中国高速列车车轮多边形磨耗特征分析

王鹏; 陶功权; 杨晓璇; 谢晨希; 李伟; 温泽峰

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20210777

中国高速列车车轮多边形磨耗特征分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210777

西南交通大学轨道交通运载全国重点实验室，四川成都 610031

基金项目: 国家自然科学基金（1734201, 51805450, 52002342）；中央高校基本科研业务费专项资金（2682020CX52）

详细信息

作者简介:
王鹏（1990―），男，博士研究生，研究方向为轮轨关系，E-mail：15198285012@163.com

通讯作者:
温泽峰（1976―），男，研究员，研究方向为轮轨关系及振动噪声，E-mail：zfwen@swjtu.edu.cn

中图分类号: U270.1
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出版历程
- 收稿日期: 2021-10-12
- 修回日期: 2021-11-23
- 网络出版日期: 2023-01-03
- 刊出日期: 2021-11-25

Analysis of Polygonal Wear Characteristics of Chinese High-Speed Train Wheels

State Key Laboratory of Rail Transit Vehicle System, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China

摘要

摘要:
车轮失圆问题广泛存在于我国高速列车，对列车乘坐舒适性和运行安全性有显著影响. 从2011年至2020年，测试了12条高铁线路中9种型号高速动车组的车轮不圆度，包括200、250、300、350 km/h 4种运营速度，共3.05万个车轮；对车轮不圆度测试数据进行特征分析，掌握我国高速动车组车轮多边形磨耗的发展规律；分析影响车轮多边形发展的关键因素，包括车辆轴距、轨道结构和研磨子修形. 结果表明：高速动车组车轮存在10～30阶多边形磨耗，多边形波长为90～288 mm，且在100～178 mm波长范围的多边形磨耗最为严重；车辆轴距、扣件类型和环境温度与车轮多边形磨耗形成密切相关，通过改善研磨子和车轮踏面匹配关系，保证踏面横向和圆周处于良好的磨耗状态，使高阶车轮多边形粗糙度水平最大下降60%.
- 高速列车 /
- 车轮 /
- 磨耗 /
- 多边形 /
- 研磨子 /
- 轴距 /
- 扣件刚度
Abstract:
Wheel out-of-roundness (OOR), which is commonly observed on the wheels of Chinese high-speed trains, has a significant influence on the vehicle ride comfort and operation safety. From 2011 to 2020, 30500 wheels of nine types of high-speed trains were selected for tests and the wheel OOR was measured. The tested high-speed trains operated on 12 high-speed railway lines with different operating speeds, including operating speeds of 200, 250, 300, and 350 km/h. The characteristics of the wheel OOR were analyzed to determine the development rules for wheel polygonal wear of high-speed EMUs in China. The key factors that affect the wheel polygon wear were analyzed, including the wheelbase, track structure, and abrasive block. The test results show that the dominant harmonic orders of the wheel polygonal wear range from 10^th to 30^th order. The corresponding wavelengths of the 10^th–30^th-order polygonization are 90–288 mm, with a wheel polygonal wear of 100‒178 mm being the most severe. The analysis of the key factors that affect the wheel polygonal wear shows that the wheelbase, fastening stiffness, and ambient temperature are closely related to the formation of wheel polygonal wear. By improving the matching relationship between the abrasive block and the wheel tread, the transverse and circumferential wear is minimized and the roughness level of the high-order polygonal wear is reduced by 60% at most.
- high-speed train /
- wheels /
- wear /
- polygon /
- abrasive block /
- wheelbase /
- fastening stiffness

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市域铁路是都市圈内客运轨道交通的组成部分，随着我国城市化水平不断提高，大城市空间结构逐渐由单中心向多中心演化，中心城与外围新城间交通需求也日益增长，市域铁路成为解决该交通需求的有效途径.

