车轮廓形对城际动车组车轮Ⅰ类滚动接触疲劳的影响

刘冉，栗杨，王衡禹，赵鑫

车轮廓形对城际动车组车轮Ⅰ类滚动接触疲劳的影响

刘冉，栗杨，王衡禹，赵鑫

（西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

就某城际动车组车轮的Ⅰ类滚动接触疲劳，选择一列动车组开展一个镟修周期的车轮廓形对比试验，其中1～4车用LMA廓形、5～8车用LM廓形。发现相同运行里程下，LM廓形车轮出现了Ⅰ类疲劳、但LMA廓形车轮未出现。基于SIMPACK建立了车辆动力学模型，并运用损伤函数开展疲劳预测。结果表明，导向轴低轨侧车轮易萌生Ⅰ类疲劳，半径在350～450 m范围内的小半径曲线最严重，镟后8万公里后LM廓形车轮的疲劳损伤峰值始终比LMA廓形高，考虑到现场车轮磨耗，可以解释试验中LM廓形发生疲劳而LMA不发生的现象。另外，疲劳峰值随里程呈现一定的波动，与现场观测Ⅰ类疲劳裂纹保持稳定而没有恶化的现象吻合。

城际动车组；车轮廓形；滚动接触疲劳；车辆动力学；损伤函数

最高运行200 km/h城际动车组具有载客量大、速度快、快启快停等特征，可公交化运营，但由于运行线路的站间距短、曲线占比较大、小半径曲线多等客观条件[1-2]，使得城际铁路轮轨服役环境复杂，轮轨损伤问题频发[3-5]。参考DEUCE[6]的车轮滚动接触疲劳分类，我国某城际动车组在服役过程中出现了Ⅰ类连续型车轮滚动接触疲劳损伤[3-5]（以下简称Ⅰ类疲劳），如图1所示。

图1 我国某城际动车组车轮萌生的滚动接触疲劳

就萌生机理而言，滚动接触疲劳是循环接触载荷作用下车轮表层材料塑性变形累积至突破韧性极限时的结果，后期可能导致表面材料剥离掉块，破坏轮轨接触面平顺，加剧轮轨动态作用，增加轮轨噪声辐射[3,7-9]。定期车轮镟修是修复疲劳车轮的常用手段，但频繁镟修不仅会大大降低车轮服役寿命，也增加了维护成本[10-11]。为解决上述城际动车组的车轮滚动接触疲劳问题，在其运行线路上开展了不同车轮廓形的线路对比试验，研究车轮廓形对车轮滚动接触疲劳的影响，具体为在同一列动车组使用了LMA和LM两种廓形，并配用相应的抗蛇行减振器。本文重在展示不同廓形下I类疲劳的跟踪测试结果，并利用数值模拟手段解释其机理。

针对时速250 km/h干线高速动车组Ⅰ类疲劳，国内外开展了跟踪测试研究。王玉光等[12]、ZHAO等[13]发现疲劳裂纹可在镟后10万公里萌生，但发展程度较轻，不影响正常运营，还开展了基于车辆系统动力学分析的疲劳预测，发现上述Ⅰ类疲劳的根本原因是个别曲线段钢轨打磨廓形不当和轮轨磨耗廓形。蔡宇天等[4]跟踪观测和数值模拟了某城际动车组车轮滚动接触疲劳损伤，发现该城际动车组车轮Ⅰ类疲劳的直接原因是小半径曲线上低轨侧轮轨相互作用，车轮廓形演化会造成疲劳损伤峰值增加和疲劳区外移现象。陶功权等[14]就国内普速铁路25G型客车的Ⅰ类疲劳问题进行分析，认为曲线通过时低轨侧轮轨相互作用是其根本原因，曲线半径越小疲劳损伤越严重。温邦[15]研究了某地铁车轮Ⅰ类与Ⅱ类疲劳问题，发现轮轨蠕滑力随着曲线半径的减小而急剧增大，磨耗后车轮通过小半径曲线是其主要原因。

