服役动车组车轮踏面等效锥度运用管理研究

2015年第2期 83
领 装备 域
轮对运动波长相同的锥形车轮轮对的车轮锥度角正切
值[6]：
tanγe=（π/λ ）22er 0，
（1）
式中：tanγe为等效锥度；λ 为轮对蛇行运行波长；
e 为轮轨接触点跨距的1/2；r 0为轮对中心位于轨道中
心时的车轮半径。
轮轨等效锥度计算需要考虑轮轨廓形和轮轨实
试验 条件
轨面形状
轨道 轨距/ 坡度 mm
1
EN 13674-1：2003 轨道廓面60E1 1/20 1 435
2
EN 13674-1：2003 轨道廓面60E1 1/40 1 435
3
EN 13674-1：2003 轨道廓面60E1 1/20 1 437
4
EN 13674-1：2003 轨道廓面60E1 1/40 1 437
表1 TSI中轮轨等效锥度限值
最大运行速度v / （km·h-1）
等效锥度 限值
230≥v ≥ 190
0.25
280≥v >230
0.20
300≥v >280
0.10
v >300
0.10
试验条件（见表2） 1，2，3，4，5，6 1，2，3，4，5，6
1，3，5，6 1，3
表2 TSI中轮轨等效锥度限值试验条件
领 装备 域 服役动车组车轮踏面
等效锥度运用管理研究
■ 董孝卿 王悦明 倪纯双 吴宁
摘 要：介绍轮轨等效锥度的定义和在欧洲高速铁路的运用限值，并通过理论分析和国内高速铁路运 用实践说明轮轨等效锥度对服役动车组构架蛇行失稳和车体共振的影响及解决方案。在悬挂参数和轮 轨接触几何参数不变的情况下，服役动车组轮轨等效锥度需控制在一定范围内，才能保证动车组的运 行安全性和平稳性，基于此结论，建议开展服役动车组轮轨等效锥度的使用限值研究。 关键词：等效锥度；运行安全；动车组；运用管理；车轮踏面 中图分类号：U271.91 文献标识码：A 文章编号：1672-061X（2015）02-0083-05
3 轮轨等效锥度运用与车体平稳性
实际动车组轮对与转向架构架之间存在不同
程度的弹性约束，其蛇行频率位于自由轮对蛇行
运动频率和刚性转向架蛇行运动频率之间。
自由轮对蛇行运动频率为：
1 λ
f=
v，
2π br
（2）
完全刚性转向架蛇行运动频率为：
1 bλ
轨距/mm
图1 不同轨距下ORE S1002型面与不同钢轨匹配的轮轨等效锥 度限值
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动车组投入运营后，轮轨等效锥度随踏面磨耗 逐步增大，动车组蛇行运动临界速度应会逐步 降低，当轮轨等效锥度增大到一定程度后，蛇 行运行临界速度会小于最高运营速度，导致动 车组在正常运营速度范围内转向架蛇行失稳。 通过车轮镟修降低轮轨等效镟度，动车组就可 以恢复正常运行。文献[5]也证实了以上结论。 武广高铁某C R H型动车组刚投入使用15万k m 后，车轮踏面磨耗成凹形，轮轨等效锥度约 为0.40，列车以330～340 k m/h速度区间运行 时，构架横向出现蛇行失稳迹象。将该动车组 车轮踏面进行镟修，轮轨等效锥度恢复到设计 值0.18，动车组在相同速度级和相同线路上运 行时，转向架横向蛇行失稳迹象消失。图2所 示为该动车组轮轨等效锥度改变前后转向架蛇 行运动加速度对比[5]。
国外高速铁路科研机构和运营管理单位很早就采用等 效锥度评估运营列车的轮轨接触几何关系特性和用于轮轨 廓形设计开发阶段的理论分析，并形成了系列与等效锥度 相关的标准[4-5]。我国关于车轮踏面等效斜率或基于标准 车轮踏面和钢轨轨头型面的等效锥度研究较多，针对检修 目的等效锥度测量、管理和高速铁路服役过程的轮轨等效 锥度限值研究较少。
的深入，国内科研机构已开展了适应我国高速铁路特
点的车轮型面研究工作，高速铁路管理和运用部门对
车轮等效锥度在轮轨接触关系中的作用有较为深入的
