XP55-28经济型镟修踏面外形设计及动力学性能验证.doc

XP55-28经济型镟修踏面外形设计及动力学性能验证*

摘要：CRH5型动车组采用的XP55型车轮踏面外形。在三、四级检修时如果按原型进行镟修，不仅镟修量较大，而且减少车轮使用寿命。本文通过对上千个在不同线路运行120万公里后的车轮进行外形测量，对qR值、Sd、Sh、等效锥度等进行统计分析，设计了XP55-28经济型镟修踏面；利用多体动力学软件SIMPACK建立CRH5型动车组模型，对XP55-28经济型镟修踏面分别从轮轨接触几何关系、车辆系统蛇行运动稳定性、车辆直线轨道运行平稳性、车辆曲线通过安全性等方面进行对比分析。结果表明：轮轨接触几何关系相同，各项动力学性能指标均满足运营要求。
关键词：轮轨型面；轮轨接触；经济型镟修踏面；动力学仿真

XP55-28 economical renewing profile design and dynamics verification

Abstract：XP55 wheel profile is used on the EMU CRH5 of China. It can not only increase the workload, but also reduce the service life of the wheels if reprofiling the wheels according to the original profile during the level three and level four maintenance. XP55-28 economical profile designed on the basis of measuring the tread profile on more than one thousand wheels which running 1,200,000 kilometers on different lines and statistically analyzing the value of qR, Sd, Sh, equivalent conicity and etc.. By means of dynamic software SIMPACK, it is comparatively analyzed for the original profile and XP55-28 economical profile on the following aspects, including wheel- rail contact, vehicle anti-yaw stability, dynamic performance of running on straight line and passing curves, etc.. The result shows that wheel- rail contacts between the two profiles are same and the dynamic indexes can satisfy the operational requirements.

Key words: wheel/rail profile; wheel-rail contact; economical renewing profile; dynamic simulation

6

0前言
车轮踏面经济型镟修，不仅可以大幅度提高车轮踏面镟修效率，而且可以极大地降低高速动车组运用维修成本。因此，各国目前正探索和研究可行的车轮踏面经济型镟修方案。
文献[1]表明，70%的欧洲新造铁路客车采用S1002-32.5车轮踏面，且车辆在运用检修和定期修型时，可以按照S1002-31.5、S1002-30.5、S1002-29.5 和S1002-28.5四种踏面形式进行镟修，并以此形成了标准EN13715。另外，欧洲新造铁路客车还采用一种车轮踏面为EP8-32, 其在运用检修和定期修型时，可以按照EP8-29.5踏面形式进行镟修。
2004年以前，国内新造干线铁路客车，主要采用 LM和LMA两种车轮踏面[2]，其中LM主要应用于120km/h及以下速度级车辆LMA主要应用于160km/h速度级车辆。对于LM型踏面，检修时可采用LM30、LM28、LM26三种踏面型式进行镟修，并形成了标准TB/T449-2003；对于LMA型踏面，检修时没有明确规定，各车辆段和修理厂一般按照新造标准执行。
2004年以后，国内致力发展高速动车组。CRH1和CRH2型动车组轮对采用LMA型踏面，CRH3型动车组轮对采用S1002-G型车轮踏面，CRH5型动车组采用XP55型车轮踏面。但是截至目前，120万公里检修还没有相应的经济型镟修标准，相关厂家仍按照新造标准执行，车轮镟修量在20mm左右，这不仅缩短了车轮的使用寿命，而且对三级修进度造成了不良影响，遭致各方质疑。
以CRH5型动车组XP55车轮踏面为例，该型踏面修型周期为36万公里，经过120万公里运营后返厂进行三级检修，再经过120万公里运营后返厂进行四级检修。但是，进行三、四级检修时车轮踏面还没有相应的经济型镟修标准，仍按照新造标准进行修型，车轮镟修量在20mm左右，这不仅给主机厂的三、四级修进度造成影响，而且缩短了车轮的使用寿命，增大了高速动车组运用维修成本。
为延长CRH5型动车组用车轮的使用寿命、提高三级修轮对镟修效率、解决影响CRH5型动车组三、四级检修进度的瓶颈问题，经过前期调研和大量测试，本文提出了一种XP55-28经济型镟修踏面镟修方案，并利用多体动力学软件SIMPACK建立CRH5型动车组T2车模型，对XP55-28经济型镟修踏面和XP55原型踏面，分别从轮轨接触几何关系、车辆系统蛇行运动稳定性、车辆直线轨道运行平稳性、车辆曲线通过安全性等方面进行对比分析，验证各项动力学性能指标是否满足高速动车组安全运营要求。
1 120万公里后XP55车轮踏面测量数据分析
为掌握实际运用状态下车轮踏面外形，本文采用便携式WP-C型车轮外形检测仪[3]，对返厂进行三级检修的12列车，共计768个车轮的磨耗参数进行了测量，这些参数主要包括轮缘高度Sh、轮缘厚度Sd、车轮直径Dr、轮缘斜面磨耗qR等。各参数定义如图1所示。
经过统计、汇总和归纳后，该型踏面磨耗后外形与XP55原型踏面[4]对比情况如图2所示。即经过120万运用里程后（运用所每36万公里进行踏面修型），车轮轮缘根部磨耗H1为3.5～4.3mm，踏面磨耗H2为1.3～1.9mm。详细尺寸变化情况如表1所示。

