高速车辆轮轨接触几何关系及车轮磨耗疲劳研究
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２ ８００
ｍ曲线线路上运行时，原始型面和磨耗型面
万方数据
中国铁道科学
第３５卷
车轮的磨耗深度对比情况。从图５和图６可以看 出：无论是新车轮还是磨耗后车轮，车辆通过曲线 时车轮的磨耗深度均大于车辆在直线上运行时； ＬＭＡ型面车轮的磨耗深度最小，Ｓ１００２ＣＮ型面车 轮的磨耗深度最大、磨耗范围最宽，ＸＰ５５型面车
３５３
１ＴＵＴＩ时给出摇头角分别为０。，１０和２。情
况下的轮轨接触点图，其他轮对内侧距下仅给出摇 头角为ｏ。的情况。 从表ｌ可以看出：３种车轮型面中，ＸＰ５５原 始型面的轮轨接触点最为集中，Ｓ１００２ＣＮ原始型 面的轮轨接触点最为分散，这２种原始型面从踏面 接触变为轮缘接触时轮轨出现了两点接触，而 ＬＭＡ原始型面的轮轨接触点分布相对最为均匀； 轮对内侧距的增大使轮轨间隙变小，轮对摇头角的 增大使轮轨两点接触更加明显，且随着轮对内侧距 的增加，这种趋势越来越明显；ＬＭＡ一２０磨耗型 面的轮轨接触点过于偏向型面外侧，且分布非常稀 疏，但两点接触比Ｓ１００２ＣＮ一２０及ＸＰ５５—２０磨 耗型面少；Ｓ１００２ＣＮ一２０磨耗型面的接触点分布
能性。
式中：Ｒ和Ｒ分别为纵向蠕滑力和横向蠕滑力。
图２安定图
万方数据
第４期
高速车辆轮轨接触几何关系及车轮磨耗疲劳研究
８３
由图２看出：根据‰屈和Ｕ的取值，将整
个安定图划分为弹性状态、弹性安定、塑性状态和 棘轮效应４个区域。若轮轨接触点在弹性区域内， 车轮不会产生接触疲劳，处于安全状态；在弹性安 定区域内，材料出现高周疲劳现象；在塑性状态区 域，材料出现低周疲劳现象；在棘轮效应区域内， 增加切向载荷导致材料塑性应变增量一直累积，直 到材料失去韧性而发生破坏。 ２．３仿真计算流程 基于车辆动力学模型、车轮材料摩擦磨损模型 和滚动接触疲劳分析模型建立车轮磨耗疲劳预测模 型的仿真计算流程如图３所示，该计算流程可实现 多次仿真迭代计算。
型动车组为研究对象，用上述方法建立磨耗预测模 型，分别采用
Ｓ１００２ＣＮ，ＬＭＡ，ＸＰ５５，
Ｓ１００２ＣＮ一２０，ＬＭＡ一２０和ＸＰ５５—２０型面与 ＣＨＮ６０钢轨匹配，分析车辆运行在直线线路和半
径为２
ｍ曲线线路上时车轮型面的磨耗量，仿 真中施加武广客运专线轨道不平顺激扰。‘’‘
８００
图５和图６分别为车辆在直线线路和半径为
Ｓ１００２ＣＮ一２０—１—６ Ｓ１００２ＣＮ＿２０ ２
３５３
ｍｍ时３种车轮原始型面在不同轮对摇头角时的等
７
｝ｏ
Ｓ１００２ＣＮ ２０ ０
ｏ・ｏ
ｂ ＬＭＪｏ
＂Ｏ－ＬＭ．Ｌ＿２０—１
＃ＬＭＬ２０＿２
０
ｌ
２
３
等
４
５
６
７
８
９
１０
轮对横移最／ｎｕｎ （ａ）轮对内侧距Ｉ ３５３ ｍｍ
轮对横移量／ｒａｍ （ｂ）轮对内侧距１
分析。
１轮轨接触几何关系
为了研究车轮型面、车轮磨耗、轮对内侧距和 摇头角对轮轨接触几何关系的影响，取轮对内侧距 分别为１
３４９，１ ３５１，１ ３５３，１
３５５和１
３５７
ｌ＇ｎＥｎ，
摇头角分别为０。，ｏ和２。，分析３种车轮原始型面 和磨耗后型面与ＣＨＮ６０钢轨匹配时的轮轨接触几 何关系。
