沖擊作用影響，建議動車組低速通過半徑為300 m曲線線路時，曲線線路不設置超高。一方面可減小直曲過渡處的輪重減載率，提高動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工作。

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