针对车轮廓形对滚动接触疲劳的影响，国内外也开展了研究。王家玉等[16]对比了JM、JM2和JM3等三种廓形的机车车轮剥离，发现JM2型廓形存在一段半径较小的圆弧，使得曲线通过时易产生应力集中，导致其疲劳及剥离概率远高于JM和JM3，彰显了车轮廓形对疲劳的巨大影响。SHEVTSOV等[17]开发了一种基于滚动圆半径差函数的车轮廓形设计方法，综合考虑滚动接触疲劳与磨耗，设计了一种新车轮型面，数值仿真表明轮轨廓形对滚动接触疲劳有很大影响。针对重载货运机车车轮的严重Ⅰ类疲劳，HOSSEIN等[18]开展仿真研究，发现轮轨匹配不当导致的大蠕滑力是其根本原因，并利用遗传算法设计了两种新车轮廓形，大大延长了机车车轮的服役寿命。目前尚缺少车轮廓形对城际动车组车轮Ⅰ类疲劳影响的研究。

本文首先介绍装配LMA与LM两种车轮廓形的城际动车组试验结果，统计两种廓形下Ⅰ类疲劳的差异。其次，建立试验动车组车轮疲劳数值预测模型，揭示廓形对Ⅰ类滚动接触疲劳影响的根本原因。

1 现场跟踪观测

试验选用的城际动车组为8辆编组，其中2、3、6、7车为动车、其余车为拖车，车厢编号和奇、偶数侧等定义如图2所示，1～4车厢车轮使用LMA车轮廓形、5～8车厢使用LM廓形，研磨子作用方式均为低压间歇作用[5]。动车组在城际线路上运行时的方向如图3所示，由北向南运行（从A站开往B站）时8车4轴导向，返回时1车1轴导向，往返不调头运行，线路左右曲线以A站朝向B站的方向规定，则车辆通过左曲线时奇数侧车轮位于低轨侧。

图2 城际动车组试验列车示意图

图3 城际线路上动车组运行方向

就该试验动车组开展一个持续镟修周期的跟踪调研，每运行约2万公里进行一次跟踪测试，记录车轮踏面的疲劳裂纹分布区域、裂纹角度、轮位等信息，测量车轮廓形，并记录运行里程、局部镟轮时间等信息。第一次测试在2019年12月15日开展，当时镟后里程2.2万公里，2020年10月20日镟后里程20.1万公里时进行了最后一次跟踪测试，共10次。最后一次跟踪测试之后，车轮因磨耗到限而全列换轮，此前2020年9月19日（镟后里程16.1万公里）时对部分疲劳严重车轮进行了镟修。

1.1 跟踪观测结果

图4展示了历次跟踪观测时两种廓形车轮的疲劳发生情况，使用LMA廓形的半列车上未发生Ⅰ类疲劳，而使用LM廓形的半列车上平均发生率（疲劳车轮数/总数）为12.5%，且疲劳发生率随着里程基本稳定。使用LM廓形的半列车上，Ⅰ类疲劳裂纹发生在名义滚动圆外5～17 mm处，裂纹与车轴平均夹角45°。图5中各种颜色的双箭头表示不同镟后里程下试验动车组LM廓形车轮萌生疲劳区在踏面上的平均分布范围，可见随运行里程增加Ⅰ类疲劳区存在朝远离名义滚动圆方向移动的现象。

图4 动车组试验列车Ⅰ类疲劳车轮个数

图5 动车组试验列车LM廓形车轮Ⅰ类疲劳区域分布

图6详细展示了历次调研中发生Ⅰ类疲劳的轮位信息，其中头尾车指8车。考虑到LM廓形装备了4节车厢，则Ⅰ类疲劳在头尾车上的发生概率较高，动车上发生数占比达75%。另外，疲劳车轮全发生在偶数侧，这主要因为试验动车组不调头运行，主导I类疲劳的小半径曲线在所运行城际线路上全为右曲线，即小半径曲线通过时偶数侧车轮位于低轨侧[14]。