图1 XP55型踏面形状及测量参数定义

图2 踏面磨耗后与XP55型踏面对比图
表1 车轮磨耗参数
名称
新造标准值
运用限度值
运行120万公里后测量值
(范围)
(平均值)
车轮直径Dr
Φ890
≥Φ810
Φ873～Φ878
Φ874.5
轮缘高度Sh
29
≤36
29.5～31.5
30.3
轮缘厚度Sd
32.5
＞22
26.5～28.5
27.6
轮缘斜面磨耗qR
11
＞6.5
9.92～11.18
10.63
等效锥度(计算值）
0.06
﹤0.4(1)
0.234-0.688
0.438
轮缘根部磨耗H1(2)
0

3.5～4.3
3.9
踏面垂直磨耗H2(3)
0

1.3～1.9
1.6
注：(1):该限度值为ALSTOM给出，主要与车辆的临界速度有关；（2）和（3）:为实际车轮踏面形状与原型XP55踏面形状在滚动圆处和轮缘根部处最大差值。
由此可见，与原型车轮形状相比，三级检修时车轮踏面形状最大差异是轮缘厚度和等效锥度，车轮直径磨耗量大约为每10万公里1.0～1.3mm（包括动车所3次踏面修型车削量），轮缘高度、等效锥度、轮缘根部磨耗、踏面垂直磨耗等随运营里程增加而增大；轮缘厚度减少较大，这是因为除正常磨耗外，动车所踏面修型时对轮缘处车削量较大；qR值随运营里程增加而有所减小，但减小程度不明显。
依据现有高速动车组车轮踏面镟修方法，CRH5型动车组三级检修时，磨耗后的XP55踏面轮缘厚度Sd需要恢复到新造值32.5，使得加工后的车轮直径在Φ850～Φ858mm之间，车轮直径减小了20mm。这不仅大大降低了车轮的使用寿命，而且镟修一条车轮需要进刀4～5次，每台车床每天只能加工4条轮对，制约了三级检修进度。
2 XP55-28经济型镟修踏面设计方案及技术参数
在确保车轮运用安全前提下，为最大限度地减少车轮踏面镟修量，经济型镟修踏面设计原则为：轮缘厚度为28mm，滚动圆左侧16.5mm到车轮外侧面踏面形状维持XP55原型；轮缘外侧面所有圆弧形状不变，维持原有轮缘角（70°），整体向车轮内侧面平移4.5mm，用R13圆弧切线使得踏面圆滑过渡；轮缘顶部用R12圆弧过渡，保证轮缘高度为29。依据该设计方案，XP55-28经济型镟修踏面与XP55原型踏面对比如图3所示，相关的踏面参数在表2中给出，其坐标点数值如表3所示。

