高速动车组车轮特性研究与分析

高速动车组车轮特性研究与分析
摘要：介绍了高速动车组的车轮踏面形状特性、不圆度特性及磨耗特性，通过
对三种性质的研究与分析，得出车轮磨耗特性对其踏面形状及非圆化程度的影响。

研究表明，随着动车组运行里程的增加，车轮的踏面磨耗深度也在不断增加，二
者基本呈线性关系；在车辆运行过程中轮缘不断发生磨损，其磨损量极限值为
2.7mm。

车辆运行20万km时，车轮不圆度的程度将加快恶化。

关键词：车轮，磨耗，不圆度
引言
随着我国高速铁路快速发展，对核心技术掌握的需求越来越迫切。

我国目前
高速铁路事业正在飞速发展，其关键技术—转向架技术作为车辆运行的重要技术
之一，在高速列车的运行过程中起着决定性作用。

在转向架的各种性能与关系中，轮轨关系又成为了列车平稳、安全运行的核心技术问题，对轮轨关系的研究将影
响到转向架的整体动力学性能。

1.车轮踏面的横向磨耗
对车轮踏面形状与TB60钢轨进行轮轨接触的几何特征元素分析，得到几何关系特性，计算时轨距为1435mm，轨底坡为1/40，轮对内侧距为 1353mm，同一
轮对左右车轮采用相应的实测廓形。

轮对横移量考虑为-12mm～12mm，间隔
0.5mm。

经过对不同里程的车轮磨耗研究，得到相应的磨耗接触点如图1所示。

随着运用里程的不断增加，轮轨接触点由滚动圆位置向滚动圆两侧延申，接触点
的不断移动使两侧车轮的轮径值、接触点切向角都发生了变化，列车的蛇行运动
直接受到了较大的影响。

图1 不同运营里程下轮轨接触点对变化随着车轮不断磨耗，接触点在踏面上
位置的延申将直接体现在踏面等效锥度的检测上。

等效锥度的数值可以直接反应
出轮轨接触的几何状态，通过对它的分析可以体现出列车的蛇行稳定性。

通过对
采集的数据进行分析，在滚动圆两侧-30mm～30 mm的延申范围内车轮踏面的磨
耗程度与列车的运行里程基本呈线性关系。

在轮对镟修后，列车运用16万公里
以后，轮缘部位会出现明显的磨损，该磨损为凹坑形磨损，轮缘与钢轨接触点位
于凹坑的附近，造成等效锥度数值快速增长。

2.车轮踏面的圆周磨耗
车轮的圆周不圆度，通常被称为踏面的粗糙度，经常会把车轮踏面的粗糙度
定义为同公称的(圆/平)滚动面相对应的局部表面振幅，当整个车轮圆周作为公称
范围时，这个不圆度也被称作车轮的径向跳动值。

为简化测量过程，并易于操作，通常使用百分表测量车轮的径跳值来作为车轮不圆度的标量。

根据目前车轮车削
加工精度以及现场运营经验，新轮及新镟车轮径跳值一般不得超过0.2mm，车轮
一个镟修周期内(列车运行30万km)径跳值多数控制在0.3mm 以内。

通常以对数形式表示车轮不圆度特征，称为车轮不圆度等级，参考值为1μm，定义如式(1)所示
图2 两种常用车轮踏面非圆化表示
我们通常定义的不圆度是以不圆度的幅值来对应相应的等级，具体幅值与相
应等级对应关系为：1μm—0dB，10μm—20dB。

采用黄变换提取了整数阶次下的车轮不圆度等级用以评价车轮不圆度程度。

在车轮沿钢轨滚动的过程中，车轮不圆度所产生的轮轨冲击频率可以用式(3)进行
求解
列车走行过程中的动力学性能受到高阶不圆度带来的影响较小，因为高阶不
圆度对车轮径跳值产生的影响几乎可以忽略不计，低阶的不圆度则恰恰相反，对
列车动力学性能带来较大影响。

3.车轮踏面镟修策略
经过上述的研究，列车的车轮磨耗和振动主要简述为下述三种状态。

（1）踏面的磨耗是高速动车组车轮磨耗的主要部位，在列车运用里程达到二十万公里后，其磨耗速度加快，转向架出现横向失稳的情况。

几乎各个线路的动
车组都符合这样的规律。

（2）轮缘的磨耗也是高速动车组车轮磨耗的主要部位，在列车运用里程达到二十五万公里后，其磨耗速度加快，转向架出现横向蛇行失稳的情况。

但在各个
线路运行的动车组显现出不同的轮缘磨耗规律。

（３）车轮轮缘磨耗和踏面磨耗均明显存在。

车轮磨耗规律和振动性能在不
同的线路呈现不同的变化规律。

以上３种现象不仅与高速动车组的悬挂设计参数和线路设计参数相关，而且
与运营管理方法相关，所以应根据高速动车组运用过程中车轮磨耗和振动性能的
具体状态，结合车辆、线路的设计参数制定相应的车轮镟修周期。

制定车轮镟修
周期时，还应考虑列车运行的安全性、舒适性和经济性。

车轮的镟修周期过长，
则车轮踏面镟修外形偏离设计外形太大，容易引起舒适性的下降，严重时危及行
车安全；镟修周期过短，车轮踏面镟修频繁，镟修量大，经济性差。

高速动车组
车轮踏面镟修一般应遵从如下原则。

（１）从高速动车组运用状态、主要运营线路和车辆设计参数３个方面综合
分析，制定车轮镟修周期。

（２）车轮镟修周期应保证运用动车组具有一定的运行安全性余量。

（３）车轮整个使用寿命期内，车轮镟修周期不是一成不变的。

应根据高速
动车组的振动状态和车轮磨耗情况，适当调整车轮镟修周期。

与车轮镟修周期相比，钢轨打磨周期长，且单次钢轨打磨过程耗时较多，因
此制定车轮踏面镟修策略时，主要参考依据为车轮磨耗和高速动车组的振动状态。

结论
通过对中国标准动车组开展车轮踏面磨耗跟踪测试，分析总结了实测车轮廓
形与标准TB60钢轨匹配对轮轨接触特性的影响以及多边形发展演变规律。

得出
以下结论：
（1）车轮踏面磨耗分布在名义滚动圆附近-30mm～30mm范围内，踏面磨耗深度与运营里程基本呈线性关系。

（2）镟后16万公里轮缘出现明显凹坑磨损，接触点对分布在凹坑两侧，造成等
效锥度增长较快。

（3）对车轮镟修后，车轮不圆度水平降低，振动减弱。

因此，可以适当缩短当
前制定的车轮镟修公里数。

参考文献
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