高速鐵路輪軌匹配存在問題及對策

周清躍，劉豐收，張銀花，田常海，俞　喆，張　金

(中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京　100081)

我國高速動車組的車輪主要采用LMA，S1002CN和XP55這3種踏面型面及ER8，ER8C和ER9這3種材質(zhì)；線路前期鋪設(shè)軌型為60 kg·m-1、廓形為60的鋼軌(以下簡稱60鋼軌)，采用U71MnG和U75VG這2種材質(zhì)[1-3](目前主要鋪設(shè)軌型為60 kg·m-1、軌頭廓形為60N的鋼軌，簡稱60N鋼軌)。隨著我國高速鐵路的開通運營，輪軌匹配逐漸顯現(xiàn)了一些問題，主要表現(xiàn)為動車組構(gòu)架橫向加速度超限報警、抖車、車體晃車、鋼軌波磨、道岔直尖軌非工作邊疲勞裂紋等。

本文在調(diào)查和分析當前我國高速鐵路因輪軌匹配不良而產(chǎn)生問題的基礎(chǔ)上，提出治理的技術(shù)措施。

1　高速鐵路輪軌匹配存在的問題

1.1　輪軌接觸位置不良

CRH3型和CRH5型高速動車組分別采用S1002CN和XP55車輪型面，這些車輪型面與60鋼軌的廓形匹配時，輪軌接觸光帶較寬且偏向軌距角(典型情況見圖1)，未達到在直線運行時光帶居中的理想目標。

圖1　我國高速動車組車輪與60鋼軌的匹配情況

由于輪軌接觸偏向軌距角而使軌距角處的接觸應力大于軌頭踏面中心處的接觸應力，加之輪軌長期在軌距角部位(軌頭踏面R80～R13部位)接觸，造成鋼軌的滾動接觸疲勞傷損。高速鐵路道岔翼軌和導軌上股的滾動接觸疲勞傷損如圖2所示。

1.2　構(gòu)架橫向加速度超限報警

圖2　道岔翼軌魚鱗紋和導曲上股的滾動接觸疲勞傷損

從2007年起，我國動車組就出現(xiàn)了構(gòu)架橫向加速度超限報警、車體晃動的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，自2008年以來，我國動車組共發(fā)生400余起構(gòu)架橫向加速度超限報警，主要發(fā)生在裝有報警裝置的CRH3型等動車組上，而且集中出現(xiàn)在京津、京滬、武廣、哈大等高鐵線路上，嚴重影響正常的運營秩序、甚至危及動車組運行安全。構(gòu)架橫向加速度超限報警是由于動車組橫向穩(wěn)定性變差乃至超限引起的，而根本原因是輪軌接觸關(guān)系惡化。

1.3　動車組異常抖動

自2015年3月上旬開始，運行在蘭新客專的CRH5G型動車組出現(xiàn)異常抖動。各車輛開始抖動的運行公里數(shù)為13.7～20萬km不等，各車輛產(chǎn)生異常抖動的運行區(qū)段基本相同，且整體表現(xiàn)為異常抖動的程度隨著動車組累計運行公里數(shù)的增加而增大。

1.4　鋼軌波磨

京津、京滬、哈大和武廣等高鐵開通運營后相繼出現(xiàn)了鋼軌波磨的情況。當動車組通過鋼軌波磨地段時會引起動車組部件(如螺栓)或軌道部件(如彈條)傷損，嚴重時影響動車組的運營安全。

1.5　道岔直尖軌非工作邊疲勞裂紋

2015年4月，上海鐵路局寧波工務段探傷發(fā)現(xiàn)杭深線甌海站高速道岔直尖軌非工作邊出現(xiàn)縱向水平疲勞裂紋，如圖4所示。截至2016年2月底，全路共發(fā)現(xiàn)400多根直尖軌非工作邊存在縱向水平裂紋。調(diào)查結(jié)果表明，客專道岔、CZ(與法國合資)和CN(與德國合資)道岔均存在這種疲勞裂紋，不過CN道岔的程度相對較輕；這種疲勞裂紋在未打磨以及過打磨的直尖軌上均有出現(xiàn)，在經(jīng)過倒棱或倒圓的直尖軌中未出現(xiàn)。

