LMD型薄輪緣踏面經(jīng)濟(jì)性旋修的研究*

張　旗， 詹凌峰， 許自強(qiáng)， 潘長領(lǐng)

(1　中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 山東青島 266111；2　柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院　動(dòng)力技術(shù)學(xué)院， 廣西柳州 545616；3　中國鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；4　華東交通大學(xué)， 南昌 330013)

大規(guī)模動(dòng)車組的投入運(yùn)營意味著需要相應(yīng)規(guī)模的車輛維護(hù)。高速動(dòng)車組運(yùn)行在全國大地上需要應(yīng)對(duì)不同的環(huán)境和軌道條件，會(huì)產(chǎn)生許多的問題，車輪磨耗是其中的重點(diǎn)問題之一。每年都有數(shù)十億人民幣的損失是由車輪磨耗引起的。隨著動(dòng)車組的高速運(yùn)行，車輪踏面將隨之快速磨耗，而車輪踏面的劇烈磨耗會(huì)導(dǎo)致列車運(yùn)營的安全性和舒適度問題。定期進(jìn)行車輪旋修工作是解決該問題的有效方法，然而每次旋修均以踏面原型為目標(biāo)踏面進(jìn)行旋修，不僅車輪踏面的旋修量大，而且會(huì)嚴(yán)重縮短車輪的正常使用壽命。車輪踏面經(jīng)濟(jì)性旋修，不僅可以大幅減少車輪旋修的切削量，提高車輪踏面旋修的工作效率，而且能夠增加車輪使用壽命周期、大幅提高車輛的運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性。因此，研究一種可行的踏面經(jīng)濟(jì)性旋修方法當(dāng)下高鐵快速發(fā)展的重要任務(wù)之一。

俄羅斯從車輪輪緣厚度方面著手，設(shè)計(jì)了有關(guān)車輪輪緣磨耗量的對(duì)比試驗(yàn)，其分別為兩節(jié)車廂設(shè)計(jì)了4個(gè)輪緣厚度為30 mm和33 mm的輪對(duì)，并在試驗(yàn)線路上行進(jìn)了約1 600 km。試驗(yàn)結(jié)果顯示：輪緣厚度為30 mm的車輪在試驗(yàn)結(jié)束后，輪緣平均磨耗量比33 mm的車輪要小1.3 mm。俄羅斯科學(xué)家在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了輪緣厚度為27 mm和30 mm的薄輪緣踏面，實(shí)踐證明，以薄輪緣踏面為旋修目標(biāo)時(shí)，可大幅減少車輪直徑方向的切削量達(dá)34%～50%，從而提高車輛運(yùn)營管理的經(jīng)濟(jì)性。

TB/T 449-2003中介紹了LM型踏面和輪緣厚度為26，28，30 mm的LM-26，LM-28，LM-30 3種LM踏面的參數(shù)尺寸。后續(xù)CRH動(dòng)車組列車運(yùn)用的車輪踏面外形也是由LM踏面演變而來。目前我國動(dòng)車組列車廣泛運(yùn)用的車輪踏面類型包括： LMD型踏面、LMA型踏面、S1002CN型踏面、XP55型踏面[1]。LMD型踏面運(yùn)用于CRH1型動(dòng)車組上，CRH1型動(dòng)車組新車車輪的直徑為915 mm，車輪的報(bào)廢尺寸為835 mm。文中對(duì)實(shí)測車輪踏面計(jì)算分析得出，按LMD原型旋修需切削8～10 mm，即正常情況(車輪沒有意外擦傷)下車輪只能經(jīng)歷8次旋修，增加了動(dòng)車組運(yùn)營維護(hù)成本。而按照LMD型薄輪緣踏面旋修能增加車輪的使用壽命，提升列車運(yùn)營維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性。

1　LMD型薄輪緣踏面設(shè)計(jì)方法

LMD原始踏面的輪緣厚度為32.64 mm，輪緣的高度為28 mm，踏面名義滾動(dòng)圓左側(cè)由R450和R90的圓弧連接而成，名義滾動(dòng)圓踏面右側(cè)為1∶40和1∶15的直線[2]。

在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13715中薄輪緣踏面旋修方法的基礎(chǔ)上來設(shè)計(jì)LMD系列薄輪緣踏面。首先將車輪踏面進(jìn)行分段處理，將輪緣外側(cè)處的DEF段保持原形不動(dòng)向左平移一定的距離；其次用高次曲線將FG段連接，而GHI段外形保持不變，保持輪軌等效錐度不變；最后調(diào)節(jié)輪緣內(nèi)側(cè)Ra、Rb、Rc的半徑和圓心位置，使ABCD段曲線圓滑過渡并保持輪緣高度不變，這就是LMD薄輪緣踏面的設(shè)計(jì)方案(見圖1)。

圖1　LMD薄輪緣踏面變化過程示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，其設(shè)計(jì)原則為：輪軌的等效錐度與原型保持基本不變；車輛動(dòng)力學(xué)性能滿足要求；車輪的輪緣高度保持不變。因此可以根據(jù)上述的設(shè)計(jì)與旋修原則設(shè)計(jì)出一系列LMD型薄輪緣踏面：LMD-32、LMD-31、LMD-30、LMD-29、LMD28。圖2是LMD型薄輪緣踏面與原型踏面的對(duì)比。