1.2 车轮廓形演化

相关研究表明，磨耗导致廓形失形是影响滚动接触疲劳的重要因素[12-13]。图7展示了跟踪期间试验动车组的车轮廓形演化及磨耗分布。可见LMA廓形车轮的轮缘磨耗比LM廓形车轮更严重，其平均轮缘磨耗速率分别为0.081 mm/万公里和0.054 mm/万公里；LM廓形车轮的磨耗分布在名义滚动圆（横坐标为零）附近存在一个较明显的峰值，而LMA廓形磨耗则分布很平稳。

图6 动车组试验列车Ⅰ类疲劳车轮轮位

图7 动车组试验列车车轮廓形与踏面磨耗分布

图8展示了试验动车组在跟踪期内的平均轮缘厚度演化，为同类廓形所有车轮的平均值。镟后0万公里数据取自动车所采用的经济型廓形，LMA和LM廓形的轮缘厚度分别为28 mm和30 mm。可见，两种廓形车轮的轮缘厚度均有减小的趋势，尤其是LMA廓形。

图8 试验动车组车轮平均轮缘厚度随里程的变化

1.3 线路调研

所运行城际线路曲线占比较大，曲线总长占比达54%，不同半径曲线占曲线总长比例如图9所示，可见，曲线半径小于550 m的曲线即小半径曲线全为右曲线（占曲线总长3.6%），半径800～2000 m的中半径曲线则全为左曲线（占曲线总长7.8%），大半径曲线的左右曲线基本平衡。选取城际线路典型曲线段上的钢轨廓形进行测量，曲线半径范围350～4000 m。钢轨廓形测量结果表明，直线段钢轨磨耗量较小，而圆曲线段高、低轨分别以侧磨与垂磨为主，尤其在小半径曲线上磨耗最严重。

2 数值模型

2.1 车辆系统动力学模型

车辆运行时轮轨接触面上的动态作用对车轮滚动接触疲劳有重要的影响，但相关数据无法从现场直接采集，因此必须进行基于现场调研数据的车辆动力学仿真以求得实际轮轨动力作用，为车轮滚动接触疲劳预测奠定基础。使用SIMPACK建立了单节拖车的动力学模型，如图10所示，共有50个自由度，由1个车体、2个构架、4条轮对和8个转臂共15个刚体构成，其中车体、轮对和构架各考虑6个自由度，转臂仅考虑1个点头自由度，如表1所示。车体与构架间通过空气弹簧、抗蛇行减振器、横向止挡等二系悬挂装置连接，构架与轮对之间通过一系悬挂装置连接。

图9 城际线路不同曲线半径范围内的左、右曲线占比

图10 城际动车组的车辆系统动力学模型

表1 车辆系统动力学模型自由度

以武广线轨道激励作为不平顺激励函数，考虑垂向激扰与横向激扰，具体计算时考虑新轮新轨匹配与磨耗后实测轮轨廓形匹配的结果。曲线半径、超高、曲线长度等线路参数及对应通过速度均按照现场调研实际线路参数设置如表2所示，为方便分析将所有仿真工况均设置为右曲线。

表2 仿真曲线参数设置

2.2 滚动接触疲劳预测模型

使用损伤函数预测滚动接触疲劳萌生的方法已经非常成熟[19-21]，将上述车辆系统动力学仿真得到的轮轨法、切向接触解导入损伤函数中，可预测车轮的滚动接触疲劳损伤。损伤函数模型如图11所示，横轴为磨耗数，纵轴为损伤量，其值取正、负分别表示发生疲劳和磨耗损伤，总损伤为两者的代数叠加。

蠕滑力的计算公式[4]为：

式中：Tx和Ty分别为纵向、横向蠕滑力，N；γx和γy分别为纵向、横向蠕滑率。

ER8车轮钢的损伤函数关键参数如表3所示[12]。综合考虑轮轨间液体对疲劳裂纹的影响，仅当车轮受到的纵向蠕滑力方向与车辆运行方向相反时才考虑疲劳损伤，而磨耗损伤的计算与车轮纵向蠕滑力的方向无关[4]。

表3 ER8车轮钢损伤函数关键参数[12]

3 仿真结果分析

仿真车辆匀速通过表2所示的不同半径曲线，提取圆曲线上20 s的轮轨接触结果进行滚动接触疲劳损伤预测。先模拟新轮新轨匹配下车轮疲劳损伤情况，之后考虑现场调研磨耗轮轨的匹配。