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１００５１８９）；国家科技支撑计划项目（２００９ＢＡＧｌ２Ａ０１） 作者简介：吴娜（１９８３一），女，辽宁昌图人，博士研究生。
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中国铁道科学
第３５卷
仍然最为分散，该磨耗型面的轮轨间隙较小；与原 始型面相比，ＸＰ５５—２０磨耗型面的接触点分布不
表１
再过于集中，接触点分布也更为均匀。
３种车轮原始型面与磨耗型面的轮轨接触点对比
图２为安定图。图中：“。为最大接触应力；志
２车轮磨耗和疲劳预测
２。１
为纯剪切屈服强度，且是一Ｈ／（３捂）；Ｕ为牵引系
见，车轮型面磨耗预测模型可用于车轮型面磨耗演 化的一般规律研究。
２．４仿真结果和分析
２．４．１
为ｉ
图４车轮型面和磨耗深度对比情况
ຫໍສະໝຸດ Baidu
２．４．２车轮磨耗预测 在车辆正常运营中，Ｓ１００２ＣＮ，ＬＭＡ和ＸＰ５５ 车轮型面对应使用在ＣＲＨ。，ＣＲＨ：和ＣＲＨ；型３ 种不同的动车组上，车轮型面的磨耗和疲劳损伤与 车辆结构参数、线路条件和行车速度等因素紧密相 关，为了比较３种车轮型面在列车服役过程中的滚 动磨损与接触疲劳，下面的仿真分析是在车型、线 路条件和行车速度相同的工况下进行。以ＣＲＨ。
第３ ５卷，第４期 ２ ０ １ ４年７月
文章编号：１００１—４６３２（２０１４）０４—００８０—０８
中
国
ＣＨＩＮＡ
铁 道 ＲＡＩＬＷＡＹ
科
学
Ｖ０１．３５
Ｎｏ．４
ＳＣＩＥＮＣＥ
Ｊｕｌｙ，２０１４
高速车辆轮轨接触几何关系及车轮磨耗疲劳研究
吴
娜，曾
京
（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都６１００３１）
４０ ３０ ｌ ５ ２０ ｇ ２ Ｏ
轮的磨耗范围最窄；ＬＭ，一２０型面车轮的磨耗深 度最小，Ｓ１００２ＣＮ一２０型面车轮的磨耗深度最大； Ｓ１００２ＣＮ一２０和ＬＭＡ一２０型面车轮的磨耗范围较 宽，ＸＰ５５—２０型面车轮的磨耗范围最窄。
加
如
２．５
２．０
加
１ Ｏ
量１０
懒０
一１０
ｍ ｕｌⅢ／足嘲 ｇ毒越醛糕蛰
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高速车辆轮轨接触几何关系及车轮磨耗疲劳研究
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改变轮对内侧距对３种车轮原始型面的等效锥 度变化趋势影响很小，只对３者的轮轨间隙影响较 大，限于篇幅，本文只列出轮对内侧距为１
０．４
效锥度对比，如图１（ａ）所示；不同轮对内侧距 时３种车轮磨耗后型面在不同轮对摇头角时的等效 锥度对比，如图１（ｂ）一（ｆ）所示，图中车轮型 面后缀的０，１和２代表摇头角０。，１０和２。。
仿真和实际测得的车轮型面和磨耗深度随着运 行里程变化的情况，如图４所示。 从图４可以看出：仿真数据与实测数据相比， 两者的磨耗范围、磨耗深度和磨耗深度最大值位置 均较为接近，但由于仿真线路和实际线路的条件不 同，且没有考虑车辆牵引、制动和轨道磨耗等影 响，仿真得到的磨耗深度略小于实测数据。由此可
图３仿真计算流程图
３４９
轮对横移量／ｍｍ
ｍｎｌ
（ｃ）轮对内侧距Ｉ ３５１
ＩＩｌｒｎ
轮埘横移量／ｒａｍ
