基于實(shí)測(cè)鋼軌廓形的輪軌匹配等效錐度對(duì)比研究

侯茂銳，郭濤，張志波

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081；2.中車唐山機(jī)車車輛有限公司 轉(zhuǎn)向架技術(shù)中心，河北 唐山063500；3.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東 青島266000）

1 概述

輪軌系統(tǒng)技術(shù)是高速鐵路的核心技術(shù)之一，輪軌服役行為直接關(guān)系到列車的運(yùn)行安全，是保障高速鐵路安全、高效運(yùn)營(yíng)的重要支撐。自2008年第1條高速鐵路——京津城際開(kāi)通以來(lái)，我國(guó)高速鐵路總體保持了優(yōu)良的平穩(wěn)性和舒適性，極大的滿足了人們出行方式的轉(zhuǎn)變。但由于我國(guó)高速鐵路輪軌匹配的復(fù)雜性，也出現(xiàn)了一些由于局部輪軌匹配不良引發(fā)的動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度報(bào)警、晃車、抖車等車體低頻異常振動(dòng)和扣件彈條斷裂、車輪多邊形等高頻異常振動(dòng)問(wèn)題［1-2］。

等效錐度是車輪踏面與鋼軌軌頭廓形進(jìn)行匹配，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的與輪對(duì)橫移量之間相關(guān)的非線性曲線。為了使用方便，規(guī)定輪對(duì)橫移量3 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的等效錐度為名義等效錐度［3］。由于名義等效錐度具有直觀、簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)廣泛用于評(píng)價(jià)輪軌型面匹配性能［4-5］。本次研究的等效錐度均指名義等效錐度。近年來(lái)，諸多研究人員對(duì)等效錐度及其對(duì)車輛異常振動(dòng)的影響開(kāi)展了多方面研究。文獻(xiàn)[6]研究了武廣高速鐵路CRH3型動(dòng)車組構(gòu)架橫向失穩(wěn)問(wèn)題，車輪凹磨、鋼軌雙光帶使得局部等效錐度達(dá)到0.5～0.7，由此引發(fā)構(gòu)架橫向失穩(wěn)。文獻(xiàn)[7-8]分別研究了衡柳線、海南環(huán)島高速鐵路由于輪軌匹配等效錐度過(guò)小（約0.07）引發(fā)的車體1～2 Hz低頻晃動(dòng)問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]研究了哈齊客專運(yùn)行的CRH5型動(dòng)車組，由于鋼軌廓形打磨不到位使得等效錐度增大，引發(fā)車體出現(xiàn)6～8 Hz的高頻異常振動(dòng)。文獻(xiàn)[10-11]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)服役動(dòng)車組橫向穩(wěn)定性情況，基于TB60鋼軌提出了4種車輪踏面不同速度級(jí)的服役等效錐度限值，為實(shí)現(xiàn)車輪狀態(tài)鏇修提供指導(dǎo)。

為了系統(tǒng)對(duì)比不同高速鐵路動(dòng)車組輪軌型面匹配特性，在京滬、武廣、哈大、蘭新、貴廣、丹大等6條高速鐵路選擇典型地面測(cè)點(diǎn)和16列動(dòng)車組車輪進(jìn)行為期近2年的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試［12］。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較，分析不同線路實(shí)測(cè)鋼軌廓形對(duì)不同車輪踏面等效錐度的影響，對(duì)比分析了3種主型平臺(tái)動(dòng)車組車輪踏面與不同線路鋼軌廓形匹配的等效錐度差異，描繪出動(dòng)車組鏇輪初期和鏇輪末期的等效錐度變化范圍，為不同線路控制合理的輪軌匹配狀態(tài)提供支撐。

2 地面鋼軌測(cè)點(diǎn)與跟蹤試驗(yàn)動(dòng)車組

在6條高速鐵路共選擇42個(gè)鋼軌斷面進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試，在每條線路選擇1個(gè)典型斷面的鋼軌廓形數(shù)據(jù)進(jìn)行輪軌匹配等效錐度計(jì)算分析［12］。跟蹤測(cè)試動(dòng)車組包括3種平臺(tái)的不同速度等級(jí)動(dòng)車組16列，包含了LMA、S1002CN、LMB-10、XP55四種車輪踏面類型。CRH2平臺(tái)動(dòng)車組應(yīng)用LMA車輪踏面，CRH3平臺(tái)動(dòng)車組主要應(yīng)用S1002CN車輪踏面，部分動(dòng)車組優(yōu)化為L(zhǎng)MB-10車輪踏面，CRH5平臺(tái)動(dòng)車組主要應(yīng)用XP55車輪踏面。選擇1個(gè)鏇輪周期的車輪踏面數(shù)據(jù)進(jìn)行等效錐度計(jì)算分析，具體地面鋼軌測(cè)點(diǎn)及跟蹤測(cè)試動(dòng)車組信息見(jiàn)表1。

