研究车轮型面磨耗对车辆服役性能的影响

摘 要：以动车组单节车辆作为研究对象，采用定期测定车轮外形和轮径，结合结构参数和运行路线，构建车轮动力学仿真模式，并进行分析其动力学特性。研究结果显示，等锥度低于0.42以及车轮型面下凹深度低于2mm时，才能保证车辆运行速度在>399km/h。

关键词：动车组；车轮面磨耗；服役性能

我国地域广阔，铁路路行程长、跨度大，不同地区的温度、湿度差异大。车辆运行线路条件不同，使车轮服役的条件差异较大，随着车轮的磨耗，其型面不断发生改变，接触关系发生变化，影响到车轮服役寿命[ 1 ]。本研究主要采用多体动力学软件进行仿真分析方法，研究车轮型面磨耗对车轮服役性能的影响。

1 车轮磨耗仿真

1.1 仿真设置

本次研究共对一个动车组的8个车轮进行研究，使用WP-D型测量仪测量车轮型面和轮径，每隔1个月测量1次，总共测量5次，获取5组实测数据，并整合为5个磨耗工况，分别设为S1、S2、S3、S4、S5，采用多体动力学软件建立仿真模式，分析轮轨接触几何关系和作用力。车体动力学仿真模型部分参数如下表1所示：

1.2 车轮轮径差变化

通过定期测量发现，车轮轮径差值最大约8mm，车轮型面严重下凹，左、右两边车轮径最大差值为2.51mm，已超过镟修阈值。

详见表2，轮对两侧同时存在磨耗，但两边的磨耗量有所不同，其中以滚动圆近处的磨耗量较大，踏面以及轮缘均存在磨耗，而左、右车轮间最大的轮径差分布在前转向架处，前转向架轮对的磨耗量大于后转向架，随着运行时间的延长，车轮磨耗加剧，轮径和标准轮径差不断增大。

2 实测型面的轮轨匹配

车轮磨耗使车轮型面和轮径发生改变，轮对也随着发生横移和摇头，需寻找新的平衡位置与钢轨匹配，确保车辆安全。依轮对位次随着一位轮的偏移量逐次减小，要获得新的平衡点，应适当调整前导轮的偏移量[ 2 ]。

偏移量为2mm时，轮轨接触关系恶化，当车轮锥度为0.4时，各工况的轮位差异较小，临界速度差异较小，当车轮锥度逼近0.42mm时，临界速度开始大大下降，详见表3。

偏移量的增大使转向锥度发生变化，从而影响车轮临界速度发生变化，因此工况5的临界速度变大。因此，在直线运行状态下，轮轨匹配低于0.4mm时，车辆的临界速度可保持在400km/h以上，从而确保车辆正常运行。

3 动力学仿真

3.1 轮重差和减载率

从实测数据可看出，随着运行里程的增加，车轮型面侧缘贴靠发生频率增加，可出点两点或多点的接触关系，曲线运行状态发生频率高于直线运行状态，造成左、右车轮型面磨耗产生差异。

造成车轮静态下轮重产生差异，轮重减载率也发生变化，静态下左、右车轮轮重差最大3.1kN，与标准轮重52kN比高达5.8%，超过安全标准IEC6113的4%、GB/T3317-2006的2%[ 3，4 ]。

本研究设置车辆运行速度为250km/h，运行曲线半径8000m的圆曲线，在不同的工况情况下，轮重及轮重减载率震动率如表4所示，随着车轮磨耗加剧，减载率缓慢增加，车轮轮径减小，下凹量增大，车轮承受的载荷发生变化，随着运营时间越久，车量经过曲线的安全性逐渐下降，在超高条件下，脱轨系数增大。

3.2 车辆磨耗

轮轨型面磨耗使轮轨接触关系发生变化，接触点处踏面曲率半径和接触面积减小，造成应力增大，加剧车辆磨耗[ 5 ]。各工况下磨耗随着运行里程增加而加剧，造成车轮型面下凹深度越深。S1-S4工况下车轮磨耗功率增加率较低，分别为2.1Nm/s、4.6Nm/s、4.8Nm/s、5.7Nm/s。S5磨耗功率最大，高达8.7Nm/s，可见车轮下凹深度<2mm时，磨耗功率增加率较低，当下凹深度>2mm时，磨耗功率增大。

4 结论

本研究仅测定5次，以实测数据进行仿真研究5种工况下车轮型面磨耗对车辆的影响，虽然测值量满足车辆运行要求，但在车辆实际运行中，需考虑多种动态因素对型面磨耗的影响。

随着车轮型面的改变，车辆动力学也随着发生变化，尤其对于工况S5型面，磨耗较大，对车辆的影响较大，应及时进行镟修，防止钢轨过大劳损，镟修后可极大恢复车轮动力学性能。

车轮型面的磨耗主要引起车辆静态力学性能的改变，同时引起静态接触关系改变，造成车辆运行的安全性下降，尤其对于车辆前传向架的影响较大，若设定等锥度值为≤0.4，保持车辆的安全性。车轮型面出现下凹时，可加剧车辆磨耗，磨耗下凹>2mm時，车辆的安全性极大下降，影响到车辆的安全运行。

参考文献：

[1] 李煜，张剑，张雪珊.车轮型面位置偏移对车辆动力学性能的影响[J].大连交通大学学报，2015（01）：18-23.

[2] 韩鹏，张卫华.轮对结构弯曲及型面磨耗对高速列车振动性能的影响[J].振动与冲击，2015（05）：207-212.

[3] 韩鹏，张卫华，李艳，黄冠华.轮对磨耗与轮径差对高速列车动力学性能的影响[J].交通运输工程学报，2013（06）：47-53.

[4] 张卫华，李艳，宋冬利.高速列车运动稳定性设计方法研究[J].西南交通大学学报，2013（01）：1-9.

[5] 张冰玉.基于SIMPACK的高速动车组建模与仿真[J].天津职业院校联合学报，2016（03）：33-38.

作者简介：李亭（1988-），男，汉族，陕西绥德人，硕士，助教，专业：车辆工程，研究方向：车辆自动化控制、人工智能。