轮埘横移量／ｍｍ 【ｅＪ轮对内侧距Ｉ
轮埘横移量／ｍｍ ‘０轮列内侧距ｌ ３５７ ｍｉｌｌ
（ｄＪ轮对内侧距ｌ ３５３ ｔｏｎｉ
３５５衄
图ｌ不同轮对内侧距时３种车轮型面等效锥度的对比
从图１可以看出：对于新车轮，Ｓ１００２ＣＮ型 面的等效锥度偏大，其车轮型面等效锥度曲线整体 波动明显，在轮对横移量较小时，随着轮对横移量 的增大，等效锥度增量减小，甚至出现负增长现 象，且对轮对内侧距和摇头角的变化的敏感度明显 高于ＬＭＡ和ＸＰ５５型面；ＬＭＡ与ＸＰ５５型面在踏 面接触范围内其等效锥度变化缓慢，基本在名义等 效锥度附近，因此具有较好的横向稳定性和较低的 轮轨动力作用。磨耗使３种型面的等效锥度增大； ＬＭＡ一２０型面在轮对内侧距和轮对横移量较小的 工况下其等效锥度出现负值，随轮对横移量的增大 呈上升趋势，随着轮对内侧距的增大负值现象消 失，同时随轮对横移量的增大等效锥度呈先下降后 上升趋势；Ｓ１００２ＣＮ一２０型面的等效锥度在轮对 内侧距较大时比其原始型面增大，在轮对内侧距较 小且轮对横移量较小时则出现了明显的下降，甚至 降到０附近，等效锥度负增长的情况消失；轮对内 侧距的变化对磨耗后的ＸＰ５５—２０型面的等效锥度 影响很小，在轮对内侧距较小时其出现负增长； Ｓ１００２ＣＮ一２０和ＬＭＡ一２０型面的等效锥度基本随 摇头角的增大而减小，只有在轮对横移量非常大或 者轮对内侧距为１ ３５７ １Ｔ１１ＴＩ时随摇头角的增大而增
建立车轮磨耗疲劳预测模型，对不同型面车轮的磨耗和滚动接触疲劳进行研究和预测。结果表明：Ｓ１００２ＣＮ型 面车轮的轮轨接触几何关系对车轮磨耗、轮对内侧距和摇头角的变化最为敏感，该型面车轮的最大磨耗深度最 大且范围最广；ＸＰ５５型面车轮的磨耗范围最小，ＬＭ一型面车轮的最大磨耗深度最小；ＸＰ５５型面车轮的轮轨接 触应力较大，经过曲线线路时易发生高周疲劳现象，但这种现象在车轮磨耗后消失；ＳＬ００２ＣＮ和ＬＭＡ型面车轮 的轮轨接触应力较小，但在车轮磨耗后轮轨的接触应力明显增大，易发生高周疲劳。
摘要：将我国高速铁路常用车轮的原始型面（Ｓ１００２ＣＮ，ＬＭＡ和ＸＰ５５）及运行２０万ｋｍ后的磨耗型面 （Ｓ１００２ＣＮ一２０，ＬＭＡ一２０和ＸＰ５５—２０）分别与ＣＨＮ６０钢轨进行匹配，分析轮对内侧距和摇头角的变化对轮 轨接触几何关系的影响规律。在此基础上，采用Ａｒｃｈａｒｄ磨耗模型和滚动接触疲劳模型并结合车辆动力学模型，
大，而ＸＰ５５—２０型面的等效锥度随摇头角的变化
不是很明显。
车轮磨耗、轮对内侧距与摇头角的变化对３种 车轮型面滚动圆半径差和轮轨接触角差的影响与等 效锥度的变化趋势相同，在此不再赘述。 表１为３种车轮原始型面与磨耗型面的轮轨接 触点变化对比。同一轮对内侧距下，摇头角的变化 对轮轨接触点分布的影响相同，因此仅在轮对内侧 距为１
收稿日期：２０１４—０１—１０；修订日期：２０１４—０４—３０
虑磨耗造成的车轮型面变化。然而车辆在正常运营 中，车轮型面始终都在变化，轮轨接触几何关系也 是空间关系，如不考虑摇头角就无法精确地反映轮 轨的实际接触情况。 本文将目前我国高速动车组采用的３种车轮原 始型面（Ｓ１００２ＣＮ，ＬＭＡ和ＸＰ５５）和运行２０万 ｋｍ后的磨耗型面（Ｓ１００２ＣＮ一２０，ＬＭＡ一２０和 ＸＰ５５—２０）分别与ＣＨＮ６０钢轨匹配，着重分析 轮对内侧距和摇头角对轮轨接触几何关系的影响， 利用磨耗预测模型和滚动接触疲劳预测模型分析车 轮型面的磨耗量、安定图分布和最大接触应力的变 化趋势，对车轮发生滚动疲劳的可能性进行定性