市域铁路兼具干线铁路和城市轨道交通的特征. 针对其运输需求，借助干线铁路已经发展起来的同相供电技术^[1-2]，市域铁路的单相交流牵引供电可采用双边供电，取消分区所处电分相环节，提升牵引供电系统供电能力及供电可靠性.综合分析单边和双边供电的技术经济指标^[3]，双边供电最大的优点是提高牵引网电压水平，且在稳态情况下，实施双边供电能够满足电力系统的要求^[4]. 采用双边供电技术会增加既有继电保护对牵引网故障的识别难度，因此，可采用牵引网分段供电与测控技术^[5-7]，将供电臂适当分段，运用同步测量技术，更准确、及时地判别故障类型与部位，将故障限制在最小范围内，最大限度地保证牵引网的可靠性和可用性. 可通过建立双边供电等值电路，得到均衡电流的计算模型^[3]；或在分区所测量两侧牵引网的电压，利用两侧牵引网均为空载时，两侧牵引母线的电压差除以折算至牵引侧的系统总阻抗预估均衡电流^[8]. 可在变电所馈线串接电抗器或将牵引变压器制成高漏抗牵引变压器^[2]，或通过适用于交流电气化铁路牵引供电的移相器减小均衡电流^[9]，也可以通过选择合适的外部电源构成树形双边供电，达到没有均衡电流的目的^[10]. 目前，市域铁路的研究主要集中于牵引电缆贯通供电方案，并对该方案进行了建模和潮流计算^[11]. 本文主要分析市域铁路在牵引侧双边供电运行，改变城市电网在配电网侧辐射状的电网结构，双边供电可能跨越较多的电压等级，构成电磁环网结构，需分析双边供电系统中“电磁环网”的潮流分布和对电力系统的影响，给出不同外部电源均衡电流的计算模型，并得到其影响及其相应的控制措施. 结合工程案例，推导多个牵引变电所双边供电时均衡电流的计算模型，对市域铁路单相交流牵引供电采用双边供电时的潮流、均衡电流进行计算，分析双边供电的可行性.

1. 电磁环网分析

1.1 电磁环网形成的原因

电磁环网是由2组不同电压等级的输电线路通过变压器T1、T2磁回路的联结并列运行而形成的环形电力网^[12]，一般形成于相邻的2个电压等级间，典型的电磁环网如所示，图中： ${{\dot U}}_{\rm{S}}$ 、Z_S分别为环网中的电压和等值电阻，S为环网中的潮流.

图 1 典型的电磁环网

Figure 1. Typical electromagnetic loop network

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1.2 双边供电系统中“电磁环网”分析

在双边供电系统中，牵引变电所间牵引网联通成为电力系统的并联支路，类似于电力系统中的电磁环网，然而二者也有显著的不同，电力系统中存在三相电压（电流） ${{\dot U}}_{\rm{A}}$ 、 ${{\dot U}}_{\rm{B}}$ 、 ${{\dot U}}_{\rm{C}}$ （ ${{\dot I}}_{\rm{A}}$ 、 ${{\dot I}}_{\rm{B}}$ 、 ${{\dot I}}_{\rm{C}}$ ），但电气化铁路双边供电仅是某一相连通而不是三相连通，如图2所示^[13]，T为接触线，R为钢轨.

图 2 潮流转移

Figure 2. Flow transfer

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双边供电系统中“电磁环网”存在潮流转移和穿越功率的问题.

1）潮流转移：当相邻两牵引变电所SS₁、SS₂间三相输电线发生故障时，根据选择性，仅断开K₁及K₂，由于双边供电分区所（SP）两侧供电臂被联通，三相输电线A相及B相功率可经牵引网继续传导，牵引变电所连接到高压侧的公共连接点P_CC,_K、P_CC,K+1之间的电气距离大大增加，系统稳定性水平可能下降，其中，K为牵引变电所序号.

2）穿越功率：牵引网作为电力系统的一个支路，会在电力系统中形成许多环网，电力系统中负荷潮流流过时，产生的穿越功率同时会在牵引网上造成分流，即均衡电流.

2. 均衡电流分析

2.1 均衡电流影响分析

均衡电流的影响主要体现在：1）电压损失，均衡电流会在牵引网上产生额外的电压降. 2）电能损失，均衡电流通过牵引网会产生额外电能损失. 3）影响牵引变压器，穿越功率是牵引供电系统实行双边供电时额外增加的功率，会额外占用牵引变压器部分容量；4）对电度计量的影响，若电度表可以反转，牵引变电所Q1只多计量均衡电流 ${{{\dot I}}_{\rm{q}}}$ 引起的牵引网损耗；若电度表不能反转，则从点a、b流入的穿越功率都将被计量表所计量，如所示^[3]， ${{{\dot I}}_{\rm{S}}}$ 为环网中的电流，k为牵引变压器统一变比，V、X对应V型和X型接线方式.