2　成因分析及對策

2.1　輪軌接觸關(guān)系不良

XP55，S1002CN和LMA型3種型面動車組車輪與60鋼軌在不同橫移量下的接觸情況分別如圖5—圖7所示。圖中：-12，-8，-4，0，4，8和12分別表示不同的輪對橫移量，mm。從圖中可以看出：當車輪踏面為S1002CN和LMA型面時，在橫移量為2～8 mm范圍內(nèi)，輪軌接觸點只偏向了軌距角一側(cè)，由此可知高速鐵路出現(xiàn)的輪軌接觸位置不良主要是由于車輪踏面的型面與60 kg·m-1鋼軌的廓形匹配不合理，導致了輪軌的接觸位置偏向了軌距角一側(cè)[4]。

圖560鋼軌與XP55型面車輪在不同橫移量下的接觸情況

圖660鋼軌與S1002CN型面車輪在不同橫移量下的接觸情況

XP55，S1002CN和LMA型3種型面動車組車輪與60N鋼軌在不同橫移量下的接觸情況分別如圖8—圖10所示。從圖中可以看出，采用60N鋼軌能夠很好地解決輪軌接觸位置不良的問題，橫移量在+8～—8 mm范圍內(nèi)時3種鋼軌的接觸位置基本都居中[5]。

圖760鋼軌與LMA型面車輪在不同橫移量下的接觸情況

圖860N鋼軌與XP55型面車輪在不同橫移量下的接觸情況

圖11為60N鋼軌在高速鐵路上鋪設(shè)后的使用情況。從圖11可以看出，采用60N鋼軌后輪軌的接觸位置居中，鋼軌光帶寬度在30 mm左右。

圖960N鋼軌與S1002CN型面車輪在不同橫移量下的接觸情況

圖1060N鋼軌與LMA型面車輪在不同橫移量下的接觸情況

2.2　輪軌等效錐度過大

圖1160N鋼軌在某高速鐵路K64+800下行處的使用情況

構(gòu)架橫向加速度超限報警是由于動車組橫向穩(wěn)定性變差引起的，而等效錐度是輪軌橫向穩(wěn)定性的一個重要評價指標。歐洲標準EN 14363及國際鐵路聯(lián)盟標準UIC 518對不同運行速度、不同軌距條件下的等效錐度都進行了規(guī)定。因此，對于動車組構(gòu)架報警的原因，也從等效錐度的角度進行了分析計算[6-7]。

我國4種車輪型面(LM，LMA，S1002CN和XP55，其中LM為普速鐵路車輪型面)的車輪與60鋼軌匹配時，其名義等效錐度與軌距之間的關(guān)系如圖12所示。從圖12可以看出，在1 435±5 mm軌距范圍內(nèi)，不管軌距是正公差還是負公差，60鋼軌的軌頭廓形能保證輪軌匹配的名義等效錐度都小于0.15。

圖12LM，LMA，S1002CN和XP55型面車輪與60鋼軌匹配時等效錐度與軌距的關(guān)系

運行中車輪踏面的型面和鋼軌的軌頭廓形均在變化中，構(gòu)架橫向加速度報警時車輪一般都出現(xiàn)了凹型磨耗，而鋼軌的實測軌頭廓形與60鋼軌的標準廓形相差不大。表1為動車組在京滬高鐵滕州段發(fā)生構(gòu)架橫向加速度報警時輪軌等效錐度的計算結(jié)果。進行輪軌匹配計算和分析時選取了報警車輛的實測車輪磨耗踏面、S1002CN型標準車輪踏面以及實測鋼軌軌頭廓形。

表1　輪軌等效錐度計算工況及結(jié)果

從表1可以看出：實測車輪磨耗踏面與實測鋼軌軌頭廓形匹配的等效錐度達到0.64，遠大于其與標準鋼軌匹配的等效錐度0.34，也遠大于歐洲標準規(guī)定的“速度為300 km·h-1條件下等效錐度不大于0.15”的要求，實測鋼軌軌頭廓形與標準車輪踏面匹配的等效錐度也不超過0.23；說明只要對車輪踏面進行鏇修，恢復到設(shè)計廓形，就可以大幅度降低等效錐度，從而消除動車組構(gòu)架橫向加速度超限；同時也說明，踏面良好的車輪對鋼軌軌頭的廓形不敏感，引起構(gòu)架橫向加速度超限報警的直接原因是磨耗(凹形)后的車輪與60鋼軌匹配時等效錐度過大。