石太线ＣＲＨ。型动车组的实测数据进行对比验证。 仿真参数与实测参数基本保持一致，动车组为 ＣＲＨ。型，轮轨接触为ＸＰ５５车轮型面与ＣＨＮ６０ 钢轨接触；轨道激励因无石太线实测数据而选用与 其轨道条件接近的京津线实测数据；根据参考文 献［１５］选取我国典型的线路条件为仿真计算工况，
见表２。
表２仿真计算时的线路条件
数；纵坐标‰肛表示法向载荷，横坐标表示切向
车轮材料摩擦磨损模型 车轮磨耗分析中采用Ａｒｃｈａｒｄ磨耗模型［９］，为
Ｆ Ｊ
载荷。 牵引系数Ｕ为
Ｖ一＝志。等
』ｌ
（１）
ｕ一丝噩ＦＮ虿
（２）
式中：ｕ一为材料磨耗体积；足。为磨耗系数；ＦＮ 为法向力；ｄ为滑动距离；Ｈ为材料硬度。 式（１）中，忌。的大小与轮轨接触压力和接触 点相对滑动速度有关［１ ０｜，且变化范围很大，本文 取其中问值。 ２．２车轮滚动接触疲劳分析模型 通常情况下轮轨间的切向力对轮轨损伤的影响 较大，为了快速直观地比较不同运行条件下车轮的 安全性，Ｅｋｂｅｒｇ等［ｎ－１２３采用Ｊｏｈｎｓｏｎ［１３１的安定理 论，提出了预测车轮表面滚动接触疲劳的预测模 型，定性分析车轮滚动接触疲劳发生的机理和可
关键词：高速轮轨关系；车轮型面；轮轨接触几何；轮对内侧距；摇头角；车轮磨耗；滚动接触疲劳 中图分类号：Ｕ２６０．１１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／１．ｉｓｓｎ．１００１—４６３２．２０１４．０４，１２
随着我国高速铁路的快速发展，轮轨接触几何 关系与普通铁路相比发生改变，车轮磨耗和车轮滚 动接触疲劳现象随之加剧，针对这些现象各国学者 开展了大量研究。一些学者采用不同轮对型面研究 轮轨匹配［１‘２１；利用滚动台试验研究轮对内侧距和 轮轨匹配对轮轨接触几何关系的影响［３］；文献［４］ 基于不同型面的轮轨匹配，讨论轮对摇头、轨底 坡、轨距、轨顶面高差及钢轨翻转等因素对轮轨接 触几何关系的影响。在轮轨磨耗和轮轨滚动接触疲 劳方面，文献１１５３利用基于Ａｒｃｈａｒｄ磨耗模型对 车轮磨耗进行了数值模拟；文献Ｅ６］根据安定理 论和滚动接触疲劳模型对车轮型面损伤进行了研究 分析；文献［７］发展了联合磨耗和滚动接触疲劳 预测的轮对损伤模型；文献［８］利用Ａｒｃｈａｒｄ磨 耗模型、安定理论和损伤函数预测车轮型面的磨耗 和滚动接触疲劳，研究了轮轨型面磨耗对车轮滚动 接触疲劳损伤的影响。 上述研究表明，车轮型面、轮对内侧距的改变 直接影响轮轨接触几何关系，产生不同的轮轨作 用，进而影响车轮磨耗和滚动接触疲劳。目前对于 轮轨接触几何关系的研究大多局限于轮轨约束关系 的平面问题，忽略了轮对摇头角的影响，且没有考
ｍ曲线线路上运行时，原始型面和磨耗型面
万方数据
中国铁道科学
第３５卷
车轮的磨耗深度对比情况。从图５和图６可以看 出：无论是新车轮还是磨耗后车轮，车辆通过曲线 时车轮的磨耗深度均大于车辆在直线上运行时； ＬＭＡ型面车轮的磨耗深度最小，Ｓ１００２ＣＮ型面车 轮的磨耗深度最大、磨耗范围最宽，ＸＰ５５型面车
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１ＴＵＴＩ时给出摇头角分别为０。，１０和２。情