图 3 双边供电系统电能计量

Figure 3. Energy metering in bilateral power supply system

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2.2 均衡电流计算

双边供电根据外部电源供电方式的差异可分为平行双边供电和树形双边供电，有不同的等值电路模型，计算均衡电流时需分开讨论. 平行双边供电的外部电源供电方式包括双侧单回路、双侧双回路等，即牵引供电系统两侧均有三相电源的供电方式以及非终端情形的单侧双回路供电方式，此时，牵引网作为电力系统的一个支路，会在电力系统中形成许多个环网，产生均衡电流；树形双边供电的外部电源供电方式为包括牵引供电系统作为终端的单侧双回路供电方式、辐射型供电方式或树形结构供电方式，2个牵引变电所的电源进线接在变电站同一分段母线的不同分段上，两牵引变电所一次侧进线电压相等，不会产生均衡电流.

2.2.1 平行双边供电均衡电流计算

空载的平行双边供电系统等值电路如所示. 图中： ${{{\dot U}}_{{\text{A1}}}}$ 、 ${{{\dot U}}_{{\text{B1}}}}$ 、 ${{{\dot U}}_{{\text{C1}}}}$ 和 ${{{\dot U}}_{{\text{A2}}}}$ 、 ${{{\dot U}}_{{\text{B2}}}}$ 、 ${{{\dot U}}_{{\text{C2}}}}$ 分别为两侧三相电力系统电压， ${L_1}$ 为左侧三相电源到P_CC,₁的距离， ${L_2}$ 为P_CC,₁和P_CC,₂之间的距离， ${L_3}$ 为右侧三相电源到P_CC,₂的距离， ${Z_{\text{D}}}$ 为三相电力输电线的单位阻抗， $L$ 为构成双边供电的2个牵引变电所之间的距离， ${{{\dot U}}_{{\text{S1}}}}$ 、 ${{{\dot U}}_{{\text{S11}}}}$ 和 ${{{\dot U}}_{{\text{S2}}}}$ 、 ${{{\dot U}}_{{\text{S22}}}}$ 分别为2个牵引变压器原、次边电压，Z_J11、Z_J12、Z_J21、Z_J22、Z_TT1、Z_TT2为牵引变压器等效阻抗， ${{{\dot I}}_{\text{f}}}$ 为均衡电流，T1为接触线1，R1为钢轨1，T2为接触线2，R2为钢轨2，Z₁为接触线等效阻抗，Z₂为钢轨等效阻抗.

图 4 平行双边供电系统等值电路

Figure 4. Equivalent circuit diagram of parallel bilateral power supply system

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根据图4中三相电力输电线的电压差，可以得到

$\left\{ \begin{gathered} {{{\dot U}}_{{\text{A1}}}} - {{{\dot U}}_{{\text{A2}}}} = {Z_{\text{D}}}\left( {{L_1} + {L_2} + {L_3}} \right){{{\dot I}}_{\text{A}}}, \\ {{{\dot U}}_{{\text{B1}}}} - {{{\dot U}}_{{\text{B2}}}} = {Z_{\text{D}}}\left( {{L_1} + {L_2} + {L_3}} \right){{{\dot I}}_{\text{B}}} - {Z_{\text{D}}}{L_2}{{{\dot I}}_{\text{f}}}, \\ {{{\dot U}}_{{\text{C1}}}} - {{{\dot U}}_{{\text{C2}}}} = {Z_{\text{D}}}\left( {{L_1} + {L_2} + {L_3}} \right){{{\dot I}}_{\text{C}}} + {Z_{\text{D}}}{L_2}{{{\dot I}}_{\text{f}}}. \end{gathered} \right.$

(1)

通过2台牵引变压器原边和次边的节点电压电流关系，可以得到

$\left\{ \begin{gathered} {{{\dot U}}_{{\text{S1}}}} - {{{\dot U}}_{{\text{S2}}}} = \left[ {\left( {{{{\dot I}}_{\text{B}}} - {{{\dot I}}_{\text{f}}}} \right) - \left( {{{{\dot I}}_{\text{C}}} + {{{\dot I}}_{\text{f}}}} \right)} \right]{Z_{\text{D}}}{L_2} - \\ \quad {{{\dot I}}_{\text{f}}}{Z_{{\text{JS}}}} = k\left( {{{{\dot U}}_{{\text{S11}}}} - {{{\dot U}}_{{\text{S22}}}}} \right), \\ {{{\dot U}}_{{\text{S11}}}} - {{{\dot U}}_{{\text{S22}}}} = k{{{\dot I}}_{\text{f}}}\left( {\bar ZL + {Z_{{\text{TT1}}}} + {Z_{{\text{TT2}}}}} \right), \\ \end{gathered} \right.$

