动车组轮对多踏面磨耗实测分析

孙盛彬安顺伟陈智儒

中国铁路济南局集团有限公司青岛动车段山东青岛266011

摘要：对于动车组而言，动车组轮对踏面产生一定的磨损，这也与车辆的振动有一定的联系。通过对该影响进行研究能够采取有效的维护措施，这对于动车的安全运行具有积极的意义。本文通过对动车组踏面磨耗数据进行相应测试、分析，为动车组的踏面维护提供相关建议，使动车组的安全运行得到保障。

关键词：动车组轮；多踏面磨耗；动力学

对于动车组而言，其运行、制动都离不开车轮与轨道的接触，而且随着动车使用频率的提升会给车辆造成一定程度的磨损。一般而言动车的踏面磨耗会受到很大的影响，再加上线路养护不足、动车动力过大等都会对踏面造成擦伤、剥离等影响。其中动车组轮对多踏面的磨耗非常严重，这也使动车的运输成本增加，所以对动车踏面进行研究分析具有非常重大的意义，这能够使我国动车发展更进一步。

一、不同踏面对比

当前我国动车组采用的踏面分为三种，分别为LMA踏面、XP55踏面以及S1002CN踏面，这些踏面因动车组型号的不同而有所差异[1]。这些踏面都在动车运行一段时间后会出现磨损的情况，通过进行踏面实测形状的对比可得到相关数据。通过对比可知，踏面的磨耗主要出现于踏面与轨道接触位置，该位置为滚动圆附近[2]。加上对轮轨接触关系的研究能够得出，新踏面的轮轨接触点主要位于轨面中部，其余部分则为均匀分布。

二、车轮不圆顺测试、分析

近年来，我国动车方面的建设非常迅速，这使我国动车线路增长，而且随着动车运行频率的增加，这使动车车轮的磨损加剧[3]。对车轮踏面圆度进行实测、分析具有重要的意义，这为车辆动力学性能的研究提供相应依据。动车车轮粗糙度测量仪（BST测试仪）可有效进行车轮轨道周向不平顺的测量，这样可以将动车轮的直径、不圆特征进行分析。这需要通过位移接触式的测量方法进行测量，在测量过程中要使滚轮、位移传感器的探针与车轮踏面进行接触，并通过USB进行相应的供电、数据传递。后续通过相应的软件可对采集到的数据进行处理。该仪器在测量上需要动车静止与轨道，而且动车车轮需要保持悬空的状态。将测试仪放置于固定平台，并进行工作空间的预留，这样检测工作的进行更加顺利。通过测试可以得到相应数据，对这些数据进行分析能够得到车轮阶次、径跳值以及粗糙度，这对于功力学性能分析具有重要意义。

三、动力学性能分析

动力学性能分析的进行与动力学计算模型具有一定的联系，通过构建动力学模型可将相关力进行有效分析。对于动车来说，其是由组成部分相互作用、依赖。而在模型建立时需要将研究部分重要因素进行表现，这也会使结果更加准确。在进行动力学分析的情况下可将动车的其余部件视为刚体，将车辆系统视为多自由度系统，将车辆的垂向与横向运动进行耦合。动力学性能分析需要结合GB5599——1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》的要求，然后进行动车运行平稳性、稳定性的对比分析。

（一）非线性稳定性分析

非线性稳定性的分析可进行非线性车辆系统的分析，这与车辆的蛇形运动相关，而且其运动轨迹的函数方程也非线性，通过多自由度系统模型可有效进行车辆蛇形运动的分析、研究。在进行这方面的计算时需要使动车组起始时偏离轨道的中心位置，然后将其进行启动、运行，并计量运行速度。当车辆运行到一定的距离后进行车辆系统刚体横向位移与车辆里程改变情况的分析，并据此进行车辆稳定性临界速度的确定。若刚体的位移随着动车运行距离的增大而减小，可判定动车车辆运行的稳定性高。反之，刚体的位移随着动车运行距离的增加而增大，则车辆的稳定性较低，该现象称为失稳状态。而刚体的位移不发生改变则其处于临界状态，此时车辆的速度可称为车辆蛇形运行的临界速度值。通过研究可以得出不同的踏面磨损状况也会使动车的临界速度不同。对于新踏面的动车而言，其临界速度大致为520km/h，磨耗程度较大的踏面临界速度为470km/h，而踏面磨耗程度较小的临界速度大致为500km/h，这些速度都超出动车的运行速度350km/h。而且通过研究可得出导向力滑动的RMS值会随着踏面磨耗程度的增加而增大。所以说，动车踏面磨耗程度的高低会影响车辆稳定性。

