動車組輪對踏面磨耗實測分析

■ 張祥杰 虞大聯(lián) 宋曉文 孫高峰

鐵道車輛的運行、制動都要靠車輪與軌道的接觸作用得以實現(xiàn)，隨著車輛運行里程的增加，車輛踏面磨耗在所難免。線路養(yǎng)護條件差、列車制動力過大、司機操縱不當(dāng)及雨雪天氣等，踏面會容易出現(xiàn)擦傷、剝離等不利情況，輪對滾動圓會呈多邊形[1]。特別是我國第六次鐵路大提速以后，越來越多的動車組上線運行，速度越高特別是時速300 km動車組運行中輪對磨耗問題更加突出，影響了輪軌幾何關(guān)系，進而影響列車動力學(xué)性能及運輸成本。

為了研究踏面磨耗，分析踏面幾何外形變化，選取時速300 km的CRH2C型動車組作為研究對象，通過在一個鏇輪周期內(nèi)間隔一定里程下多次測量踏面磨耗，分析對比揭示踏面磨耗、等效錐度、輪軌幾何形狀變化情況，并對減小踏面磨耗、提高經(jīng)濟效益提出了建議，同時為驗證踏面變化對車輛振動影響，在構(gòu)架安裝加速度傳感器（該加速度傳感器采集垂向和橫向加速度）。

1 踏面測量及輪軌幾何

該列動車組采用我國自行設(shè)計的LMA型踏面，與我國60 kg/m鋼軌相匹配，選取動車及拖車各一個轉(zhuǎn)向架共計4個輪對最為研究對象（1車第2個構(gòu)架和4車第1個構(gòu)架）。構(gòu)架加速度傳感器安裝在1車5、6位及4車1、2位軸箱上部構(gòu)架，共計4個。采用便攜式踏面測量儀進行踏面磨耗測量，采取每個車輪在不同位置測量兩次，所測數(shù)據(jù)均選取平均值作為試驗數(shù)據(jù)，車輪參數(shù)見圖1，加速度傳感器安裝見圖2。

2 測量數(shù)據(jù)

通過踏面測量儀實測數(shù)據(jù)包括輪緣高度、踏面錐度、輪緣錐度、輪徑等數(shù)值，踏面磨耗每隔大約3萬km測量一次數(shù)據(jù)（在同一里程下采集構(gòu)架加速度），其中踏面磨耗采集區(qū)域為整個踏面，采集鏇輪前7次及鏇輪后1次測量數(shù)據(jù)進行分析（該列車在42萬km進行了鏇輪）；限于篇幅，只對踏面磨耗、踏面錐度、輪徑值和構(gòu)架加速度隨里程變化作了分析說明。

圖2 構(gòu)架加速度傳感器安裝示意

2.1 踏面磨耗測量

在一個鏇輪周期內(nèi)通過測量發(fā)現(xiàn)踏面磨耗隨著里程增加而增加，其中拖車1車5位輪平均每運行1萬km，踏面磨耗增加0.018 mm，且隨著里程數(shù)的增加磨耗速率逐步增大，在運行22.634 8萬km時，磨耗速率為0.012 mm/萬km，而運行至41.252 6萬km時，磨耗速率為0.014 7 mm/萬km，增加了22.5%。同樣1車6位及4車1、2位輪磨耗也存在類似情況，但是鏇輪后平均磨耗量僅為鏇輪前一次的30.5%，磨耗量大為下降。同時發(fā)現(xiàn)相同位數(shù)下動車踏面磨耗速率大于拖車，相同里程下奇數(shù)位輪對磨耗量遠大于偶數(shù)位，其中磨耗速率拖車1車5位比1車6位大38.89%、4車1位比4車2位大44.83%，踏面存在偏磨現(xiàn)象（見表1），相同里程下同一輪對兩個踏面磨耗對比見圖3、圖4（圖3、圖4中橫坐標(biāo)1—8分別代表車輛運行公里數(shù)，與表1公里數(shù)所對應(yīng)）。