(2)

式中： ${Z_{{\text{JS}}}} = {Z_{{\text{J11}}}} + {Z_{{\text{J12}}}} + {Z_{{\text{J21}}}} + {Z_{{\text{J22}}}}$ ， $\bar Z = \left( {{Z_1} + {Z_2}} \right)/2$ .

根据式（1）和式（2），解得

$\left\{\begin{array}{l} \dot{I}_{\mathrm{f}}=\dfrac{k_{\mathrm{f}}\left(\Delta {{\dot U}}_{\mathrm{B}}-\Delta {{\dot U}}_{\mathrm{c}}\right)}{Z_{\mathrm{D}}\left(L_{1} + L_{2} + L_{3}\right)-2 k_{\mathrm{f}} Z_{\mathrm{D}} L_{2}}, \\ k_{\mathrm{f}}=\dfrac{Z_{\mathrm{D}} L_{2}}{2 Z_{\mathrm{D}} L_{2} + Z_{\mathrm{JS}} + k^{2}\left(\bar{Z} L + Z_{\mathrm{TT1}} + Z_{\mathrm{TT2}}\right)}, \end{array}\right.$

(3)

式中：k_f为阻抗系数；Z_JS为进线阻抗； $\Delta {{{\dot U}}_{\text{B}}} = {{{\dot U}}_{{\text{B1}}}} - {{{\dot U}}_{{\text{B2}}}}$ ， $\Delta {{{\dot U}}_{\text{C}}} = {{{\dot U}}_{{\text{C1}}}} -{{{\dot U}}_{{\text{C2}}}}$ .

2.2.2 树形双边供电均衡电流计算

空载的树形双边供电系统等值电路如所示. 图中： ${{{{\dot I}}}_{{\text{f}}1}}$ 和 ${{{\dot I}}_{{\text{f}}2}}$ 分别为2个牵引变压器原边测量的实际均衡电流， ${k_1}$ 和 ${k_2}$ 分别为2个牵引变压器的实际变比.

图 5 树形双边供电系统等值电路

Figure 5. Equivalent circuit diagram of tree bilateral power supply system

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2台牵引变压器原边和次边的节点电压方程为

$\left\{ \begin{gathered} {{{\dot U}}_{{\text{S}}1}} = {k_1}{{{\dot U}}_{{\text{S}}11}} = {{{\dot U}}_{\text{B}}} - {{{\dot U}}_{\text{C}}} - \left( {{Z_{{\text{J11}}}} + {Z_{{\text{J12}}}}} \right){{{\dot I}}_{{\text{f}}1}}, \\ {{{\dot U}}_{{\text{S}}2}} = {k_2}{{{\dot U}}_{{\text{S22}}}} = {{{\dot U}}_{\text{B}}} - {{{\dot U}}_{\text{C}}} - \left( {{Z_{{\text{J21}}}} + {Z_{{\text{J22}}}}} \right){{{\dot I}}_{{\text{f2}}}}, \\ {{{\dot U}}_{{\text{S}}11}} - {{{\dot U}}_{{\text{S22}}}} = {k_1}{{{\dot I}}_{{\text{f}}1}}\left( {{Z_{{\text{TT1}}}} + {Z_{{\text{TT2}}}} + \frac{{{Z_1} + {Z_2}}}{2}L} \right), \\ {k_1}{{{\dot I}}_{{\text{f}}1}} + {k_2}{{{\dot I}}_{{\text{f2}}}} = 0. \\ \end{gathered} \right.$

(4)

解式得（4），均衡电流 ${{{\dot I}}_{{\text{f}}1}}{\text{ = }}{{{\dot I}}_{{\text{f2}}}}{\text{ = }}0$ ，即线路中不存在均衡电流. 双边供电的两牵引变电所进线处存在电压差时均可等值为平行双边供电系统，而树形双边供电的外部电源呈树形结构，牵引变电所的电源进线来自电力变电站同一分段母线的不同分段，因此平行双边供电模型相较于树形双边供电适用性更强.