2　LMD型薄輪緣踏面旋修的經(jīng)濟(jì)性

在確保動(dòng)車組運(yùn)行安全的前提下，盡可能減少車輪每次旋修的切削量能夠最大限度的提升列車運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)在某客運(yùn)專線運(yùn)營的某CRH1型動(dòng)車組進(jìn)行了一個(gè)旋修周期的磨耗跟蹤測試以及車輪踏面外形的測量，并對(duì)其踏面外形進(jìn)行分析計(jì)算可算出理論旋修量。 CRH1型動(dòng)車組車輪為全新輪對(duì)，按理論旋修切削量進(jìn)行旋修，能計(jì)算出全新輪對(duì)可旋修的次數(shù)和最終的使用壽命。一般30萬km為一個(gè)普通旋修周期[4]，普通旋修的一個(gè)旋修周期內(nèi)直徑方向的旋修切削量每次約為8～9.2 mm，而經(jīng)濟(jì)性旋修每個(gè)旋修周期內(nèi)直徑方向的旋修切削量約為5～5.6 mm，每30萬km車輪直徑方向磨耗量為1.2 mm，新輪對(duì)的理論旋修次數(shù)如表2所示。圖3為分別運(yùn)用原始踏面旋修和LMD經(jīng)濟(jì)性踏面旋修時(shí)，車輪踏面可允許的切削量隨運(yùn)營里程的變化情況，隨著車輪的磨耗和定期的車輪旋修，車輪直徑方向上可旋修切削量越來越少，最終按LMD原型踏面旋修車輪壽命為240萬km，而按LMD經(jīng)濟(jì)性踏面旋修理論上可以將輪對(duì)使用壽命從240萬km提高到300～360萬km左右。在較理想的情況下，可將車輪使用經(jīng)濟(jì)性提高。

圖2　LMD經(jīng)濟(jì)性旋修踏面 和LMD原型踏面

mm

表2　新輪對(duì)理論旋修量和使用壽命

注：CRH1型動(dòng)車組新車輪的原始尺寸為915 mm。

3　動(dòng)力學(xué)性能仿真分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)出的LMD薄輪緣踏面是否能夠滿足車輛安全運(yùn)營要求，利用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立了CRH1型動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)模型，從輪軌接觸關(guān)系、車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、車輛運(yùn)行平穩(wěn)性等方面對(duì)LMD薄輪緣踏面和LMD原型踏面進(jìn)行對(duì)比分析。動(dòng)力學(xué)模型仿真過程中，從圖3中可以看出車輛行駛速度為380 km/h時(shí)車輪橫向移動(dòng)永不收斂，會(huì)形成蛇行運(yùn)動(dòng)造成動(dòng)車組失穩(wěn)，而當(dāng)速度降為370 km/h的時(shí)候，車輪移動(dòng)收斂，所以得出車輛的臨界速度為370 km/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CRH1型動(dòng)車組列車的安全運(yùn)行速度。運(yùn)用其他薄輪緣踏面時(shí)，車輛系統(tǒng)的臨界速度均為370 km/h或以上。

圖4是仿真過程中不同LMD型踏面的輪軌接觸幾何關(guān)系，從圖中可以看出，在仿真分析過程中各LMD型面的輪軌接觸幾何關(guān)系均未出現(xiàn)異常狀態(tài)。

圖3　動(dòng)力學(xué)模型和車輛系統(tǒng)的臨界速度

圖4　不同LMD型踏面輪軌接觸幾何關(guān)系

車輛運(yùn)行穩(wěn)定性包括車輛運(yùn)行臨界速度、脫軌系數(shù)以及輪重減載率等。利用建立的動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行LMD原型踏面和LMD-28薄輪緣踏面的車輛臨界速度計(jì)算，由于兩種車輪踏面的等效錐度基本相同，所以車輛的臨界速度也較為接近，均為370 km/h左右，對(duì)于最高運(yùn)行速度為200 km/h的CRH1型動(dòng)車組來說有足夠安全的冗余。利用建立的動(dòng)車組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分別計(jì)算直線工況、大曲線工況下運(yùn)用LMD原型踏面和LMD-28薄輪緣踏面的車輛脫軌系數(shù)和輪重減載率。我國脫軌系數(shù)安全限定值良好為0.8，輪重減載率安全限定值為0.6。如表3所示，在上述幾種工況下采用LMD-28踏面仿真分析計(jì)算時(shí)的車輛脫軌系數(shù)和輪重減載率比采用LMD原型踏面時(shí)的值稍大，但各參數(shù)均在我國安全限定值內(nèi)，且有較多安全余量，能夠滿足安全運(yùn)營的標(biāo)準(zhǔn)。