為了解決構(gòu)架橫向加速度報警的問題，中國鐵道科學研究院對60鋼軌的軌頭廓形進行了優(yōu)化，提出其打磨目標廓形及新的60N廓形[8]，并將這2種廓形應用到了治理構(gòu)架橫向加速度超限的打磨作業(yè)中。從表1中的計算結(jié)果也可以看出，采用打磨設(shè)計廓形的鋼軌與磨耗車輪的等效錐度明顯降低。

2014年2月—4月，針對京滬高鐵發(fā)生動車組構(gòu)架報警的情況，北京鐵路局對管內(nèi)京滬高鐵的鋼軌按鐵科院設(shè)計的廓形進行鋼軌打磨。2015年10月20日，對北京鐵路局滄州高鐵站南K209+900附近的鋼軌軌頭廓形及光帶進行跟蹤觀測。由結(jié)果可知：按鐵科院設(shè)計的廓形對鋼軌重新打磨后，運行2年多來鋼軌光帶基本居中，其寬度為26～35 mm，再未發(fā)生任何動車組構(gòu)架橫向加速度超限報警。

2.3　動車組異常抖動

針對蘭新客專CRH5G型動車組異常抖動的問題，對車輪和鋼軌的型面匹配進行了分析計算。

經(jīng)過與哈大、鄭西高鐵車輛的長期跟蹤對比發(fā)現(xiàn)，累計運行公里相近時蘭新客專動車組車輪的踏面磨耗量、踏面凹陷量都比較大，CRH5G型動車組車輪運行20萬km左右時有1.3 mm以上的踏面凹磨，運行25～30萬km后有1.5～1.9 mm的踏面凹磨，而在其他高鐵上運行20萬km左右時踏面凹磨量基本上不大于1 mm。

蘭新客專鋼軌預打磨時候的目標廓形為60N廓形，但對出現(xiàn)抖車區(qū)段的鋼軌廓形測量分析后發(fā)現(xiàn)，鋼軌預打磨后的廓形沒有完全達到目標廓形的要求，普遍存在打磨不到位的情況。

通過輪軌匹配的分析計算，發(fā)現(xiàn)動車組異常抖動的原因為：由于車輪踏面凹磨嚴重，再加上鋼軌預打磨不夠到位，使出現(xiàn)抖動的動車組車輪等效錐度均在0.5以上，同時輪軌接觸點偏向軌距角，容易使輪軌橫向力增大，輪軌接觸點分布較寬，并且接觸點位置出現(xiàn)跳躍，車輛在運行過程中容易產(chǎn)生較大的輪徑差，進而激發(fā)轉(zhuǎn)向架蛇行頻率。

針對上述情況，將動車組鏇輪周期由30萬km調(diào)整為20～25萬km，并加強對鋼軌的廓形打磨(自2015年4月起，蘭州鐵路局按60N廓形對抖車地段進行了鋼軌打磨)，至今未出現(xiàn)動車組異常抖動。

其他高鐵線路上的CRH5型動車組在達到一定的運行公里數(shù)后也會出現(xiàn)抖車，按60N廓形打磨鋼軌后，均可有效抑制抖車現(xiàn)象。

2.4　鋼軌波磨

綜合分析京滬、哈大、京廣、京津高鐵的鋼軌波磨測試數(shù)據(jù)，總結(jié)出以下特點：①目前使用GMC96—B型和GMC96—X型鋼軌打磨車對鋼軌進行打磨后鋼軌均有周期性磨痕出現(xiàn)，但再通過第2遍覆蓋打磨可有效消除之；②高速區(qū)段的鋼軌波磨與打磨有關(guān)，低速區(qū)段曲線下股鋼軌的波磨則與線路運營條件等有關(guān)；③扣件發(fā)生斷裂處鋼軌波磨的波長大于120 mm，波深大于0.05mm；扣件未發(fā)生斷裂處鋼軌波磨的波長約為70～75，83，100和110 mm不等，波深均不大于0.04 mm。

綜合考慮輪軌的相互作用和摩擦磨損，結(jié)合車輛—軌道耦合系統(tǒng)動力學模型，研究了高速鐵路鋼軌的初始不平順對其波磨演化發(fā)展的影響，有如下結(jié)論[9]。