图3 两种踏面对比
表2 两种踏面和运用限度标准参数对比
踏面形状
Sd
mm
Sh
mm
qR
mm
等效
锥度[5]
XP55型踏面
32.5
29
11
0.06
XP55-28经济型镟修踏面
28
29
10.57
0.06
运用限度标准
22
36
6.5
0.4
表3 XP55-28经济型镟修踏面坐标点

3 XP55-28经济型镟修型踏面车轮使用寿命对比
理论计算和实际镟修测量结果表明，三、四级检修时采用XP55原型踏面，车轮直径减小大约为16～20mm，车轮使用寿命为240万公里，具体见表4。如果采用XP55-28经济镟修型踏面，车轮直径减小约为8～10mm，可以使车轮使用寿命延长120万公里，车轮使用寿命将达到360万公里，并且能结合第二个三级检修进行车轮更换，具体见表4。
表4 两种车轮踏面镟修方式轮对使用寿命对比
镟修
方式
新造车轮直径
运行120万公里
120万公里修后车轮直径
240万公里修后车轮直径
四级修后状态
运行360万公里状态
XP55原型踏面
Φ890
Φ873～Φ878
Φ850～Φ858
Φ830～Φ835
更换轮对

XP55-28经济型踏面
Φ890
Φ873～Φ878
Φ868～Φ873
Φ848～φΦ853
Φ843～φ848
更换轮对
4 XP55-28经济型镟修踏面动力学性能分析
车轮踏面外形涉及车辆临界速度、车辆安全性和平稳性。为验证XP55-28经济型镟修踏面是否满足安全运用要求，本文利用多体动力学软件SIMPACK建立了CRH5型动车组T2车模型，对XP55-28经济型镟修踏面和XP55原型踏面分别从轮轨接触几何关系、车辆系统蛇行运动稳定性、车辆直线轨道运行平稳性、车辆曲线通过安全性等方面进行了对比分析。
4.1 车辆系统动力学模型
建立了如图4所示T2拖车多刚体系统动力学模型。模型中包含有1车体、2个构架、4个轮对、8个轴箱以及2个牵引体。在自由度选择方面，考虑了车体和构架横向、垂向、侧滚、点头及摇头5个自由度，轮对横向、垂向、侧滚以及摇头4个自由度，轴箱考虑其绕车轴旋转自由度。整个系统的自由度共计41个。
坐标系选取如下：车辆前进方向为x轴，y轴平行于轨道平面指向右方，z轴垂直轨道平面向下。另外，由于枕梁与车体固结，所以将其整合到车体中作为一个刚体。另外，模型中钢轨采用60kg/m轨型，轨底坡按1:40设置。

图4 CRH5-T2车辆系统动力学模型
4.2 轮轨接触几何关系对比
图5-图9对比分析了XP55-28经济型镟修踏面和XP55原型踏面轮轨接触几何关系。由此可见，XP55-28经济型镟修踏面与60kg钢轨匹配时轮轨间隙是14mm，而XP55原型踏面是10mm左右，磨耗到限是20mm间隙。XP55-28的轮轨接触点也更加集中，等效锥度在轮轨间隙内变化不大，均在0.1左右。
采用XP55-28经济型镟修踏面，轮轨间隙增大，但等效锥度和轮轨接触角并没有随着轮对横移而明显增大，并且比 XP55原型踏面更容易发生两点接触。所以当轮对横移量超过8mm后，XP55-28经济型镟修踏面经轮缘磨耗会更容易发生；而在小于8mm的接触范围内，XP55-28经济型镟修踏面及钢轨磨耗范围更小。XP55-28经济型镟修踏面与XP55原型踏面在轮对横移8mm范围内，轮轨接触几何关系完全相同，所以只要不是特别大的激扰和剧烈晃动，车辆在直线轨道上的动力学性能应该接近。