3. 实例分析

以某市域线路为例，其牵引供电系统由110 kV牵引变电所Q1、Q2、Q3、Q4（预留）分段供电. 为保证市域铁路的持续可靠供电，考虑运行时将3个变比为110 kV/27.5 kV的牵引变压器在低压27.5 kV侧合环运行，实现列车运行的不间断供电. 该方案改变了目前城市电网在配电网侧辐射状的电网结构，合环时跨越了较多的电压等级，构成电磁环网结构，因此需要考虑在正常运行时合环线路的潮流情况，防止合环线路潮流穿越功率太大，超过线路的载流能力. 牵引变压器可以短时（2 h）承受的最大功率为100 MV·A；110 kV线路采用的是截面积为1600 mm²的电缆，能承受的最大电流为1000 A；27.5 kV刚性接触网型号为CTA150 + HL2213，能承受的最大电流为3500 A. 合环示意如图6所示.

图 6 低压27.5 kV侧合环运行方案

Figure 6. Closing ring operation scheme at low voltage 27.5 kV side

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对电网的网架结构初步分析，4个牵引变电所位于3个500 kV供电区，3个500 kV变电站之间有潮流分布，如图7所示.

图 7 电网架构

Figure 7. Power grid architecture

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3.1 合环线路均衡电流分析

3.1.1 合环线路均衡电流计算

市域线路在27.5 kV侧合环运行，即两两牵引变电所双边供电，可能会产生均衡电流，根据线路的网架结构，结合2.2节，推导出均衡电流的计算模型，如所示. 图中： ${{{\dot U}}_{{\rm{{Q1}A}}}}$ 、 ${{{\dot U}}_{{\rm{{Q1}B}}}}$ 、 ${{{\dot U}}_{{\rm{{Q1}C}}}}$ （ ${{{\dot U}}_{{\rm{{Q2}A}}}}$ 、 ${{{\dot U}}_{{\rm{{Q2}B}}}}$ 、 ${{{\dot U}}_{{\rm{{Q2}C}}}}$ 、 ${{{\dot U}}_{{\rm{{Q3}A}}}}$ 、 ${{{\dot U}}_{{\rm{{Q3}B}}}}$ 、 ${{{\dot U}}_{{\rm{{Q3}C}}}}$ ）分别为牵引变电所Q1（Q2、Q3）的三相电源电压； ${{{\dot I}}_{{\rm{{Q{1}}q}}}}$ 、 ${{{\dot I}}_{{\rm{{Q{2}}q}}}}$ 、 ${{{\dot I}}_{{\rm{{Q{3}}q}}}}$ 分别为牵引变电所Q1、Q2、Q3到合环点的均衡电流； ${{{\dot I}}_{{\rm{{Q{12}}A}}}}$ 、 ${{{\dot I}}_{{\rm{{Q{12}}B}}}}$ 、 ${{{\dot I}}_{{\rm{{Q{12}}C}}}}$ 为牵引变电所Q1流向Q2的三相电流； ${{{\dot I}}_{{\rm{{Q{23}}A}}}}$ 、 ${{{\dot I}}_{\rm{{Q{23}}B}}}$ 、 ${{{\dot I}}_{\rm{{Q{23}}C}}}$ 为牵引变电所Q2流向Q3的三相电流； ${{{\dot I}}_{\rm{{Q{13}}A}}}$ 、 ${{{\dot I}}_{\rm{{Q{13}}B}}}$ 、 ${{{\dot I}}_{\rm{{Q{13}}C}}}$ 为牵引变电所Q1流向Q3的三相电流； ${Z_{{\rm{S{Q1}}}}}$ 、 ${Z_{{\rm{SQ2}}}}$ 、 ${Z_{{\rm{SQ3}}}}$ 为电力系统的短路阻抗； ${Z_{{\rm{jQ1}}}}$ 、 ${Z_{{\rm{jQ2}}}}$ 、 ${Z_{{\rm{jQ3}}}}$ 电力系统到变电站的进线阻抗； ${Z_{{\rm{TQ1}}}}$ 、 ${Z_{{\rm{TQ2}}}}$ 、 ${Z_{{\rm{TQ3}}}}$ 为牵引变压器归算到牵引侧的漏抗； ${Z_{{\rm{dQ12}}}}$ 、 ${Z_{{\rm{dQ13}}}}$ 、 ${Z_{{\rm{dQ23}}}}$ 分别为牵引变电所Q1到Q2、Q1到Q3、Q2到Q3之间的传输线阻抗； ${L_{\rm{{Q1}}}}$ 、 ${L_{\rm{Q2}}}$ 、 ${L_{{\rm{Q3}}}}$ 分别为牵引变电所Q1、Q2、Q3到合环点的距离； ${Z_{\text{q}}}$ 为牵引网单位阻抗. 各牵引变电所带的负荷见表1，牵引网阻抗值为0.0440 + 0.371 0i Ω/km.