3.1 新轮新轨匹配

轮缘厚度30 mm的LM-30车轮廓形和轮缘厚度28 mm的LMA-28车轮廓形分别与CHN60钢轨匹配时，导向轴（1轴）左、右侧车轮损伤量随曲线半径的变化如图12所示，“1L”和“1R”为车轮编号、分别表示1轴的左轮和右轮。预测显示两种廓形导向轴低轨侧车轮（1R）均会产生Ⅰ类疲劳，相同半径条件下LMA廓形疲劳峰值比LM高，疲劳区分别为滚动圆外侧14～25 mm和0～24 mm，LMA廓形疲劳区比LM更靠外。另外，导向轴高轨侧车轮（1L）会在轮缘根部产生明显的轮缘磨耗损伤，且随着曲线半径的减小而加剧。需指出上述Ⅰ类疲劳与轮缘磨耗分别在半径400 m和半径350 m曲线达到最值，即小半径曲线通过时高轨侧轮缘磨耗和低轨侧I类疲劳的主导性因素。

由图13所示磨耗数随曲线半径的变化可知：半径小于约500 m曲线上，导向轴（1轴）左右侧车轮的磨耗数都已超过了损伤函数中的磨耗门槛值；相同半径下，LM廓形车轮的磨耗数始终大于LMA廓形车轮。对于高轨侧1L车轮，因其纵向蠕滑力与列车运行方向相同，故仅表现为磨耗损伤，曲线半径越小，磨耗数越大，磨耗越严重。Ⅱ位转向架导向轴（3轴）左右轮损伤规律与1轴基本相同，但损伤峰值略低。对于非导向轴（2、4轴），因磨耗数几乎都在疲劳损伤门槛值之下，故不会产生疲劳或磨耗损伤。

图12 导向轴左、右侧车轮损伤量随曲线半径的变化

图13 Ⅰ位转向架各车轮平均磨耗数随曲线半径的变化

综上，仿真得出，LM廓形Ⅰ类疲劳区为0～24 mm，且LMA廓形疲劳损伤峰值高于LM廓形；而现场观测LM廓形车轮Ⅰ类疲劳区在名义滚动圆外5～17 mm处，同时相同运行里程下LM廓形产生Ⅰ类疲劳而LMA廓形未出现。因此新轮新轨仿真并不能反映现场LM廓形车轮快速产生疲劳的现象，有必要考虑磨耗轮轨廓形以真实地还原现场轮轨服役状态。

3.2 磨耗轮轨匹配

以新轮新轨匹配条件下Ⅰ类疲劳最严重的400 m半径曲线为例，提取不同里程下磨耗廓形计算得到的1R车轮疲劳损伤量峰值进行对比，同时分析了平均接触点位置的变化。磨耗车轮廓形选取所调研镟修周期内不同里程下1车与8车的实测车轮廓形，磨耗钢轨廓形为现场调研对应半径曲线上实测钢轨型面。

由图14可见，镟后8万公里是两种廓形疲劳损伤峰值对比的临界值；在镟后8万公里之前，两种廓形的抗疲劳性能没有明显的差异；而在镟后8万公里之后，LM廓形车轮产生的疲劳损伤峰值始终比LMA廓形的高；这说明在磨耗达到一定程度后，LM廓形车轮会比LMA廓形车轮更易产生Ⅰ类疲劳。在镟后8万公里后，两种廓形疲劳损伤的峰值基本在一定范围内波动，并没有较大的跳跃，这与现场观测到的疲劳裂纹随镟后里程的增加基本保持稳定而没有加剧的事实相吻合，也验证了仿真预测的正确性。