图5 车轮滚动圆半径比较图

图6 轮轨接触角比较

图7等效锥度比较
图8 XP55-28经济型镟修踏面与60kg轨道接触点
图9 XP55踏面与60kg轨道接触点
4.3 车辆系统运行稳定性对比
表5比较了CRH5型动车组T2拖车在空车、重车工况下，两种车轮踏面对应的临界速度。由于两种踏面在名义滚动圆附近的区域内相同，所以临界速度也接近，车辆系统在正常运行工况下的振动收敛情况也接近，满足CRH5以最高250km/h速度运行的要求。
表5 临界速度对比
工况
临界速度 / (km/h)
空车
XP55-28
475
XP55
469
重车
XP55-28
472
XP55
487
4.4 车辆系统平稳性对比
根据车辆运行线路情况，选择京山线实测轨道不平顺作为线路激扰，分析CRH5型动车组T2拖车在空车、重车工况下，分别采用两种踏面外形时，直线轨道上运行平稳性指标和横向最大加速度。从计算结果可见（图10-图11），两种踏面下的数值基本一致。

图10 空车时平稳性指标对比

图11 空车时最大加速度对比
4.5 车辆系统曲线通过运行安全性对比
根据车辆运行的线路情况，选择京山线实测轨道不平顺作为激扰，分析CRH5的T2拖车在空车、重车工况下，分别采用两种踏面外形通过不同半径曲线时的安全性指标，包括轮轴横向力最大值、脱轨系数最大值、轮重减载率最大值和轮轴横向力平均值。小半径曲线考虑轨距加宽，曲线线路工况见表6。按照曲线半径，分别得到各速度下的指标统计最大值，如图12所示。

表6 曲线线路工况
工况
半径/m
超高/mm
车速/(km/h)
1
180
100
10~25
2
220
100
15~30
3
250
100
20~60
4
300
100
40~80
5
500
100
50~90
6
800
100
40~120
7
1200
100
60~140
8
2000
100
100~180
9
3000
100
140~220
10
18号道岔
0
80
计算结果表明，两种踏面下的曲线通过安全性指标接近，且均满足标准限值要求。由图13可见，两种踏面下通过18号道岔时，经济镟修轮对横移量较大,但是两种踏面其余各项动力学性能指标差异不明显。

(a) 轮轴横向力最大值
（b） 脱轨系数最大值

（c） 轮重减载率最大值

（d） 轮轴横向力平均值
图12 两种踏面下的曲线通过安全性比较

图13空车通过道岔时轮对横移量对比
5 结 论
本文通过测量、统计分析CRH5型动车组运行120万公里后车轮踏面外形的基本参数，在XP55原型踏面基础上，采用轮缘内侧轮廓线平移方法，设计并提出了XP55-28经济型镟修踏面。理论计算和实际车削加工预测结果表明，三、四级检修时采用XP55-28经济型镟修踏面可延长车轮使用寿命至360万公里。通过动力学仿真分析可知,采用XP55-28经济型镟修踏面轮轨接触几何关系、车辆系统蛇行运动稳定性、车辆直线轨道运行平稳性、车辆曲线通过安全性等各项动力学性能指标均满足运营要求，且有足够的安全余量。
参考文献
[1] EN 13715-2006 铁路应用：轮对与转向架、轮对踏面外形.
[2] TB/T 449-2003 机车车辆车轮轮缘踏面外形
[3] 周文祥，李德维，姜新生.铁道车轮外形曲线数字测量仪的研究[J].铁道学报，2005，27（5）；50-53
[4] ALSTOM EMU CA250.Wheel Profile Definition [Z] 2006
[5] UIC519-2004 等效锥度的确定方法