（二）车辆运行平稳性分析

动车在运行过程中受到外力与轨道对轮对的强迫激振有关，所以进行动车各种踏面磨耗程度给动车运行加速度、平稳性带来的影响进行分析可以得出车辆运行平稳性的相关情况。通过计算可以得出不同踏面状态动车组运行的加速度都在9km/h以下，其横向加速度会随踏面磨耗程度的增大而增大，其垂向加速度无明显影响。而且动车组的平稳性指标小于2.5，指标变化随踏面磨耗程度的增加而增大。这与踏面磨耗后等效锥度、车体横向振动的加剧密不可分。一般来说动车踏面的磨耗与圆周磨耗相关，这并不会使车轮不圆，所以其对车体的垂向振动也无较大影响。通过对车辆运行横向功率谱密度PSD进行分析，易知车轮在磨耗的状态下会造成车体摇动能量增加。

（三）曲线通过安全性分析

曲线通过安全性的分析是动力学性能分析中的重要组成部分，其需要进行直线、缓和曲线、圆曲线的设置。对于动车而言，其从直线进入缓和曲线再进入圆曲线会受到外界各种因素的影响，这些影响也会与车辆部位的作用的差异而存在不同。在曲线通过安全性的研究时需要进行轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数以及轮重减载率等因素的考虑，使动车通过带激励、有直线、缓和曲线以及圆曲线的线路，然后根据获取的轮轨间作用力进行动力学指标的评定。通过进行不同踏面状态曲线通过性能的分析，可以得出，踏面磨耗后会造成等效锥度变大，但是踏面的曲线通过性能却得到提升，所以，踏面的磨耗有助于动车组曲线通过性能的提升。

四、多踏面相关测量数据

踏面测量的数据非常多，其需要将轮缘高度、锥度、轮径以及踏面锥度进行测量，数据测量频率大概在动车每运行30000km进行，踏面磨耗需要依据整个踏面进行。

（一）踏面磨耗测量

踏面的磨耗率会随着动车运行距离的增加而增加，通过数据可得其磨耗率的增长值大致为0.225。而且接近镟轮周期的程度与踏面的磨耗程度呈正比，而且同一轮对踏面会存在偏磨的现象。该现象产生的原因比较复杂，在线路条件恶化的情况下，同一轴的左右轮非常容易产生偏磨现象的产生。这种现象的产生还与动车组镟床高度的设置有关。对于动车组来说，偏磨现象的产生会给其运行产生不良影响，偏磨过大会造成踏面的过度磨损，而且这也会使经济损失加大。车轮左右磨耗程度的不同会造成其与轨道的不对称接触，这样对动车动力学性能产生较大的影响，而且车辆的脱轨系数、稳定性等都会恶化，磨损现象更加严重。依据动量定理，动车对轮轨作用力越大其间的摩擦力也就越大，这样就会使轮轨冲击力增大。

（二）轮轨接触几何变化

车轮踏面磨耗会导致车轮的外形发生变化，这样其滚动圆直径就会产生一定程度的偏差，从而造成踏面形状的变化。轮缘处容易产生磨耗现象，这主要由轮轨作用引起，但这会使踏面出现凹陷，对车辆安全运行产生影响。这也能够造成踏面偏磨、轮径差的变化，从而影响到动车的动力学性能。轮缘处容易发生过度磨损的情况，这样就会造成两点接触或者多点接触，再加上外界因素加剧踏面的磨耗，这就使动车的运行受到严重影响。所以要对动车进行定期的检查、测量，及时进行问题的发现、处理。

五、结束语

动车组在运行过程中会对踏面产生磨耗，这对动车组的运行会产生一定程度的影响，所以对其进行分析为动车安全的运行具有积极的意义。通过对动车踏面进行动力学分析能够发现踏面磨耗给动车带来的不良影响，而且这能够为我国动车保持良好运行状态提供有效依据。

参考文献：

[1]姚志伟，徐兴涛.动车组轮对踏面磨耗浅析及解决构架振动措施研究[J].中小企业管理与科技（中旬刊），2016（11）：191-192.

[2]孙宇，朱胜阳，翟婉明.车轮踏面凹形磨耗对轮轨相互作用的影响研究[J].机械工程学报，2018，54（4）：109-116.

[3]徐凯，李芾，李东宇，等.动车组车轮踏面磨耗对动力学性能的影响[J].中国铁路，2016（9）：40-44.