可以看出：越是接近鏇輪周期時磨耗量越大，經(jīng)過鏇輪后磨耗下降，且同一輪對踏面存在偏磨現(xiàn)象。造成踏面偏磨的原因較為復(fù)雜，當(dāng)線路條件惡化，存在線路隨機不平順等不利情況下同一軸的左輪和右輪就有可能出現(xiàn)偏磨等不利情況；安裝時鏇床水平高度不一致也可能會導(dǎo)致偏磨現(xiàn)象，偏磨現(xiàn)象對動車組運行不利，偏磨過大容易造成踏面過渡磨損、同一輪徑差過大而鏇輪造成經(jīng)濟損失[2]。同一輪對左右車輪磨耗不均會引起輪軌的非對稱接觸，對車輛的動力學(xué)性能影響較大，伴隨著車輪踏面磨耗的加劇，車輛的穩(wěn)定性、橫向平穩(wěn)性、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力、摩擦功率和軸箱處的橫向加速度均有一定程度的惡化，而且磨耗越嚴(yán)重，惡化趨勢越明顯[3]。另外根據(jù)動量定理F=M，相同速度下質(zhì)量越大沖量就越大，對輪 軌作用力就越大，輪軌間摩擦力也會較大，在動車組設(shè)計時應(yīng)該考慮合理的簧下質(zhì)量，以避免較大的輪軌沖擊力[4]。

2.2 踏面錐度變化

踏面錐度變化測量統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知，1車5位和4車1位踏面錐度隨著里程增加而增加，最大錐度0.322，而1車6位和4車2位踏面錐度隨里程增加變化不明顯（見圖5，橫坐標(biāo)1—8分別代表車輛運行公里數(shù)，與表2公里數(shù)所對應(yīng)）。

4車1、2 位和1車5、6位踏面錐度變情況類似，奇數(shù)位踏面錐度隨著里程增大而增大，而偶數(shù)位輪對踏面錐度變化不明顯且踏面錐度比奇數(shù)位小很多。同一輪對奇數(shù)位輪對和偶數(shù)位輪對踏面錐度和踏面磨耗類似，相差較大，且偶數(shù)位輪對踏面錐度較小，變化規(guī)律不明顯，鏇輪完畢后踏面錐度反而增大，奇數(shù)位踏面錐度有逐漸增大的趨勢，但總體來說隨著里程增大錐度變化速率不是很大。踏面錐度維持在0.16~0.33，遠小于0.41，運行至41萬km后，可以根據(jù)實際運用情況適當(dāng)提高鏇輪里程。

表1 不同里程下踏面磨耗量統(tǒng)計mm

圖3 1車5位和1車6位輪踏面磨耗對比

圖4 4車1位和4車2位輪踏面磨耗對比

綜合比較踏面磨耗和踏面錐度，鏇輪前三維變化趨勢見圖6。隨著里程增加踏面磨耗量和踏面錐度總體趨勢會逐漸變大，踏面外形會受到影響，進一步影響到車輛系統(tǒng)動力學(xué)特性（如臨界速度、車輛平穩(wěn)性、曲線通過能力），車輛動力學(xué)性能惡化[5]，但鏇輪后磨耗量大為下降，且車輛平穩(wěn)性指標(biāo)大為改善，在構(gòu)架和枕梁振動加速度變化得到了印證。

2.3 輪軌接觸幾何變化

車輪踏面磨耗導(dǎo)致車輪外形改變，使其滾動圓直徑產(chǎn)生偏差，踏面幾何形狀隨之發(fā)生改變，表3顯示鏇輪前后名義滾動圓輪徑變化情況。

4車1、2 位輪徑變化曲線和圖6類似，由圖可知輪徑隨里程的增加而變小，但是變化速率不是很大。從30萬km運行到40萬km輪徑值減小1.0~1.8 mm。同時發(fā)現(xiàn)踏面磨耗量較多的地方大多在名義滾動圓附近及靠近輪緣的地方，相對于標(biāo)準(zhǔn)踏面曲線，實測踏面曲線發(fā)生了變化（見圖7，紅線為標(biāo)準(zhǔn)踏面曲線，綠線為實測踏面曲線）。

輪緣處磨耗主要是輪軌相互作用引起的，踏面磨耗出現(xiàn)凹陷勢必影響車輛安全運行，踏面偏磨、輪徑差等踏面外形的變化會影響車輛動力學(xué)性能[6-7]。輪緣處存在過度磨損，此時輪對與鋼軌接觸可能不再是“一點接觸”，踏面會尋找新的接觸點，容易發(fā)生“兩點接觸”，另外對外界因素引起的踏面擦傷等因素也會加劇踏面磨損，對車輛運行極其不利，除了加強日常檢查外，還要定期測量，對于發(fā)現(xiàn)的問題要及時采取鏇輪等措施。