理解，但国内目前还没有关于轮轨等效锥度计算方法
和使用限值的统一标准。
2 轮轨等效锥度运用与转向架横向稳 定性
轨道车辆运行时，轮对会产生一种特有的自激振 动，即一面横向移动，一面绕通过其重心的铅垂轴转 动（摇头运动），这种运动被称为蛇行运动。在一定 速度范围内，蛇行运动的振幅随着时间延长而衰减， 当车辆运行速度超过某一临界速度时，蛇行运动的振 幅不断扩大，轮对左右摇摆直到轮缘碰撞钢轨，转向 架或车体出现大幅剧烈振动，这种现象称为蛇行失 稳。蛇行运动由稳定运动过渡到不稳定运动时的速度 就是临界速度v cr，理论研究和运用实践表明，临界速 度v cr与车轮踏面等效锥度λ 的平方根成反比[9]。高速
以京津城际铁路某型动车组为例，当轮轨等效锥度λ =0.035 且 以 155 k m/h速度运行时，构架蛇行频率为1.1 H z左右，恰好与动 车组车体横向摆动频率相当，引起了车体横向共振，车体平稳性恶 化，车体横向平稳性指标最大值超过了3.0，不满足参考文献[10]的要 求。将车轮进行镟修，等效锥度λ 提高到0.12后，动车组以155 km/h 运行时，车体横向共振现象消失，1.1 H z的峰值明显减小。图3所示 为车体共振和车体恢复正常的车体振动频谱图[3-4]。
频率/Hz
图3 车体横向加速度频谱
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频率/Hz
4.0 自由轮对蛇形频率
3.5
335.7 334.3 333.0 334.1 333.5 334.9 333.7 334.4 333.1 速度/（km·h-1）
图2 轮轨等效锥度改变前后转向架横向加速度波形对比
际接触点位置，反映了一根轴的2个车轮同钢轨廓面
的实际接触几何关系。动车组在服役期间的悬挂参
数几乎固定不变，轮轨等效锥度会随动车组车轮服役
里程发生变化，因此轮轨等效锥度决定着服役动车组
轮轨间动力学性能，是动车组运行性能的重点监控参
数。欧洲铁路经过多年试验研究，制定了等效锥度的
计算方法和使用限值。EN 15302明确阐述了等效锥 度的定义、计算流程和评估方法[6]。表1和表2为T S I 中规定的轮轨等效锥度设计限值及试验条件[1]，表3
1 欧洲高速铁路轮轨等效锥度运用管理
锥形踏面是国内外铁路早期使用的踏面外形，该踏面 外形车轮滚动圆附近为斜率固定的直线段，在直线段范围 内车轮踏面锥度为常数。磨耗型踏面或车轮踏面磨耗后， 滚动圆附近一般不是直线段，这时计算车轮踏面外形锥度 需要采用其等效值，称为等效锥度。按照文献[1]的计算方 法，等效锥度计算需要采用轮轨型面和轮轨型面的相对位 置信息。为与国内传统车轮踏面等效率相区别，在此沿用 文献[1]中轮轨等效锥度的概念。轮轨等效锥度是指与给定
理论和运用实践均表明，服役动车组轮轨 等效锥度随运行里程增加必然逐步增大，在其 他轮轨几何参数不变的情况下也必然引起构架 蛇行失稳。将服役动车组轮轨等效锥度控制在 一定范围内或通过制定合理车轮镟修周期和轨 道打磨周期，恢复轮轨等效锥度至设计值，可 保证服役动车组的构架蛇行稳定性。通过对服 役动车组轮轨等效锥度跟踪和统计分析，研究 轮轨等效锥度和动车组运行性能随运行里程的 变化规律，制定服役动车组轮轨等效锥度的限 值，运营管理部门应可以根据轮轨等效锥度的 状态评估服役动车组振动状态，从而决定是否 进行镟修，在保证运行安全的前提下，提高车 轮使用寿命。
f=
v ，
2π r （b 2+l 12）
（3）
式中：b 为轮轨接触点பைடு நூலகம்向距离的1/2；r 为车轮半径；λ 为轮对蛇行 运行的波长；v 为运行速度；l 1为转向架中心距的1/2。