况下的轮轨接触点图，其他轮对内侧距下仅给出摇 头角为ｏ。的情况。 从表ｌ可以看出：３种车轮型面中，ＸＰ５５原 始型面的轮轨接触点最为集中，Ｓ１００２ＣＮ原始型 面的轮轨接触点最为分散，这２种原始型面从踏面 接触变为轮缘接触时轮轨出现了两点接触，而 ＬＭＡ原始型面的轮轨接触点分布相对最为均匀； 轮对内侧距的增大使轮轨间隙变小，轮对摇头角的 增大使轮轨两点接触更加明显，且随着轮对内侧距 的增加，这种趋势越来越明显；ＬＭＡ一２０磨耗型 面的轮轨接触点过于偏向型面外侧，且分布非常稀 疏，但两点接触比Ｓ１００２ＣＮ一２０及ＸＰ５５—２０磨 耗型面少；Ｓ１００２ＣＮ一２０磨耗型面的接触点分布
能性。
式中：Ｒ和Ｒ分别为纵向蠕滑力和横向蠕滑力。
图２安定图
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高速车辆轮轨接触几何关系及车轮磨耗疲劳研究
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由图２看出：根据‰屈和Ｕ的取值，将整
个安定图划分为弹性状态、弹性安定、塑性状态和 棘轮效应４个区域。若轮轨接触点在弹性区域内， 车轮不会产生接触疲劳，处于安全状态；在弹性安 定区域内，材料出现高周疲劳现象；在塑性状态区 域，材料出现低周疲劳现象；在棘轮效应区域内， 增加切向载荷导致材料塑性应变增量一直累积，直 到材料失去韧性而发生破坏。 ２．３仿真计算流程 基于车辆动力学模型、车轮材料摩擦磨损模型 和滚动接触疲劳分析模型建立车轮磨耗疲劳预测模 型的仿真计算流程如图３所示，该计算流程可实现 多次仿真迭代计算。
型动车组为研究对象，用上述方法建立磨耗预测模 型，分别采用
Ｓ１００２ＣＮ，ＬＭＡ，ＸＰ５５，
Ｓ１００２ＣＮ一２０，ＬＭＡ一２０和ＸＰ５５—２０型面与 ＣＨＮ６０钢轨匹配，分析车辆运行在直线线路和半
径为２
ｍ曲线线路上时车轮型面的磨耗量，仿 真中施加武广客运专线轨道不平顺激扰。‘’‘
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图５和图６分别为车辆在直线线路和半径为
Ｓ１００２ＣＮ一２０—１—６ Ｓ１００２ＣＮ＿２０ ２
３５３
ｍｍ时３种车轮原始型面在不同轮对摇头角时的等
７
｝ｏ
Ｓ１００２ＣＮ ２０ ０
ｏ・ｏ
ｂ ＬＭＪｏ
＂Ｏ－ＬＭ．Ｌ＿２０—１
＃ＬＭＬ２０＿２
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轮对横移最／ｎｕｎ （ａ）轮对内侧距Ｉ ３５３ ｍｍ
轮对横移量／ｒａｍ （ｂ）轮对内侧距１
分析。
１轮轨接触几何关系
为了研究车轮型面、车轮磨耗、轮对内侧距和 摇头角对轮轨接触几何关系的影响，取轮对内侧距 分别为１
３４９，１ ３５１，１ ３５３，１
３５５和１
３５７
ｌ＇ｎＥｎ，
摇头角分别为０。，ｏ和２。，分析３种车轮原始型面 和磨耗后型面与ＣＨＮ６０钢轨匹配时的轮轨接触几 何关系。
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１００５１８９）；国家科技支撑计划项目（２００９ＢＡＧｌ２Ａ０１） 作者简介：吴娜（１９８３一），女，辽宁昌图人，博士研究生。