表1 地面鋼軌測(cè)點(diǎn)及跟蹤測(cè)試動(dòng)車組信息

3 實(shí)測(cè)鋼軌廓形與設(shè)計(jì)車輪踏面匹配

6條線路鋼軌設(shè)計(jì)廓形不同，主要有TB60和60N，鋼軌打磨指導(dǎo)廓形為60D。由于鋼軌打磨一般應(yīng)用多頭打磨車，主要依靠砂輪對(duì)鋼軌軌頭廓形進(jìn)行磨削，加工精度達(dá)不到機(jī)加工的表面精度；此外，不同鐵路局集團(tuán)公司不同工務(wù)段的打磨方式、策略也不盡相同，開(kāi)通運(yùn)營(yíng)時(shí)間和線路通過(guò)總重也不完全相同，因此，影響鋼軌軌頭廓形變化的因素較多。

不同線路測(cè)點(diǎn)鋼軌軌頭廓形比較見(jiàn)圖1，3種標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面廓形比較見(jiàn)圖2。由圖1可知，哈大高鐵和武廣高鐵的鋼軌軌頭廓形比較接近，工作邊軌距角與其他4條線軌頭廓形相差較大，軌距角處打磨去除材料較多。由圖2可知，S1002CN車輪踏面厚度最大，XP55車輪踏面的輪緣較高，且踏面外側(cè)斜率較大。

為對(duì)比分析不同鋼軌軌頭廓形變化對(duì)輪軌接觸幾何關(guān)系的影響，特分析LMA、S1002CN、XP55標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面與線路實(shí)測(cè)鋼軌匹配的等效錐度變化規(guī)律。

LMA車輪踏面與TB60鋼軌、60N鋼軌以及6條線路實(shí)測(cè)鋼軌廓形匹配的等效錐度比較見(jiàn)圖3。由圖3可知，LMA踏面與不同鋼軌廓形匹配的等效錐度差異較小，基本在0.03附近波動(dòng)。

圖1 不同線路測(cè)點(diǎn)鋼軌軌頭廓形比較

圖2 3種標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面廓形比較

圖3 LMA車輪踏面與不同鋼軌廓形匹配的等效錐度比較

S1002CN車輪踏面與TB60鋼軌、60N鋼軌以及6條線路實(shí)測(cè)鋼軌廓形匹配的等效錐度比較見(jiàn)圖4。由圖4可知，S1002CN車輪踏面與不同鋼軌廓形匹配的等效錐度差異較大，武廣高鐵鋼軌廓形匹配的等效錐度最小，約為0.09；哈大、蘭新高鐵鋼軌廓形匹配的等效錐度比武廣高鐵稍大，等于0.10；其他3條線的等效錐度在0.13左右，分布在TB60鋼軌的0.17與60N鋼軌的0.12之間。可見(jiàn)，S1002CN車輪踏面對(duì)鋼軌廓形的變化較為敏感，鋼軌廓形的微小差異均會(huì)引起S1002CN車輪踏面等效錐度較大的波動(dòng)。

圖4 S1002CN車輪踏面與不同鋼軌廓形匹配的等效錐度比較

XP55車輪踏面分別與TB60鋼軌、60N鋼軌及6條線路實(shí)測(cè)鋼軌廓形匹配的等效錐度比較見(jiàn)圖5。由圖5可知，XP55車輪踏面與實(shí)測(cè)鋼軌廓形匹配的等效錐度差異非常小，主要分布在0.05～0.06。

圖5 XP55車輪踏面與不同鋼軌廓形匹配的等效錐度比較

4 實(shí)測(cè)鋼軌廓形與實(shí)測(cè)車輪踏面匹配

在1個(gè)鏇輪周期內(nèi)，不同線路、不同動(dòng)車組分別采用實(shí)測(cè)車輪與相對(duì)應(yīng)的線路典型實(shí)測(cè)鋼軌廓形進(jìn)行匹配，計(jì)算等效錐度。由于各條線路的鏇輪周期不盡相同，部分動(dòng)車組鏇輪周期甚至超過(guò)25萬(wàn)km，大多鏇輪周期為20萬(wàn)～25萬(wàn)km，部分特殊情況可能為15萬(wàn)km。為便于分析，將鏇輪后首次測(cè)試（約5萬(wàn)km以內(nèi)）稱為“鏇輪初期”，將鏇輪周期內(nèi)最后一次的測(cè)試稱為“鏇輪末期”。平均等效錐度指全列車64個(gè)車輪等效錐度的平均值，重點(diǎn)關(guān)注鏇輪初期和鏇輪末期的等效錐度對(duì)比，鏇輪周期內(nèi)等效錐度隨服役里程的變化規(guī)律參見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。