图 8 市域线路均衡电流的计算模型

Figure 8. Calculation model of equilibrium current for suburban lines

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表 1 变电所正常运行时牵引负荷

Table 1. Traction loads at substations

主变电所	牵引负荷/ (MV·A)	牵引变压器接线形式	牵引变压器容量/ (MV·A)	同相供电容量配置/ (MV·A)
Q1	44.7	单相	2 × （40 + 10）	5
Q2	64.0	单相	2 × （40 + 10）	5
Q3	62.9	单相	2 × （40 + 10）	5
Q4	20.0	单相	2 × （40 + 10）	5

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可利用叠加原理计算3个牵引变电所合环的均衡电流，先计算每2个牵引变电所之间的均衡电流，再进行叠加. 结合2.2节均衡电流的计算公式得到Q1与Q2之间的均衡电流 ${{{\dot I}}_{{\rm{Q{12}q}}}}$ 、Q2与Q3之间的均衡电流 ${{{\dot I}}_{{\rm{Q{23}q}}}}$ 、Q1与Q3之间的均衡电流 ${{{\dot I}}_{{\rm{Q{13}q}}}}$ 分别为

$\qquad\qquad\qquad{{{\dot I}}}_{\rm{Q{12}q}}=\dfrac{{{\dot U}}_{\rm{Q1A}}-{{\dot U}}_{\rm{Q1B}}-{{\dot U}}_{\rm{Q2A}} + {{\dot U}}_{\rm{Q2B}} + ({{\dot I}}_{\rm{Q{12}B}}-{{\dot I}}_{\rm{Q{12}A}}){Z}_{\rm{SQ1}}-({{\dot I}}_{\rm{Q{12}A}}-{{\dot I}}_{\rm{Q12B}}){Z}_{\rm{SQ2}}}{k[{Z}_{\rm{TQ1}} + {Z}_{\rm{TQ2}} + ({L}_{\rm{Q1}} + {L}_{\rm{Q2}}){{\textit{z}}}_{\rm{q}}] + \dfrac{2}{k}({Z}_{\rm{jQ1}} + {Z}_{\rm{jQ2}} + {Z}_{\rm{SQ1}} + {Z}_{\rm{SQ2}})},$

(5)

$\qquad\qquad\qquad {{{\dot I}}_{{\rm{Q{23}q}}}} = \dfrac{{{{{\dot U}}_{{\rm{Q2A}}}} - {{{\dot U}}_{{\rm{Q2B}}}} - {{{\dot U}}_{{\rm{Q3A}}}} + {{{\dot U}}_{{\rm{Q3B}}}} + ({{{\dot I}}_{{\rm{Q{23}B}}}} - {{{\dot I}}_{{\rm{Q{23}A}}}}){Z_{{\rm{SQ2}}}} - ({{{\dot I}}_{{\rm{Q{23}A}}}} - {{{\dot I}}_{{\rm{Q{23}B}}}}){Z_{{\rm{SQ3}}}}}}{{k[{Z_{{\rm{TQ2}}}} + {Z_{{\rm{TQ3}}}} + ({L_{{\rm{Q2}}}} + {L_{{\rm{Q3}}}}){{\textit{z}}_{\rm{q}}}] + \dfrac{2}{k}({Z_{{\rm{jQ2}}}} + {Z_{{\rm{jQ3}}}} + {Z_{{\rm{SQ2}}}} + {Z_{{\rm{SQ3}}}})}},$

(6)