表2 不同里程下踏面錐度統(tǒng)計mm

圖5 同一里程下1車5位、6位輪踏面錐度變化曲線示意

圖6 4車1位鏇輪前踏面磨耗和踏面錐度隨里程變化三維圖

表3 不同里程下名義滾動圓輪徑值統(tǒng)計mm

圖7 303486km時踏面磨耗實測曲線

2.4 構(gòu)架振動加速度變化

為了研究踏面磨耗對構(gòu)架的振動影響，采集某一相同速度下構(gòu)架振動加速度數(shù)值（采集鏇輪前7次和鏇輪后1次數(shù)據(jù)采用平均最大值，采集數(shù)據(jù)與測量踏面為同一里程）。從采集的數(shù)據(jù)看，構(gòu)架橫向加速度和垂向加速度隨著里程數(shù)增加而增大，構(gòu)架橫向最大加速度為7.75 m/s2、垂向最大加速度為7.66 m/s2均出現(xiàn)在4車1位（動車組運行412 526 km，第七次采集），但均未超過8 m/s2，分別比第一次采集的橫向和垂向加速度增大了17%和19%，而鏇輪之后構(gòu)架橫向和垂向加速度降低，分別下降了21.7%和23.2%，構(gòu)架振動性能變好，這也從側(cè)面能反映出車輛動力學(xué)性能得到改善，另外由于踏面存在偏磨現(xiàn)象，構(gòu)架振動加速度也存在類似現(xiàn)象，如在4車1位構(gòu)架橫向加速度在某一里程下要比4車2位大9.5%。

3 結(jié)論

（1）在一個鏇輪周期內(nèi)踏面磨耗隨著里程增加而逐漸增大，且磨耗速度會逐漸變大，從經(jīng)濟角度來看鏇輪是必要的，且鏇輪后磨耗量下降較為明顯；另外為了減少踏面磨耗，可以考慮如提高列車電制動能力、改進ATO運行方式和司機操作習(xí)慣等措施[8]，司機在制動時最好不要施加更高等級的制動力。

（2）線路條件及鏇輪等對踏面外形及磨耗有著較大的影響，同一輪對左右輪踏面磨耗量相差較大造成偏磨，踏面偏磨不但會增加鏇輪周期及加大經(jīng)濟成本，還會造成較大的構(gòu)架橫向力，影響車輛動力學(xué)性能等，建議車輛運行一段距離后可以通過掉頭即頭尾車對調(diào)運行以抵消這種偏磨現(xiàn)象，另外加強鐵路線路建設(shè)提高鏇輪質(zhì)量是必要的。

（3）踏面錐度變化規(guī)律不明顯，且同一里程下奇數(shù)位輪對踏面錐度和偶數(shù)位踏面錐度值相差較大。奇數(shù)位輪對踏面錐度隨著里程增大而增大，但在很長一段時間內(nèi)維持在0.22～0.32，在靠近鏇輪周期時增大較快，如果不鏇輪繼續(xù)運行踏面錐度很有可能在45萬km時達到0.36以上。

（4）踏面磨耗主要集中在名義滾動圓附近及靠近輪緣的地方，且隨著里程的增加而有增大的趨勢，輪緣過度磨耗容易使踏面與鋼軌發(fā)生“兩點接觸”，對車輛運行不利，踏面除了加強日常檢查外，還要對車輛輪軌建立起定期檢測的機制，消除安全隱患，提高車輛動力學(xué)性能。

[1] 馬林. 車輪踏面形狀幾何參數(shù)的檢測技術(shù)[J]. 國外鐵道車 輛，1998，35(6)：40-42.

[2] 孫效杰，周文祥. 踏面磨耗及其輪對接觸幾何關(guān)系的影 響[J]. 鐵道車輛，2010，48(6)：1-4.

[3] 劉韋，馬衛(wèi)華，羅世輝，等. 高速列車車輪磨耗引起的 輪軌接觸非對稱問題研究[J]. 振動與沖擊，2013，32 (13)：128-132.

[4] 任尊松. 車輛系統(tǒng)動力學(xué)[M]. 北京：中國鐵道出版社， 2007.

[5] Kevin Sawley，等（美）. 車輪踏面下凹磨耗危害大應(yīng) 旋修[J]. 國外鐵道車輛，2000，37(3)： 44-46．

[6] 李艷，張衛(wèi)華，池茂儒，等. 車輪踏面外形及輪徑差對 車輛動力學(xué)性能的影響[J]. 鐵道學(xué)報，2010，32(1)： 105-107.

[7] 池茂儒，張衛(wèi)華，曾京，等. 輪徑差對車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性 的影響[J]. 中國鐵道科學(xué)，2008(11)：65-70．

[8] 田慶. 避免城軌車輛車輪踏面異常磨耗的控制策略探討 [J]. 鐵道車輛，2013，51(1)：34-36.