16列動(dòng)車組鏇輪初期和鏇輪末期的平均等效錐度變化見(jiàn)圖6。由圖6可知，不同線路不同型號(hào)動(dòng)車組的等效錐度差異較大，鏇輪初期平均等效錐度值分布在0.03～0.20，鏇輪末期平均等效錐度值分布在0.03～0.40。等效錐度分布范圍較大與動(dòng)車組類型、踏面類型和鋼軌型面均有一定關(guān)系。

圖6 不同動(dòng)車組鏇輪初期和鏇輪末期的平均等效錐度變化

為了清晰對(duì)比不同型號(hào)動(dòng)車組在不同線路運(yùn)行時(shí)的等效錐度變化特性，分別按照CRH2平臺(tái)、CRH3平臺(tái)和CRH5平臺(tái)動(dòng)車組分別進(jìn)行對(duì)比分析，找出動(dòng)車組在運(yùn)行線路上的等效錐度分布范圍。

4.1 CRH2平臺(tái)動(dòng)車組

CRH2平臺(tái)動(dòng)車組鏇輪初期、鏇輪末期實(shí)測(cè)車輪踏面分別與實(shí)測(cè)鋼軌廓形匹配的平均等效錐度比較見(jiàn)圖7。由圖7可知，京滬高鐵編號(hào)為1的CRH380AL動(dòng)車組、武廣高鐵編號(hào)為5的CRH380AL動(dòng)車組以及貴廣客專編號(hào)分別為12、13的CRH2A動(dòng)車組等效錐度分布基本一致，鏇輪初期和鏇輪末期等效錐度相差較小，鏇輪初期平均等效錐度約等于0.03，鏇輪末期平均等效錐度約等于0.06，分布范圍為0.03～0.06。蘭新客專編號(hào)為10的CRH2G動(dòng)車組等效錐度變化范圍與京滬、武廣、貴廣高鐵的CRH2平臺(tái)動(dòng)車組等效錐度變化范圍相差較大，鏇輪初期平均等效錐度約為0.07，鏇輪末期平均等效錐度約為0.19，分布范圍為0.04～0.19。

圖7 CRH2平臺(tái)動(dòng)車組等效錐度平均值變化

4.2 CRH3平臺(tái)動(dòng)車組

CRH3平臺(tái)動(dòng)車組鏇輪初期、鏇輪末期實(shí)測(cè)車輪踏面分別與實(shí)測(cè)鋼軌廓形匹配的平均等效錐度比較見(jiàn)圖8。京滬高鐵編號(hào)為2的CRH380BL動(dòng)車組應(yīng)用LMB-10車輪踏面，編號(hào)3和4的CRH380BL動(dòng)車組均應(yīng)用S1002CN車輪踏面。由圖4可知，LMB-10車輪踏面鏇輪初期平均等效錐度約等于0.13，鏇輪末期平均等效錐度約等于0.25，分布范圍為0.13～0.25。S1002CN車輪踏面鏇輪初期平均等效錐度約等于0.16，鏇輪末期平均等效錐度約等于0.39，分布范圍為0.16～0.39?？梢?jiàn)，1個(gè)鏇輪周期內(nèi)LMB-10車輪踏面的等效錐度低于S1002CN踏面，對(duì)于緩解轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度超限報(bào)警具有一定作用。

圖8 CRH3平臺(tái)動(dòng)車組等效錐度平均值變化

武廣高鐵編號(hào)為6的CRH3C動(dòng)車組和編號(hào)為7的CRH380B動(dòng)車組均應(yīng)用S1002CN車輪踏面。由圖8可知，武廣高鐵的CRH3型動(dòng)車組等效錐度明顯低于京滬、哈大高鐵。鏇輪初期平均等效錐度約為0.08，鏇輪末期平均等效錐度約為0.22，分布范圍為0.08～0.22。武廣高鐵由于鋼軌軌距角打磨量較大，使得S1002CN車輪踏面的等效錐度明顯降低，鏇輪初期（5萬(wàn)km以內(nèi)）的平均等效錐度小于0.10。

哈大高鐵編號(hào)為8的CRH380BG動(dòng)車組應(yīng)用S1002CN車輪踏面，編號(hào)為9的CRH380B動(dòng)車組應(yīng)用LMB-10車輪踏面。由圖8可知，LMB-10車輪踏面鏇輪初期平均等效錐度約為0.14，鏇輪末期平均等效錐度約為0.28，分布范圍為0.14～0.28。S1002CN車輪踏面鏇輪初期平均等效錐度約為0.20，鏇輪末期平均等效錐度約為0.37，分布范圍為0.20～0.37。LMB-10車輪踏面在鏇輪初期和鏇輪末期的等效錐度均小于S1002CN車輪踏面。