$\qquad\qquad\qquad{{{\dot I}}_{{\rm{Q{13}q}}}} = \dfrac{{{{{\dot U}}_{{\rm{Q1A}}}} - {{{\dot U}}_{{\rm{Q1B}}}} - {{{\dot U}}_{{\rm{Q3A}}}} + {{{\dot U}}_{{\rm{Q3B}}}} + ({{{\dot I}}_{{\rm{Q{13}B}}}} - {{{\dot I}}_{{\rm{Q{13}A}}}}){Z_{{\rm{SQ1}}}} - ({{{\dot I}}_{{\rm{Q{13}A}}}} - {{{\dot I}}_{{\rm{Q{13}B}}}}){Z_{{\rm{SQ2}}}}}}{{k[{Z_{{\rm{TQ1}}}} + {Z_{{\rm{TQ3}}}} + ({L_{\rm{Q1}}} + {L_{{\rm{Q3}}}}){{\textit{z}}_{\rm{q}}}] + \dfrac{2}{k}({Z_{{\rm{jQ1}}}} + {Z_{{\rm{jQ3}}}} + {Z_{{\rm{SQ1}}}} + {Z_{{\rm{SQ3}}}})}}.$

(7)

利用叠加原理，得到牵引变电所Q1、Q2、Q3到合环点的均衡电流分别为

$\begin{split} \\ {{{\dot I}}_{{\rm{Q1q}}}} = {{{\dot I}}_{{\rm{Q{12}q}}}} + {{{\dot I}}_{{\rm{Q{13}q}}}}, \end{split}$

(8)

${{{\dot I}}_{{\rm{Q2q}}}} = - {{{\dot I}}_{{\rm{Q{12}q}}}} + {{{\dot I}}_{{\rm{Q{23}q}}}},$

(9)

${{{\dot I}}_{{\rm{Q3q}}}} = - {{{\dot I}}_{{\rm{Q{23}q}}}} - {{{\dot I}}_{{\rm{Q{13}q}}}}.$

(10)

根据电网架构和线路的参数，测得电网正常运行和出现各类故障（110、220 kV电网侧环网故障解环）时各牵引变电所110 kV高压侧电压的变化范围，Q1高压侧的电压为110∠−26.052°～110∠−26.881° kV，Q2高压侧的电压为110∠−29.409°～110∠−29.513° kV，Q3高压侧的电压为110∠−32.897°～110∠−33.236° kV，可计算Q1与Q2高压侧的电压相角差α₁₂变化范围约为0～4°，Q1与Q3高压侧的电压相角差α₁₃变化范围约为0～8°，Q2与Q3高压侧的电压相角差α₂₃变化范围约为0～4° 时合环线路上的均衡电流大小，如图9所示.

图 9 牵引变电所Q1、Q2、Q3到合环点的均衡电流计算值

Figure 9. Calculation values of equilibrium currents from traction substation Q1, Q2, Q3 to loop closing point

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由图9可知：3个牵引变电所的电压相角差为0时，均衡电流也为0；牵引变电所到合环点的均衡电流随着该牵引变电所与其余牵引变电所的电压相角差增大而增大；3个牵引变电所的穿越功率最大值为1.500、1.375、1.125 MV·A，穿越功率占牵引变压器容量比最大为3%.

3.1.2 合环线路均衡电流仿真

在MATLAB/simulink软件中建立合环线路均衡电流的仿真模型，如所示，并进行仿真计算，得到牵引变电所Q1、Q2、Q3到合环点的均衡电流仿真值 ${\dot I}_{{\rm{fQ1q}}}$ 、 ${\dot I}_{{\rm{fQ2q}}}$ 、 ${\dot I}_{{\rm{fQ3q}}}$ ，如图11所示.

图 10 合环线路均衡电流的计算模型

Figure 10. Calculation model of equilibrium currents in closed-loop lines

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图 11 牵引变电所Q1、Q2、Q3到合环点的均衡电流仿真值

Figure 11. Simulation values of equilibrium currents from traction substation Q1、Q2、Q3 to loop closing point

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使用合环线路均衡电流的仿真结果验证均衡电流计算模型的正确性，得出均衡电流的最大值为 60.264 A，占比为2.322%.

3.2 合环线路潮流仿真

使用MATLAB/simulink软件搭建牵引变电所Q1、Q2、Q3、Q4在27.5 kV侧合环运行的市域铁路牵引供电系统模型，如图12所示，仿真模型中E、F、G、H、I、J、K为系统侧电力变压器，L1～L10为系统侧输电线路阻抗，仿真考虑市域铁路供电在夜间停运和高峰时段运行2种工况.