(1)高速鐵路高速區(qū)段鋼軌出獻的波磨與打磨有關(guān)。鋼軌打磨車砂輪的材質(zhì)不均、打磨面傾斜、安裝傾斜、打磨軸承損壞等情況均會導致出現(xiàn)周期性磨痕；這些磨痕波長較短、波深較小，對軌道和車輛的影響不大。在打磨車砂輪的下降和提起位置，因粉塵進入油缸而導致油缸進給或回落不暢及閉環(huán)控制綜合作用等問題從而出現(xiàn)周期性磨痕，并因其波深較大，隨后容易發(fā)展成鋼軌波磨。

(2)彈條斷裂與鋼軌波磨產(chǎn)生的高頻激勵有關(guān)。仿真計算結(jié)果表明，在300 km·h-1運行速度下，波長為140 mm波磨的頻率與鋼軌的7階模態(tài)頻率和扣件固有頻率接近，容易發(fā)生共振，從而引起扣件彈條斷裂。

實踐證明，打磨可有效治理鋼軌波磨。打磨時，要注意保持打磨廓形，確保一定的打磨深度。經(jīng)96磨頭打磨車1～2遍的打磨后，鋼軌波磨深度小于0.04 mm，可有效消除鋼軌波磨，且抑制扣件彈條斷裂。

2.5　道岔直尖軌非工作邊疲勞裂紋處理

通過調(diào)查以及仿真計算分析得知，高速道岔直尖軌非工作邊疲勞裂紋形成的主要原因為：①由于直尖軌非工作邊未倒棱，且軌頂面基本無磨耗，導致直尖軌非工作邊長期承受應力集中，是形成疲勞裂紋的根本原因；②直尖軌降低值(道岔尖軌由30 mm斷面到0 mm斷面，軌頂高度有1個下降值)不足，致使直尖軌在小斷面處提前受力，加快了疲勞裂紋的萌生和擴展；③直尖軌工作邊一側(cè)過度打磨，使輪軌接觸偏向非工作邊一側(cè)，進一步增加了應力集中，加快了疲勞裂紋的萌生和擴展。

經(jīng)過研究，提出直尖軌非工作邊倒圓、對組合廓形進行軌頭修形、合理調(diào)整降低值等系列措施[10]，規(guī)定對已經(jīng)鋪設(shè)上道的道岔直尖軌通過打磨的方法予以倒圓，同時要求對直尖軌頂面寬度為20～50 mm的斷面進行廓形修理，使直尖軌非工作邊側(cè)至工作邊方向至少有3～5 mm及以上的寬度不再有接觸光帶。

對直尖軌進行倒圓和軌面修理后，疲勞裂紋得到有效控制，目前，道岔直尖軌非工作邊基本不再出現(xiàn)縱向水平疲勞裂紋。

3　結(jié)論及建議

(1)我國動車組車輪多種型面并存，新輪軌匹配時輪軌接觸嚴重偏向軌距角，未達到在直線運行時光帶居中的理想目標；輪軌匹配不良一方面造成動車組運行后等效錐度增大較快，引發(fā)動車組的構(gòu)架橫向加速度超限報警和異常抖動；另一方面引起鋼軌的滾動接觸疲勞傷損。按中國鐵道科學研究院提出的設(shè)計廓形或60N廓形進行鋼軌打磨，可以有效降低輪軌等效錐度，抑制動車組構(gòu)架橫向加速度超限和抖車，從而延長車輪的鏇修周期和鋼軌打磨周期，降低維修養(yǎng)護費用。

(2)目前使用GMC96—B和GMC96—X型鋼軌打磨車打磨的鋼軌均有周期性磨痕出現(xiàn)，而且在打磨車砂輪下降和提起位置出現(xiàn)的周期性磨痕因深度較大而容易引發(fā)鋼軌波磨，再次打磨覆蓋后可以消除磨痕；鋼軌波磨的波長為140 mm時，容易發(fā)生共振而引起扣件彈條斷裂；采用大機打磨可有效治理鋼軌波磨。

(3)直尖軌非工作邊未倒棱，導致長期承受應力集中，是形成疲勞裂紋的根本原因；直尖軌降低值不足、工作邊一側(cè)過度打磨，則進一步增加了應力集中，加快了疲勞裂紋的萌生和擴展；采用倒圓和組合斷面軌面修型處理后，直尖軌非工作邊的疲勞傷損得到有效控制。

(4)建議對輪軌匹配中出現(xiàn)的波磨、車輪異常磨耗進行更深入地研究，以保證高速列車的運營安全和品質(zhì)。

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