4.3 CRH5平臺(tái)動(dòng)車組

CRH5平臺(tái)動(dòng)車組鏇輪初期、鏇輪末期實(shí)測(cè)車輪踏面分別與實(shí)測(cè)鋼軌廓形匹配的平均等效錐度比較見(jiàn)圖9。由圖9可知，蘭新客專與丹大鐵路的CRH5型動(dòng)車組等效錐度基本一致，蘭新客專編號(hào)為11的CRH5G動(dòng)車組鏇輪初期平均等效錐度約為0.14，鏇輪末期平均等效錐度約為0.28，分布范圍為0.14～0.28；丹大鐵路CRH5型動(dòng)車組鏇輪初期平均等效錐度約為0.09，鏇輪末期平均等效錐度約為0.28，分布范圍為0.09～0.28。

圖9 CRH5平臺(tái)動(dòng)車組等效錐度平均值變化

綜上所述，與實(shí)測(cè)鋼軌廓形匹配，應(yīng)用LMA車輪踏面的CRH2平臺(tái)動(dòng)車組服役運(yùn)用中的等效錐度變化范圍為0.03～0.19；應(yīng)用S1002CN車輪踏面的CRH3平臺(tái)動(dòng)車組服役運(yùn)用中的等效錐度變化范圍為0.08～0.37；應(yīng)用XP55車輪踏面的CRH5平臺(tái)動(dòng)車組服役運(yùn)用中的等效錐度變化范圍為0.09～0.28。課題組根據(jù)大量輪軌匹配等效錐度計(jì)算結(jié)果，結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，制定了匹配TB60鋼軌廓形的等效錐度限值［11］。與實(shí)測(cè)鋼軌廓形匹配的等效錐度一般小于TB60鋼軌，下一步需要在前期等效錐度限值的基礎(chǔ)上，綜合考慮車輛動(dòng)力學(xué)性能，提出匹配60D和60N廓形的等效錐度限值，為輪軌廓形養(yǎng)護(hù)維修提供指導(dǎo)。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)不同鋼軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面匹配的等效錐度分析，發(fā)現(xiàn)鋼軌廓形對(duì)S1002CN車輪踏面的等效錐度影響較大，其次是LMA車輪踏面，XP55車輪踏面受鋼軌廓形影響最小。相對(duì)于TB60鋼軌廓形，S1002CN車輪踏面等效錐度最大減小約50%，LMA車輪踏面最大減小約25%。

（2）應(yīng)用LMA車輪踏面的CRH2平臺(tái)動(dòng)車組，京滬高鐵和貴廣客專鏇輪末期和鏇輪初期的等效錐度基本一致，均小于TB60鋼軌廓形，存在由于等效錐度過(guò)小引起晃車的風(fēng)險(xiǎn)，并且隨著運(yùn)行里程的增加得不到緩解。應(yīng)用S1002CN車輪踏面的CRH3平臺(tái)動(dòng)車組，在武廣高鐵1個(gè)鏇輪周期內(nèi)的等效錐度變化區(qū)間均明顯小于其他線路，LMB-10車輪踏面的等效錐度較S1002CN有一定程度的減?。籆RH3平臺(tái)動(dòng)車組對(duì)輪軌廓形變化敏感，局部的輪軌型面匹配不良容易引發(fā)低錐度晃車或高錐度構(gòu)架報(bào)警等異常振動(dòng)問(wèn)題。對(duì)于CRH5平臺(tái)動(dòng)車組，受不同線路鋼軌廓形影響較小，不同線路鏇輪周期內(nèi)等效錐度變化區(qū)間基本一致。

（3）與實(shí)測(cè)鋼軌廓形匹配，LMA、S1002CN和XP55車輪踏面服役運(yùn)用等效錐度變化范圍分別為0.03～0.19，0.08～0.37和0.09～0.28，下一步需在前期等效錐度限值的基礎(chǔ)上，綜合考慮等效錐度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，進(jìn)一步修正提出匹配60D和60N廓形的等效錐度限值，為輪軌廓形的養(yǎng)護(hù)維修提供指導(dǎo)。

（4）輪軌匹配由車輪和鋼軌組成的輪軌系統(tǒng)空間共同決定，單一的改變其中某1個(gè)因素均不能實(shí)現(xiàn)輪軌匹配的最優(yōu)化。建議下一步研究鋼軌打磨廓形的正負(fù)公差范圍，確定鋼軌廓形的包絡(luò)空間，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步優(yōu)化車輪踏面和部分懸掛參數(shù)性能，減小車輪踏面受鋼軌廓形影響的敏感性，不斷改善輪軌系統(tǒng)匹配性能，提升動(dòng)車組運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適性。