■ 張祥杰 虞大聯(lián) 宋曉文 孫高峰

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

為了研究踏面磨耗，分析踏面幾何外形變化，選取時(shí)速300 km的CRH2C型動(dòng)車組作為研究對(duì)象，通過在一個(gè)鏇輪周期內(nèi)間隔一定里程下多次測(cè)量踏面磨耗，分析對(duì)比揭示踏面磨耗、等效錐度、輪軌幾何形狀變化情況，并對(duì)減小踏面磨耗、提高經(jīng)濟(jì)效益提出了建議，同時(shí)為驗(yàn)證踏面變化對(duì)車輛振動(dòng)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(cè)量及輪軌幾何

該列動(dòng)車組采用我國(guó)自行設(shè)計(jì)的LMA型踏面，與我國(guó)60 kg/m鋼軌相匹配，選取動(dòng)車及拖車各一個(gè)轉(zhuǎn)向架共計(jì)4個(gè)輪對(duì)最為研究對(duì)象（1車第2個(gè)構(gòu)架和4車第1個(gè)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(jì)4個(gè)。采用便攜式踏面測(cè)量?jī)x進(jìn)行踏面磨耗測(cè)量，采取每個(gè)車輪在不同位置測(cè)量?jī)纱?，所測(cè)數(shù)據(jù)均選取平均值作為試驗(yàn)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(cè)量數(shù)據(jù)

通過踏面測(cè)量?jī)x實(shí)測(cè)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(cè)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?yàn)檎麄€(gè)踏面，采集鏇輪前7次及鏇輪后1次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（該列車在42萬km進(jìn)行了鏇輪）；限于篇幅，只對(duì)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(cè)量

在一個(gè)鏇輪周期內(nèi)通過測(cè)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(yùn)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(yùn)行22.634 8萬km時(shí)，磨耗速率為0.012 mm/萬km，而運(yùn)行至41.252 6萬km時(shí)，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?jī)H為鏇輪前一次的30.5%，磨耗量大為下降。同時(shí)發(fā)現(xiàn)相同位數(shù)下動(dòng)車踏面磨耗速率大于拖車，相同里程下奇數(shù)位輪對(duì)磨耗量遠(yuǎn)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(duì)兩個(gè)踏面磨耗對(duì)比見圖3、圖4（圖3、圖4中橫坐標(biāo)1—8分別代表車輛運(yùn)行公里數(shù)，與表1公里數(shù)所對(duì)應(yīng)）。

可以看出：越是接近鏇輪周期時(shí)磨耗量越大，經(jīng)過鏇輪后磨耗下降，且同一輪對(duì)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(jī)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(shí)鏇床水平高度不一致也可能會(huì)導(dǎo)致偏磨現(xiàn)象，偏磨現(xiàn)象對(duì)動(dòng)車組運(yùn)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(jì)損失[2]。同一輪對(duì)左右車輪磨耗不均會(huì)引起輪軌的非對(duì)稱接觸，對(duì)車輛的動(dòng)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(shì)越明顯[3]。另外根據(jù)動(dòng)量定理F=M，相同速度下質(zhì)量越大沖量就越大，對(duì)輪 軌作用力就越大，輪軌間摩擦力也會(huì)較大，在動(dòng)車組設(shè)計(jì)時(shí)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(cè)量統(tǒng)計(jì)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(yùn)行公里數(shù)，與表2公里數(shù)所對(duì)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(duì)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(duì)奇數(shù)位輪對(duì)和偶數(shù)位輪對(duì)踏面錐度和踏面磨耗類似，相差較大，且偶數(shù)位輪對(duì)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(shì)，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(yuǎn)小于0.41，運(yùn)行至41萬km后，可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)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(jì)mm

圖3 1車5位和1車6位輪踏面磨耗對(duì)比

圖4 4車1位和4車2位輪踏面磨耗對(duì)比

綜合比較踏面磨耗和踏面錐度，鏇輪前三維變化趨勢(shì)見圖6。隨著里程增加踏面磨耗量和踏面錐度總體趨勢(shì)會(huì)逐漸變大，踏面外形會(huì)受到影響，進(jìn)一步影響到車輛系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(yùn)行到40萬km輪徑值減小1.0~1.8 mm。同時(shí)發(fā)現(xiàn)踏面磨耗量較多的地方大多在名義滾動(dòng)圓附近及靠近輪緣的地方，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)踏面曲線，實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(shì)必影響車輛安全運(yùn)行，踏面偏磨、輪徑差等踏面外形的變化會(huì)影響車輛動(dòng)力學(xué)性能[6-7]。輪緣處存在過度磨損，此時(shí)輪對(duì)與鋼軌接觸可能不再是“一點(diǎn)接觸”，踏面會(huì)尋找新的接觸點(diǎn)，容易發(fā)生“兩點(diǎn)接觸”，另外對(duì)外界因素引起的踏面擦傷等因素也會(huì)加劇踏面磨損，對(duì)車輛運(yùn)行極其不利，除了加強(qiáng)日常檢查外，還要定期測(cè)量，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的問題要及時(shí)采取鏇輪等措施。

表2 不同里程下踏面錐度統(tǒng)計(jì)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(dòng)圓輪徑值統(tǒng)計(jì)mm

圖7 303486km時(shí)踏面磨耗實(shí)測(cè)曲線

2.4 構(gòu)架振動(dòng)加速度變化

為了研究踏面磨耗對(duì)構(gòu)架的振動(dòng)影響，采集某一相同速度下構(gòu)架振動(dòng)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(cè)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(dòng)車組運(yùn)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(dòng)性能變好，這也從側(cè)面能反映出車輛動(dòng)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(dòng)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(gè)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(huì)逐漸變大，從經(jīng)濟(jì)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(dòng)能力、改進(jìn)ATO運(yùn)行方式和司機(jī)操作習(xí)慣等措施[8]，司機(jī)在制動(dòng)時(shí)最好不要施加更高等級(jí)的制動(dòng)力。

（2）線路條件及鏇輪等對(duì)踏面外形及磨耗有著較大的影響，同一輪對(duì)左右輪踏面磨耗量相差較大造成偏磨，踏面偏磨不但會(huì)增加鏇輪周期及加大經(jīng)濟(jì)成本，還會(huì)造成較大的構(gòu)架橫向力，影響車輛動(dòng)力學(xué)性能等，建議車輛運(yùn)行一段距離后可以通過掉頭即頭尾車對(duì)調(diào)運(yùn)行以抵消這種偏磨現(xiàn)象，另外加強(qiáng)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(duì)踏面錐度和偶數(shù)位踏面錐度值相差較大。奇數(shù)位輪對(duì)踏面錐度隨著里程增大而增大，但在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)維持在0.22～0.32，在靠近鏇輪周期時(shí)增大較快，如果不鏇輪繼續(xù)運(yùn)行踏面錐度很有可能在45萬km時(shí)達(dá)到0.36以上。

（4）踏面磨耗主要集中在名義滾動(dòng)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(shì)，輪緣過度磨耗容易使踏面與鋼軌發(fā)生“兩點(diǎn)接觸”，對(duì)車輛運(yùn)行不利，踏面除了加強(qiáng)日常檢查外，還要對(duì)車輛輪軌建立起定期檢測(cè)的機(jī)制，消除安全隱患，提高車輛動(dòng)力學(xué)性能。

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