动车组车轮踏面凹形磨耗发展规律及其对车辆稳定性的影响

杨 陈 贾小平 李龙涛 许 旭 苏文静

(中车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京∥第一作者，工程师)

0 引言

根据调查发现，我国新建高速铁路上运营的动车组车轮主要以踏面凹形磨耗为主。车轮踏面凹形磨耗的产生和发展会逐步恶化轮轨接触关系，进而影响转向架和车辆的振动特性。文献[1-3]研究了动车组车轮踏面凹形磨耗对高速动车组轮轨相互作用的影响，结果表明：踏面凹形磨耗会增加轮轨间高频垂向振动，使轮轨横向力的幅值显著增加。文献[4]对比研究了不同线路、相同平台动车组车轮磨耗的演变规律，以及踏面凹形磨耗对动车组动力学性能的影响。文献[5]通过对武广线上运行的某高速动车组开展跟踪测试，发现随着车轮踏面凹形磨耗发展，会使转向架和轮对的横向振动加速度快速增大，车辆的稳定性和平稳性有所降低，并认为车轮凹形磨耗是引发转向架横向报警的直接原因。文献[6]系统地总结了我国高速铁路车轮断面横向磨耗情况，并提出了7个方面的措施来抑制车轮踏面的凹形磨耗。随着车轮踏面凹形磨耗的发展往往还会引发车辆的异常振动；随着车辆运营里程的增加，发现部分列车在经过特定区段时会出现抖车现象[7]。在问题列车的车轮型面测量中均发现车轮踏面出现凹形磨耗的情况，如图1所示。镟轮后异常抖车现象消失。为了研究车辆异常抖车与车轮踏面凹形磨耗的关系，本文首先对某高速动车组运行过程中所采集的试验数据进行分析，然后对镟修周期内该型动车组车轮踏面廓形进行长期跟踪测量，以掌握车轮踏面的磨耗特征和轮轨接触关系的演变规律。通过建立刚柔耦合车辆动力学模型来研究车轮踏面凹形磨耗发展对车辆稳定性的影响。

图1 车轮凹形磨耗

1 抖车试验分析

该型动车组车轮的常规镟修周期为30万km，但在实际运营中发现，部分列车在运营17万km时,经过固定区段时会出现车辆异常振动现象。通过添乘试验的反馈，判断该车辆的异常振动为车体抖动(即抖车)，每次持续约2～3 s。图2为抖车段和非抖车段的车体地板面横向振动加速度时域和频域数据。分析可知，发生抖车时，车体横向振动加速度时域信号会迅速增加并呈现明显的谐波特性，振动能量主要集中在10 Hz左右，相较于非抖车段的主频幅值增大了20倍。利用试验数据对车体和构架进行工作变形分析(ODS)，发现车辆经过抖振段时，车体振动幅度加强，抖振主频可辨，呈现车体随构架蛇行运动而抖动现象。因此，推测引起车体异常抖动的原因是车轮踏面凹形磨耗导致车辆稳定性下降。

a)抖车段振动加速度时域曲线

2 车轮踏面特征分析

为验证引起列车运营中车体异常抖动的原因，对发生抖车的列车进行长期车轮型面跟踪测量。使用RIFTEK激光轮廓测量仪设备对车轮踏面进行扫描，按照车辆运行5万km为1个节点，测试一次车轮型面数据。跟踪周期为1个镟修周期。对所测车轮的型面进行分析，建立轮对磨耗数据库，得到每次测量时轮对的踏面等效斜度、踏面凹形磨耗及轮轨匹配关系图等。对上述变量在同一列车中的变化趋势进行研究，统计等效斜度及车轮磨耗随车辆运营的发展规律和内在联系。

图3为不同运营里程下标准LM型(磨耗型)车轮踏面廓形分布图。图4为不同运营里程下标准LM型车轮与60 N钢轨匹配的轮轨接触关系。由图4可知，不同运营里程下车轮均出现不同程度的凹形磨耗，车轮初始外形下轮轨接触状态良好，接触线连续均布；运行5万km后，接触线开始集中，接触范围变窄，且接触点位置出现跳跃；随着运行里程的增加，轮轨接触点由轨头踏面中心逐步偏向轨距角，接触范围进一步变窄，同时存在较大跳跃。因此在车辆实际运行中，较大程度凹形磨耗的车轮在一定横移量激励下会使轮轨接触位置突变，进而引发车体的异常振动。