万方数据
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中国铁道科学
第３５卷
仍然最为分散，该磨耗型面的轮轨间隙较小；与原 始型面相比，ＸＰ５５—２０磨耗型面的接触点分布不
表１
再过于集中，接触点分布也更为均匀。
３种车轮原始型面与磨耗型面的轮轨接触点对比
图２为安定图。图中：“。为最大接触应力；志
２车轮磨耗和疲劳预测
２。１
为纯剪切屈服强度，且是一Ｈ／（３捂）；Ｕ为牵引系
见，车轮型面磨耗预测模型可用于车轮型面磨耗演 化的一般规律研究。
２．４仿真结果和分析
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图４车轮型面和磨耗深度对比情况
ຫໍສະໝຸດ Baidu
２．４．２车轮磨耗预测 在车辆正常运营中，Ｓ１００２ＣＮ，ＬＭＡ和ＸＰ５５ 车轮型面对应使用在ＣＲＨ。，ＣＲＨ：和ＣＲＨ；型３ 种不同的动车组上，车轮型面的磨耗和疲劳损伤与 车辆结构参数、线路条件和行车速度等因素紧密相 关，为了比较３种车轮型面在列车服役过程中的滚 动磨损与接触疲劳，下面的仿真分析是在车型、线 路条件和行车速度相同的工况下进行。以ＣＲＨ。
第３ ５卷，第４期 ２ ０ １ ４年７月
文章编号：１００１—４６３２（２０１４）０４—００８０—０８
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Ｎｏ．４
ＳＣＩＥＮＣＥ
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高速车辆轮轨接触几何关系及车轮磨耗疲劳研究
吴
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（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都６１００３１）
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轮的磨耗范围最窄；ＬＭ，一２０型面车轮的磨耗深 度最小，Ｓ１００２ＣＮ一２０型面车轮的磨耗深度最大； Ｓ１００２ＣＮ一２０和ＬＭＡ一２０型面车轮的磨耗范围较 宽，ＸＰ５５—２０型面车轮的磨耗范围最窄。
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改变轮对内侧距对３种车轮原始型面的等效锥 度变化趋势影响很小，只对３者的轮轨间隙影响较 大，限于篇幅，本文只列出轮对内侧距为１
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效锥度对比，如图１（ａ）所示；不同轮对内侧距 时３种车轮磨耗后型面在不同轮对摇头角时的等效 锥度对比，如图１（ｂ）一（ｆ）所示，图中车轮型 面后缀的０，１和２代表摇头角０。，１０和２。。
仿真和实际测得的车轮型面和磨耗深度随着运 行里程变化的情况，如图４所示。 从图４可以看出：仿真数据与实测数据相比， 两者的磨耗范围、磨耗深度和磨耗深度最大值位置 均较为接近，但由于仿真线路和实际线路的条件不 同，且没有考虑车辆牵引、制动和轨道磨耗等影 响，仿真得到的磨耗深度略小于实测数据。由此可
