动车组轮对踏面磨耗实测分析

■ 张祥杰 虞大联 宋晓文 孙高峰

铁道车辆的运行、制动都要靠车轮与轨道的接触作用得以实现，随着车辆运行里程的增加，车辆踏面磨耗在所难免。线路养护条件差、列车制动力过大、司机操纵不当及雨雪天气等，踏面会容易出现擦伤、剥离等不利情况，轮对滚动圆会呈多边形[1]。特别是我国第六次铁路大提速以后，越来越多的动车组上线运行，速度越高特别是时速300 km动车组运行中轮对磨耗问题更加突出，影响了轮轨几何关系，进而影响列车动力学性能及运输成本。

为了研究踏面磨耗，分析踏面几何外形变化，选取时速300 km的CRH2C型动车组作为研究对象，通过在一个镟轮周期内间隔一定里程下多次测量踏面磨耗，分析对比揭示踏面磨耗、等效锥度、轮轨几何形状变化情况，并对减小踏面磨耗、提高经济效益提出了建议，同时为验证踏面变化对车辆振动影响，在构架安装加速度传感器（该加速度传感器采集垂向和横向加速度）。

1 踏面测量及轮轨几何

该列动车组采用我国自行设计的LMA型踏面，与我国60 kg/m钢轨相匹配，选取动车及拖车各一个转向架共计4个轮对最为研究对象（1车第2个构架和4车第1个构架）。构架加速度传感器安装在1车5、6位及4车1、2位轴箱上部构架，共计4个。采用便携式踏面测量仪进行踏面磨耗测量，采取每个车轮在不同位置测量两次，所测数据均选取平均值作为试验数据，车轮参数见图1，加速度传感器安装见图2。

2 测量数据

通过踏面测量仪实测数据包括轮缘高度、踏面锥度、轮缘锥度、轮径等数值，踏面磨耗每隔大约3万km测量一次数据（在同一里程下采集构架加速度），其中踏面磨耗采集区域为整个踏面，采集镟轮前7次及镟轮后1次测量数据进行分析（该列车在42万km进行了镟轮）；限于篇幅，只对踏面磨耗、踏面锥度、轮径值和构架加速度随里程变化作了分析说明。

图2 构架加速度传感器安装示意

2.1 踏面磨耗测量

在一个镟轮周期内通过测量发现踏面磨耗随着里程增加而增加，其中拖车1车5位轮平均每运行1万km，踏面磨耗增加0.018 mm，且随着里程数的增加磨耗速率逐步增大，在运行22.634 8万km时，磨耗速率为0.012 mm/万km，而运行至41.252 6万km时，磨耗速率为0.014 7 mm/万km，增加了22.5%。同样1车6位及4车1、2位轮磨耗也存在类似情况，但是镟轮后平均磨耗量仅为镟轮前一次的30.5%，磨耗量大为下降。同时发现相同位数下动车踏面磨耗速率大于拖车，相同里程下奇数位轮对磨耗量远大于偶数位，其中磨耗速率拖车1车5位比1车6位大38.89%、4车1位比4车2位大44.83%，踏面存在偏磨现象（见表1），相同里程下同一轮对两个踏面磨耗对比见图3、图4（图3、图4中横坐标1—8分别代表车辆运行公里数，与表1公里数所对应）。

可以看出：越是接近镟轮周期时磨耗量越大，经过镟轮后磨耗下降，且同一轮对踏面存在偏磨现象。造成踏面偏磨的原因较为复杂，当线路条件恶化，存在线路随机不平顺等不利情况下同一轴的左轮和右轮就有可能出现偏磨等不利情况；安装时镟床水平高度不一致也可能会导致偏磨现象，偏磨现象对动车组运行不利，偏磨过大容易造成踏面过渡磨损、同一轮径差过大而镟轮造成经济损失[2]。同一轮对左右车轮磨耗不均会引起轮轨的非对称接触，对车辆的动力学性能影响较大，伴随着车轮踏面磨耗的加剧，车辆的稳定性、横向平稳性、脱轨系数、轮轴横向力、摩擦功率和轴箱处的横向加速度均有一定程度的恶化，而且磨耗越严重，恶化趋势越明显[3]。另外根据动量定理F=M，相同速度下质量越大冲量就越大，对轮 轨作用力就越大，轮轨间摩擦力也会较大，在动车组设计时应该考虑合理的簧下质量，以避免较大的轮轨冲击力[4]。

2.2 踏面锥度变化

踏面锥度变化测量统计数据见表2。

由表2可知，1车5位和4车1位踏面锥度随着里程增加而增加，最大锥度0.322，而1车6位和4车2位踏面锥度随里程增加变化不明显（见图5，横坐标1—8分别代表车辆运行公里数，与表2公里数所对应）。

4车1、2 位和1车5、6位踏面锥度变情况类似，奇数位踏面锥度随着里程增大而增大，而偶数位轮对踏面锥度变化不明显且踏面锥度比奇数位小很多。同一轮对奇数位轮对和偶数位轮对踏面锥度和踏面磨耗类似，相差较大，且偶数位轮对踏面锥度较小，变化规律不明显，镟轮完毕后踏面锥度反而增大，奇数位踏面锥度有逐渐增大的趋势，但总体来说随着里程增大锥度变化速率不是很大。踏面锥度维持在0.16~0.33，远小于0.41，运行至41万km后，可以根据实际运用情况适当提高镟轮里程。