图3 标准LM型车轮踏面廓形演变

a)标准LM型车轮踏面

图5为不同运营里程下车轮等效斜度的分布图，图6为不同运营里程下踏面凹形磨耗量与等效斜度的关系散点图。经分析可知，镟轮后5万km的车轮等效斜度主要分布在0.4～0.6，且此时踏面凹形磨耗量对等效斜度影响不明显；镟轮后10万km的车轮等效斜度主要分布在0.50～0.66，等效斜度开始呈现随着踏面凹形磨耗量的增大而增大的趋势；镟轮后15万km的车轮等效斜度主要分布在0.60～0.73，等效斜度呈现随着踏面凹形磨耗量的增大而增大的趋势；镟轮后17万km的车轮等效斜度主要分布在0.65～0.80，等效斜度呈现随着踏面凹形磨耗量的增大而增大的趋势明显。

a)镟轮后5万km

a)镟轮后5万km

将上述数据作均值处理并汇总至图7，进而推导出等效斜度与车轮踏面凹形磨耗量之间的估算式为：

图7 踏面凹形磨耗量与车轮踏面等效斜度的关系分析

Y=0.319 7X+0.120 1

(1)

式中：

Y——轮对等效斜度；

X——轮对踏面凹形磨耗量, mm。

式(1)可为车轮等效斜度与踏面凹形磨耗量的估计提供理论参考。

3 凹形磨耗发展对车辆稳定性的影响

为了得到车轮踏面凹形磨耗发展对该型动车组车辆稳定性[8]的影响规律，依据动力学参数建立了考虑车体和构架弹性的刚柔耦合车辆动力学模型[9]，如图8所示。该模型包括1个车体，2个构架，4个轮对，8个轴箱以及一系、二系悬挂元件。车辆系统考虑了车体、构架和轮对的纵向、横向、垂向、侧滚、点头和摇头等6个方向的自由度，以及轴箱的点头自由度，共计50个自由度[10-11]。仿真计算中采用线路实测轨道不平顺激励。

图8 动车组单节车辆动力学模型

基于车轮踏面实测数据开展车辆稳定性仿真计算[12-13]，不同磨耗阶段的凹形磨耗踏面对车辆稳定性的仿真影响结果如表1所示。车辆的蛇行临界速度(以下简称为“临界速度”)与镟轮后运行里程的关系如图9所示。构架横向振动加速度最大值与镟轮后运行里程的关系如图10所示。由分析结果可知，该型动车组车辆的临界速度随车轮踏面凹形磨耗的增加呈现下降趋势，镟轮后17万km踏面工况下临界速度最小，其值为194 km/h，相较于初始踏面工况的临界速度下降了40%；该型动车组车辆的构架横向振动加速度最大值随车轮踏面凹形磨耗的增加呈现上升趋势，镟后17万km踏面工况下构架横向振动加速度最大值为5.26 m/s2，相较于初始踏面工况的构架横向振动加速度增大了37%。因此，车辆稳定性会随车轮踏面凹形磨耗的发展而显著下降，进而使具有较大车轮凹形磨耗工况的车辆在一定线路激励作用下发生车体的异常抖动。

表1 不同磨耗阶段的凹形磨耗踏面对车辆稳定性仿真结果

图9 车辆的临界速度与镟轮后运行里程的关系

图10 构架横向振动加速度最大值与镟轮后运行里程的关系

4 结语

本文分析了某型动车组运行中发生的异常抖车现象。跟踪了镟修周期内车轮踏面特征的演变。建立刚-柔耦合车辆动力学模型来研究车轮踏面凹形磨耗量发展对车辆稳定性的影响规律。其研究结果表明，随着列车车轮踏面凹形磨耗量的增加，轮轨接触范围变窄，易发生接触点跳跃现象，且车轮等效斜度会增大，车辆的临界速度会显著下降，从而使列车运行的稳定性降低。因此，当车轮踏面凹形磨耗发展到一定程度时，一旦线路存在较大的激扰，会使转向架产生蛇行运动，引发动车组抖车现象。通过对车轮踏面进行镟修，恢复到初始廓形，可以大幅度降低等效斜度，改善轮轨匹配关系，以最终解决动车组的车体异常振动问题。