图14 1R车轮的Ⅰ类疲劳损伤峰值与平均接触点位置随镟后里程的变化

所调研城际线路小半径曲线段高轨侧钢轨侧磨量较大，因此轮对在通过小半径曲线时会产生朝向高轨侧的较大横移，这会促进低轨侧车轮的轮轨接触点位置向名义滚动圆外侧移动。在另一方面，动车组试验列车LMA与LM廓形车轮均存在明显轮缘磨耗，且LMA廓形车轮轮缘磨耗更严重，轮缘厚度随着服役里程的增加快速减小。所以在通过小半径曲线时LMA廓形车轮的接触点位置向外侧横移更大，因此在磨耗轮轨匹配的仿真中LMA廓形车轮的Ⅰ类疲劳区始终比LM廓形车轮的更靠外，同时随着运行里程进一步增大两种廓形1R车轮轮轨接触点位置差越来越小，直至镟后20万公里两者接触点位置重合。

如图15所示，虽然在小半径曲线情况下LM廓形车轮疲劳损伤比LMA廓形疲劳损伤更严重，但LMA廓形疲劳预测结果并不为0，这与现实LMA廓形无疲劳的现象似乎不符。这是因为在损伤函数模型中，当磨耗数小于磨耗门槛值时认为磨耗损伤为0，事实是只要车辆运行，磨耗时时刻刻都会发生，即损伤函数低估了现实中的磨耗程度。考虑上述低估的磨耗，LMA廓形不会像预测的那样萌生疲劳裂纹。图15中红色点划线定性表示了磨耗低估的影响，之下疲劳损伤在服役中都会被磨去，而现场观测到的疲劳损伤之上部分的结果，这也解释了现场观测的疲劳区比仿真预测更窄且疲劳较轻微的原因。

图15 镟后8万公里1R车轮廓形的损伤预测

4 结论

本文针对车轮廓形对城际动车组车轮Ⅰ类滚动接触疲劳的影响，开展了不同车轮廓形的线路对比试验，并结合车辆动力学仿真初步解释了试验现象，主要结论如下：

（1）线路对比试验发现，相同运行里程下，LM廓形车轮会产生Ⅰ类疲劳而LMA廓形不发生，疲劳区位于名义滚动圆外5～17 mm；

（2）随服役里程增加，LM廓形Ⅰ类疲劳区有逐渐向滚动圆外侧横移的趋势，但已萌生的疲劳裂纹基本保持稳定，并没有进一步恶化。

（3）仿真结果表明，试验动车组上车轮Ⅰ类疲劳损伤以350～450 m小半径曲线最严重；镟后8万公里前，两种廓形车轮疲劳损伤情况无明显差异，而之后LM廓形疲劳损伤峰值始终比LMA廓形高，可以解释试验中LM廓形发生疲劳而LMA廓形不发生的现象。

（4）疲劳峰值随里程呈现一定的波动，与现场观测Ⅰ类疲劳裂纹保持稳定而没有恶化的现象吻合。

[1]丁叁叁，张忠敏，何丹炉，等. 城际动车组总体技术设计[J]. 机车电传动，2014（6）：10-15.

[2]焦京海，曹江，刘江涛，等. 城际动车组牵引系统研制[J]. 机车电传动，2015（3）：5-9.

[3]赵鑫，温泽峰，王衡禹，等. 中国轨道交通轮轨滚动接触疲劳研究进展[J]. 交通运输工程学报，2021，21（1）：1-35.

[4]蔡宇天，赵鑫，陈佳明，等. 城际动车组车轮Ⅰ类滚动接触疲劳机理研究[J]. 中南大学学报（自然科学版），2020，51（9）：2653-2662.

[5]赵长雨，赵鑫，许世杰，等. 城际动车组车轮廓形演化特点和原因分析[J]. 铁道科学与工程学报，2021，18（9）：2427-2435.

[6]DEUCE R. Wheel tread damage-an elementary guide[R]. Siegen：Bombardier Transportation GmbH，2007：110-126.

[7]门天龙，师陆冰，王文健，等. 轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展路径研究[J]. 机械，2018，45（9）：59-62.

[8]BOLD P E，BROWN M W，ALLEN R J. Shear mode crack growth and rolling contact fatigue[J]. Wear，1991，144（1-2）：307-317.

[9]赵小罡，赵鑫，温泽峰，等. 轮轨黏着系数对钢轨直裂纹瞬态扩展行为的影响[J]. 工程力学，2018，35（5）：239-245.