图３仿真计算流程图
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轮对横移量／ｍｍ
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（ｃ）轮对内侧距Ｉ ３５１
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轮埘横移量／ｒａｍ
轮埘横移量／ｍｍ 【ｅＪ轮对内侧距Ｉ
轮埘横移量／ｍｍ ‘０轮列内侧距ｌ ３５７ ｍｉｌｌ
（ｄＪ轮对内侧距ｌ ３５３ ｔｏｎｉ
３５５衄
图ｌ不同轮对内侧距时３种车轮型面等效锥度的对比
从图１可以看出：对于新车轮，Ｓ１００２ＣＮ型 面的等效锥度偏大，其车轮型面等效锥度曲线整体 波动明显，在轮对横移量较小时，随着轮对横移量 的增大，等效锥度增量减小，甚至出现负增长现 象，且对轮对内侧距和摇头角的变化的敏感度明显 高于ＬＭＡ和ＸＰ５５型面；ＬＭＡ与ＸＰ５５型面在踏 面接触范围内其等效锥度变化缓慢，基本在名义等 效锥度附近，因此具有较好的横向稳定性和较低的 轮轨动力作用。磨耗使３种型面的等效锥度增大； ＬＭＡ一２０型面在轮对内侧距和轮对横移量较小的 工况下其等效锥度出现负值，随轮对横移量的增大 呈上升趋势，随着轮对内侧距的增大负值现象消 失，同时随轮对横移量的增大等效锥度呈先下降后 上升趋势；Ｓ１００２ＣＮ一２０型面的等效锥度在轮对 内侧距较大时比其原始型面增大，在轮对内侧距较 小且轮对横移量较小时则出现了明显的下降，甚至 降到０附近，等效锥度负增长的情况消失；轮对内 侧距的变化对磨耗后的ＸＰ５５—２０型面的等效锥度 影响很小，在轮对内侧距较小时其出现负增长； Ｓ１００２ＣＮ一２０和ＬＭＡ一２０型面的等效锥度基本随 摇头角的增大而减小，只有在轮对横移量非常大或 者轮对内侧距为１ ３５７ １Ｔ１１ＴＩ时随摇头角的增大而增
建立车轮磨耗疲劳预测模型，对不同型面车轮的磨耗和滚动接触疲劳进行研究和预测。结果表明：Ｓ１００２ＣＮ型 面车轮的轮轨接触几何关系对车轮磨耗、轮对内侧距和摇头角的变化最为敏感，该型面车轮的最大磨耗深度最 大且范围最广；ＸＰ５５型面车轮的磨耗范围最小，ＬＭ一型面车轮的最大磨耗深度最小；ＸＰ５５型面车轮的轮轨接 触应力较大，经过曲线线路时易发生高周疲劳现象，但这种现象在车轮磨耗后消失；ＳＬ００２ＣＮ和ＬＭＡ型面车轮 的轮轨接触应力较小，但在车轮磨耗后轮轨的接触应力明显增大，易发生高周疲劳。
摘要：将我国高速铁路常用车轮的原始型面（Ｓ１００２ＣＮ，ＬＭＡ和ＸＰ５５）及运行２０万ｋｍ后的磨耗型面 （Ｓ１００２ＣＮ一２０，ＬＭＡ一２０和ＸＰ５５—２０）分别与ＣＨＮ６０钢轨进行匹配，分析轮对内侧距和摇头角的变化对轮 轨接触几何关系的影响规律。在此基础上，采用Ａｒｃｈａｒｄ磨耗模型和滚动接触疲劳模型并结合车辆动力学模型，
大，而ＸＰ５５—２０型面的等效锥度随摇头角的变化
不是很明显。
车轮磨耗、轮对内侧距与摇头角的变化对３种 车轮型面滚动圆半径差和轮轨接触角差的影响与等 效锥度的变化趋势相同，在此不再赘述。 表１为３种车轮原始型面与磨耗型面的轮轨接 触点变化对比。同一轮对内侧距下，摇头角的变化 对轮轨接触点分布的影响相同，因此仅在轮对内侧 距为１
收稿日期：２０１４—０１—１０；修订日期：２０１４—０４—３０