式（2）和式（3）显示，蛇行运动频率随速度和轮轨等效锥度 的增大而增大，车体固有频率相对较低，且稳定不变。因此，只要 动车组从静止开始运行，蛇行频率与车体固有频率重合几乎不可避 免，车体共振必然会发生。当车体共振发生在高速区段时，这种共 振会导致车辆平稳性和舒适性严重恶化。通过调整轮轨等效锥度可 以使车体共振发生在低速区段，避免车体平稳性恶化。文献[3]和文 献[4]的研究证实了这一观点。
等效锥度 0.40 0.35 0.30 0.25 0.15
当量锥度
Ballige Schiene
UIC 60 1:40 UIC 60 1:20 UIC 60 1:unendlich
UIC 60 E2
0.50
0.45
160～200 km/h
0.40 200～230 km/h
0.35
0.30
0.25
利用图4和图5研究车体共振原因和解决方案。图中自由轮 对和完全刚性蛇行运动频率由式（2）和式（3）计算得到，其中
构架横向出现蛇形失稳迹象，等效锥度0.40，10 Hz低通滤波 1.3 0.6 0.0 -0.6 -1.3
构架横向恢复正常，等效锥度0.18，10 Hz低通滤波 1.3 0.6 0.0 -0.6 -1.3
230～250 km/h
250～280 km/h
0.20
0.15
>280 km/h
0.10
0.05
0 1 429 1 430 1 431 1 432 1 433 1 434 1 435 1 436 1 437 1 438 1 439 1 440 1 441
为UIC 518中针对服役动车组规定的轮轨等效锥度限
值[7]，表1—表3中等效锥度均为轮对横移3 m m时的
等效锥度限值。并在高速线路基础设施内控技术条
件（HGV TSI）中给出了ORE S1002车轮型面与不同
钢轨形状、轨距条件下的等效锥度限值[8]（具体见图
1）。
随着高速动车组逐步投入运营和轮轨关系研究
5 HSINS TSI 2006 附件F 轨道廓面60 E2 1/40 1 435
6 HSINS TSI 2006 附件F 轨道廓面60 E2 1/40 1 437
表3 UIC 518中等效锥度限值 速度v /（km·h-1） v ≤200 200<v ≤230 230<v ≤250 250<v ≤280 280<v ≤350
幅值频/（m·s-2·Hz-1）
0.500
0.450
0.400
0.350
0.300
0.250
0.200
0.150
0.100
0.050
等效锥度 0.035
0.000
等效锥度 0.120
0.2 1.2 2.2 3.2 4.2 5.2 6.2 7.2 8.2 9.2
基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）（2011CB711100）； 中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（2014YJ041）。 所获奖项：2014年度中国铁道学会科学技术奖二等奖。
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0 引言
服役动车组车轮踏面外形是高速铁路轮轨接触关系 中的关键因素，直接或间接决定着高速动车组的运行安 全，其管理与检修是运用部门的一项重要工作。运营单位 一般采用检查轮径差、车轮踏面状态（如磨耗、擦伤、剥 离等）来保证车轮踏面的运营状态。自2007年4月，我国 多种型号动车组在铁路客运专线逐步投入运营，运用实践 显示，在服役动车组车轮轮径差和车轮踏面状态满足相关 标准的前提下，部分动车组出现轮轨接触几何关系匹配不 良，从而引起转向架或车体横向振动偏大的现象。项目组 曾在7条线路对多种型号C R H型服役动车组车轮踏面磨耗 和振动性能进行了4年的跟踪研究。研究发现车轮踏面等 效锥度是导致振动偏大的关键因素，车轮踏面等效锥度过 小可能造成车体蛇行失稳，导致乘坐舒适度严重下降；车 轮踏面等效锥度过大可能造成转向架构架蛇行失稳，严重 时可能导致列车脱轨[1-3]。