[10]HOU K，KALOUSEK J，LAMBA H，et al. Thermal effecton adhesion in wheel/rail interface[C]. Japan：Proceedings of the fifth International Conference on Contact Mechanics and Wear of Wheel/Rail Systems，2000：239-244.

[11]SUN J，SAWLY K J，STONE D H，et al. Progress in the reduction of wheel spalling[C]. Qingdao：Proceeding of the 12th International Wheelset Congress，1998：18-29.

[12]王玉光，卢纯，赵鑫，等. 高速动车组车轮滚动接触疲劳观测与模拟研究[J]. 机械工程学报，2018，54（4）：150-157.

[13]ZHAO Xin，Wen Zefeng，Liu Degang，et al. Observations and monitoring of the rolling contact fatigue of Chinese high-speed wheels[C]. New York：Proceedings of the 18th International Wheelset Congress，IEEE，2016：55-59.

[14]陶功权，王衡禹，赵鑫，等. 基于轮轨关系的车轮踏面损伤机理研究[J]. 机械工程学报，2013，49（18）：23-29.

[15]温邦. 地铁车轮踏面滚动接触疲劳形成机理及对策研究[D]. 成都：西南交通大学，2017.

[16]王家玉，王顺福. 机车轮对JM、JM2、JM3磨耗型踏面及其剥离[J]. 内燃机车，2009（5）：34-37.

[17]SHEVTSOV I Y，MARKINE V L，ESVELD C. Design of railway wheel profile taking into account rolling contact fatigue and wear[J]. Wear，2008（265）：1273-1282.

[18]HOSSEIN NIA S，CASANUEVA C，STICHEL S. Prediction of RCF and wear evolution of iron-ore locomotive wheels[J]. Wear，2015（62-72）：338-339.

[19]温静. 地铁轨道曲线段轮轨滚动接触疲劳分析[D]. 成都：西南交通大学，2020.

[20]梁喜仁，陶功权，陆文教，等. 地铁钢轨滚动接触疲劳损伤研究[J]. 机械工程学报，2019，55（2）：147-155.

[21]方骏. 基于瞬态机制下高速列车轮轨滚动接触疲劳研究分析[D]. 南昌：华东交通大学，2016.

Effect of Wheel Profile on Rolling Class ⅠContact Fatigue of Intercity EMU Wheels

LIU Ran，LI Yang，WANG Hengyu，ZHAO Xin

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

To study the effect of wheel profile on classⅠrolling contact fatigue arising on wheels of intercity EMU (Electric Multiple Units), a comparison test was carried out on one EMU covering a period of wheel re-profiling. The LMA profiles was used for the wheels of the first to fourth vehicles of the EMU and the LM profiles was applied for the wheels of the fifth to eighth vehicles. It was found that there was no rolling contact fatigue damage on the wheels of LMA profiles, but classⅠrolling contact fatigue occurred on the wheels of LM profiles under the same running mileage. The vehicle dynamics model was developed with SIMPACK and the rolling contact fatigue prediction was conducted through the damage function. The simulating results show that the wheels of leading wheelset on the low rail are easy to generate classⅠrolling contact fatigue when EMUs pass through the curves especially for sharp curves within the radius of 350～450 m. The fatigue damage peak value of LM wheel profiles is always higher than that of LMA wheel profiles after a mileage of 80,000 km. Considering the wheel wear in the actual service, the phenomenon that LM profiles fatigue occurs but LMA does not can be explained. In addition, the fatigue damage peak value fluctuates with the change of the mileage, which is consistent with the phenomenon that the classⅠfatigue crack remains stable but does not deteriorate.

intercity electric multiple units；wheel profile；rolling contact fatigue；vehicle dynamics；damage function

U270.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.10.007

1006-0316 (2022) 10-0042-09

2021-12-24

国家自然科学基金（51675444）；四川省区域创新合作项目（2020YFQ0024）；广西省科技计划项目（AD20297125）

刘冉（1996－），男，甘肃定西人，硕士研究生，主要研究方向为轮轨关系及动力学，E-mail：liuran502@163.com。