虑磨耗造成的车轮型面变化。然而车辆在正常运营 中，车轮型面始终都在变化，轮轨接触几何关系也 是空间关系，如不考虑摇头角就无法精确地反映轮 轨的实际接触情况。 本文将目前我国高速动车组采用的３种车轮原 始型面（Ｓ１００２ＣＮ，ＬＭＡ和ＸＰ５５）和运行２０万 ｋｍ后的磨耗型面（Ｓ１００２ＣＮ一２０，ＬＭＡ一２０和 ＸＰ５５—２０）分别与ＣＨＮ６０钢轨匹配，着重分析 轮对内侧距和摇头角对轮轨接触几何关系的影响， 利用磨耗预测模型和滚动接触疲劳预测模型分析车 轮型面的磨耗量、安定图分布和最大接触应力的变 化趋势，对车轮发生滚动疲劳的可能性进行定性
石太线ＣＲＨ。型动车组的实测数据进行对比验证。 仿真参数与实测参数基本保持一致，动车组为 ＣＲＨ。型，轮轨接触为ＸＰ５５车轮型面与ＣＨＮ６０ 钢轨接触；轨道激励因无石太线实测数据而选用与 其轨道条件接近的京津线实测数据；根据参考文 献［１５］选取我国典型的线路条件为仿真计算工况，
见表２。
表２仿真计算时的线路条件
数；纵坐标‰肛表示法向载荷，横坐标表示切向
车轮材料摩擦磨损模型 车轮磨耗分析中采用Ａｒｃｈａｒｄ磨耗模型［９］，为
Ｆ Ｊ
载荷。 牵引系数Ｕ为
Ｖ一＝志。等
』ｌ
（１）
ｕ一丝噩ＦＮ虿
（２）
式中：ｕ一为材料磨耗体积；足。为磨耗系数；ＦＮ 为法向力；ｄ为滑动距离；Ｈ为材料硬度。 式（１）中，忌。的大小与轮轨接触压力和接触 点相对滑动速度有关［１ ０｜，且变化范围很大，本文 取其中问值。 ２．２车轮滚动接触疲劳分析模型 通常情况下轮轨间的切向力对轮轨损伤的影响 较大，为了快速直观地比较不同运行条件下车轮的 安全性，Ｅｋｂｅｒｇ等［ｎ－１２３采用Ｊｏｈｎｓｏｎ［１３１的安定理 论，提出了预测车轮表面滚动接触疲劳的预测模 型，定性分析车轮滚动接触疲劳发生的机理和可
关键词：高速轮轨关系；车轮型面；轮轨接触几何；轮对内侧距；摇头角；车轮磨耗；滚动接触疲劳 中图分类号：Ｕ２６０．１１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／１．ｉｓｓｎ．１００１—４６３２．２０１４．０４，１２
随着我国高速铁路的快速发展，轮轨接触几何 关系与普通铁路相比发生改变，车轮磨耗和车轮滚 动接触疲劳现象随之加剧，针对这些现象各国学者 开展了大量研究。一些学者采用不同轮对型面研究 轮轨匹配［１‘２１；利用滚动台试验研究轮对内侧距和 轮轨匹配对轮轨接触几何关系的影响［３］；文献［４］ 基于不同型面的轮轨匹配，讨论轮对摇头、轨底 坡、轨距、轨顶面高差及钢轨翻转等因素对轮轨接 触几何关系的影响。在轮轨磨耗和轮轨滚动接触疲 劳方面，文献１１５３利用基于Ａｒｃｈａｒｄ磨耗模型对 车轮磨耗进行了数值模拟；文献Ｅ６］根据安定理 论和滚动接触疲劳模型对车轮型面损伤进行了研究 分析；文献［７］发展了联合磨耗和滚动接触疲劳 预测的轮对损伤模型；文献［８］利用Ａｒｃｈａｒｄ磨 耗模型、安定理论和损伤函数预测车轮型面的磨耗 和滚动接触疲劳，研究了轮轨型面磨耗对车轮滚动 接触疲劳损伤的影响。 上述研究表明，车轮型面、轮对内侧距的改变 直接影响轮轨接触几何关系，产生不同的轮轨作 用，进而影响车轮磨耗和滚动接触疲劳。目前对于 轮轨接触几何关系的研究大多局限于轮轨约束关系 的平面问题，忽略了轮对摇头角的影响，且没有考