表3　不同工況下脫軌系數(shù)與輪重減載率

4　LMD經(jīng)濟(jì)性旋修踏面實(shí)車運(yùn)用驗(yàn)證

為進(jìn)一步的保證LMD經(jīng)濟(jì)性旋修踏面的安全性，進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證工作。但出于安全考慮，決定先在試驗(yàn)輪對(duì)上進(jìn)行試旋修，再測量旋修效果，測量結(jié)果顯示旋修結(jié)果符合國家指標(biāo)因此繼續(xù)進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。試驗(yàn)車輛為某鐵路局提供的某型動(dòng)車組，對(duì)該動(dòng)車組的第8號(hào)車進(jìn)行車輪旋修，并在旋修前、后各測量一次該車的車輪踏面外形數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行一個(gè)試驗(yàn)線路往返的全程振動(dòng)性能跟蹤測試，主要測試參數(shù)為影響動(dòng)車組運(yùn)營安全的車體橫向和垂向振動(dòng)加速度、構(gòu)架橫向和垂向加速度以及軸箱橫向加速度，各測點(diǎn)位置如圖5。

圖5　測試設(shè)備安裝位置示意圖

車體振動(dòng)加速度[5]是評(píng)價(jià)鐵道車輛舒適度最直接的指標(biāo)。鐵運(yùn)[2008]28號(hào)《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定[6]，客車的運(yùn)行平穩(wěn)性評(píng)估指標(biāo)主要是Sperling指標(biāo)和振動(dòng)加速度指標(biāo)。我國利用平穩(wěn)性來評(píng)定車輛的運(yùn)行性能并簡單的劃分了等級(jí)，客車的平穩(wěn)性小于2.5為優(yōu)、小于2.75為良好。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得構(gòu)架和軸箱橫向加速度，并得出了構(gòu)架橫向加速度最大值，其加速度最大時(shí)均在5 m/s2左右，更未連續(xù)6次出現(xiàn)橫向加速度超限的現(xiàn)象，且加速度值均小于國家規(guī)定的8～10 m/s2。構(gòu)架橫向加速度和軸箱橫向加速度均未出現(xiàn)異常大的現(xiàn)象，構(gòu)架橫向加速度最大值小于5 m/s2，而軸箱橫向加速度全程表現(xiàn)平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。試驗(yàn)測試結(jié)果表明，在列車運(yùn)行的全程中，車體加速度未出現(xiàn)超限現(xiàn)象，車體平穩(wěn)性方面也全程表現(xiàn)為優(yōu)，其中橫向加速度與平穩(wěn)性最大值分別為1.18 m/s2和2.41，垂向加速度與平穩(wěn)性最大值為1.42 m/s2和2.24。因此在實(shí)車試驗(yàn)測試滿足安全運(yùn)營的要求。

5　結(jié)　論

通過仿真分析以及實(shí)車驗(yàn)證主要得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 針對(duì)該型動(dòng)車組車輪進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性薄輪緣踏面設(shè)計(jì)的研究，根據(jù)國內(nèi)外的研究，最終利用平移作圖法得出了28～32 mm的LMD系列經(jīng)濟(jì)性旋修踏面，并從車輪踏面旋修切削量著手，選取了一列CRH1行動(dòng)車組進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，理想狀態(tài)下踏面經(jīng)濟(jì)性旋修可將車輪使用壽命從240萬km延長到300萬km以上。

(2) LMD經(jīng)濟(jì)性旋修踏面和LMD原型踏面的臨界速度均在370 km/h或以上，大于CRH1型動(dòng)車組的正常運(yùn)行速度，有足夠的安全余量。

(3) 從構(gòu)架橫向穩(wěn)定性，脫軌系數(shù)和輪重減載率三方面分析運(yùn)用LMD經(jīng)濟(jì)性旋修踏面和LMD原型踏面的車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性。得出了車輛的構(gòu)架橫向加速度的波形圖與加速度平均值，以及車輛的脫軌系數(shù)和輪重減載率的平均值。結(jié)果表明LMD經(jīng)濟(jì)性旋修踏面在車輛穩(wěn)定性指標(biāo)上與LMD原型踏面基本相當(dāng)。最后利用良好的試驗(yàn)條件，對(duì)輪對(duì)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性旋修試驗(yàn)，結(jié)果顯示輪對(duì)經(jīng)濟(jì)性旋修效果良好。

(4) 列車運(yùn)行的全程中，車體加速度未出現(xiàn)超限現(xiàn)象，車體平穩(wěn)性方面也全程表現(xiàn)為優(yōu)，其橫向、垂向最大值分別為1.18 m/s2，2.41和1.42 m/s2，2.24。

(5) 試驗(yàn)過程中構(gòu)架橫向加速度未出現(xiàn)異常大的現(xiàn)象，最大值小于5 m/s2，而軸箱橫向加速度全程表現(xiàn)平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

(6) 通過研究得出的LMD型車輪經(jīng)濟(jì)性旋修踏面具有良好的經(jīng)濟(jì)性和安全性，滿足高速動(dòng)車組安全運(yùn)營的要求。同時(shí)該方法會(huì)引起薄輪緣踏面的輪緣高度發(fā)生變化，并且輪緣頂部容易產(chǎn)生尖頂，所以薄輪緣踏面旋修應(yīng)注意輪緣厚度以及輪緣頂部的形狀變化。