表1 不同里程下踏面磨耗量统计mm

图3 1车5位和1车6位轮踏面磨耗对比

图4 4车1位和4车2位轮踏面磨耗对比

综合比较踏面磨耗和踏面锥度，镟轮前三维变化趋势见图6。随着里程增加踏面磨耗量和踏面锥度总体趋势会逐渐变大，踏面外形会受到影响，进一步影响到车辆系统动力学特性（如临界速度、车辆平稳性、曲线通过能力），车辆动力学性能恶化[5]，但镟轮后磨耗量大为下降，且车辆平稳性指标大为改善，在构架和枕梁振动加速度变化得到了印证。

2.3 轮轨接触几何变化

车轮踏面磨耗导致车轮外形改变，使其滚动圆直径产生偏差，踏面几何形状随之发生改变，表3显示镟轮前后名义滚动圆轮径变化情况。

4车1、2 位轮径变化曲线和图6类似，由图可知轮径随里程的增加而变小，但是变化速率不是很大。从30万km运行到40万km轮径值减小1.0~1.8 mm。同时发现踏面磨耗量较多的地方大多在名义滚动圆附近及靠近轮缘的地方，相对于标准踏面曲线，实测踏面曲线发生了变化（见图7，红线为标准踏面曲线，绿线为实测踏面曲线）。

轮缘处磨耗主要是轮轨相互作用引起的，踏面磨耗出现凹陷势必影响车辆安全运行，踏面偏磨、轮径差等踏面外形的变化会影响车辆动力学性能[6-7]。轮缘处存在过度磨损，此时轮对与钢轨接触可能不再是“一点接触”，踏面会寻找新的接触点，容易发生“两点接触”，另外对外界因素引起的踏面擦伤等因素也会加剧踏面磨损，对车辆运行极其不利，除了加强日常检查外，还要定期测量，对于发现的问题要及时采取镟轮等措施。

表2 不同里程下踏面锥度统计mm

图5 同一里程下1车5位、6位轮踏面锥度变化曲线示意

图6 4车1位镟轮前踏面磨耗和踏面锥度随里程变化三维图

表3 不同里程下名义滚动圆轮径值统计mm

图7 303486km时踏面磨耗实测曲线

2.4 构架振动加速度变化

为了研究踏面磨耗对构架的振动影响，采集某一相同速度下构架振动加速度数值（采集镟轮前7次和镟轮后1次数据采用平均最大值，采集数据与测量踏面为同一里程）。从采集的数据看，构架横向加速度和垂向加速度随着里程数增加而增大，构架横向最大加速度为7.75 m/s2、垂向最大加速度为7.66 m/s2均出现在4车1位（动车组运行412 526 km，第七次采集），但均未超过8 m/s2，分别比第一次采集的横向和垂向加速度增大了17%和19%，而镟轮之后构架横向和垂向加速度降低，分别下降了21.7%和23.2%，构架振动性能变好，这也从侧面能反映出车辆动力学性能得到改善，另外由于踏面存在偏磨现象，构架振动加速度也存在类似现象，如在4车1位构架横向加速度在某一里程下要比4车2位大9.5%。

3 结论

（1）在一个镟轮周期内踏面磨耗随着里程增加而逐渐增大，且磨耗速度会逐渐变大，从经济角度来看镟轮是必要的，且镟轮后磨耗量下降较为明显；另外为了减少踏面磨耗，可以考虑如提高列车电制动能力、改进ATO运行方式和司机操作习惯等措施[8]，司机在制动时最好不要施加更高等级的制动力。

（2）线路条件及镟轮等对踏面外形及磨耗有着较大的影响，同一轮对左右轮踏面磨耗量相差较大造成偏磨，踏面偏磨不但会增加镟轮周期及加大经济成本，还会造成较大的构架横向力，影响车辆动力学性能等，建议车辆运行一段距离后可以通过掉头即头尾车对调运行以抵消这种偏磨现象，另外加强铁路线路建设提高镟轮质量是必要的。

（3）踏面锥度变化规律不明显，且同一里程下奇数位轮对踏面锥度和偶数位踏面锥度值相差较大。奇数位轮对踏面锥度随着里程增大而增大，但在很长一段时间内维持在0.22～0.32，在靠近镟轮周期时增大较快，如果不镟轮继续运行踏面锥度很有可能在45万km时达到0.36以上。

（4）踏面磨耗主要集中在名义滚动圆附近及靠近轮缘的地方，且随着里程的增加而有增大的趋势，轮缘过度磨耗容易使踏面与钢轨发生“两点接触”，对车辆运行不利，踏面除了加强日常检查外，还要对车辆轮轨建立起定期检测的机制，消除安全隐患，提高车辆动力学性能。

[1] 马林. 车轮踏面形状几何参数的检测技术[J]. 国外铁道车 辆，1998，35(6)：40-42.

[2] 孙效杰，周文祥. 踏面磨耗及其轮对接触几何关系的影 响[J]. 铁道车辆，2010，48(6)：1-4.

[3] 刘韦，马卫华，罗世辉，等. 高速列车车轮磨耗引起的 轮轨接触非对称问题研究[J]. 振动与冲击，2013，32 (13)：128-132.

[4] 任尊松. 车辆系统动力学[M]. 北京：中国铁道出版社， 2007.

[5] Kevin Sawley，等（美）. 车轮踏面下凹磨耗危害大应 旋修[J]. 国外铁道车辆，2000，37(3)： 44-46．

[6] 李艳，张卫华，池茂儒，等. 车轮踏面外形及轮径差对 车辆动力学性能的影响[J]. 铁道学报，2010，32(1)： 105-107.

[7] 池茂儒，张卫华，曾京，等. 轮径差对车辆系统稳定性 的影响[J]. 中国铁道科学，2008(11)：65-70．

[8] 田庆. 避免城轨车辆车轮踏面异常磨耗的控制策略探讨 [J]. 铁道车辆，2013，51(1)：34-36.