图 12 市域铁路牵引供电系统仿真模型

Figure 12. Simulation model of traction power supply system for suburban railways

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夜间解环、夜间合环、高峰时段合环、牵引供电所解列时电网的潮流分布，如图13所示，牵引变压器承受的最大功率为70.36 MV·A，电压波动最大为0.7025%，在牵引变压器承受范围内；110 kV线路承受的最大电流为833.418 A，27.5 kV接触网承受的最大电流为2595.789 A，均未超过线路载流能力.

图 13 合环线路潮流仿真（MV·A）

Figure 13. Power flow simulation for loop closing line (MV·A)

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4. 结　论

市域铁路单相交流牵引供电系统采用双边供电方式时，可能存在电磁环网和均衡电流的问题.

1）电磁环网：双边供电系统中“电磁环网”主要存在潮流转移和穿越功率的问题，潮流转移可能会影响系统稳定性，穿越功率会在牵引网上造成均衡电流.

2）均衡电流：双边供电系统的均衡电流与外部电源供电方式有关，若施行双边供电的两牵引变电所进线处存在电压差，则会导致在牵引网上产生分流，即均衡电流. 外部电源呈树形结构时，牵引变电所的电源进线来自一个电力变电站同一分段母线的不同分段，电压差为0，因此树形双边供电不产生均衡电流. 国家标准中并没有明确给出均衡电流的取值范围，只能通过减小电力系统变电所间等值阻抗或增大牵引供电系统阻抗达到减小均衡电流的目的.

3）以某市域线路为例进行仿真计算可以发现，双边供电系统中“电磁环网”对电网的潮流分布的影响均在牵引变压器、线路的承受范围内，即双边供电在稳态情况下不会对电网的安全运行造成影响；合环线路中均衡电流占比为2.322%，侧面反映均衡电流对系统影响较小. 但这些结论只针对目前分析的市域线路，其余的市域线路如果要采用双边供电还需根据实际情况分析.

致谢：广州地铁设计研究院股份有限公司科技项目（R110421H01090）.

图 1 车轮多边形磨耗照片

Figure 1. Polygonal wheel wear photo

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图 2 车轮失圆阶次表示

Figure 2. Wheel OOR described in the harmonic order levels

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图 3 A厂列车车轮多边形磨耗阶次

Figure 3. Harmonic order levels of wheel polygonal wear for manufacturer A

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图 4 A厂列车车轮典型多边形磨耗

Figure 4. Typical wheel polygonal wear for manufacturer A

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图 5 B厂列车车轮多边形磨耗阶次

Figure 5. Harmonic order levels of wheel polygonal wear for manufacturer B

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图 6 B厂车轮典型多边形磨耗

Figure 6. Typical wheel polygonal wear for manufacturer B

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图 7 高速动车组多边形磨耗特征

Figure 7. Wheel polygonal wear characteristic of high-speed EMU

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图 8 车轮径跳

Figure 8. Radial run-out of wheels

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图 9 不同线路条件下轨头垂向敲击垂向响应

Figure 9. Vertical frequency response function of railhead vertical excitation from impact hammer test with different railway lines

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图 10 多边形磨耗的极坐标表示

Figure 10. Polar-coordinate system of wheel OOR

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图 12 车轮踏面不同横向位置圆周磨耗

Figure 12. OOR wear at different transverse positions of wheel tread

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图 11 研磨子对车轮多边形磨耗影响

Figure 11. Influence of the abrasive block on roughness level of wheel OOR

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图 13 车轮踏面外形

Figure 13. Wheel tread profile

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表 1 高速动车组车轮不圆测试信息

Table 1. Measurement information of wheel OOR of high-speed EMUs

厂家	车型	设计速度/ （km·h⁻¹）	车轮初始直径/mm	运行线路	列次/列	测试车轮数/个
A	A1	200	860	兰州—乌鲁木齐	16	4122
	A2	250	860	大同—西安、贵阳—广州、南宁—广州、南昌—福州	130	4080
	A3	250	920	成都—贵阳	2	1608
	A4	300	860	大同—西安、北京—广州	53	6088
B	B1	200	890	兰州—乌鲁木齐	40	1800
	B2	250	860	大同—西安、上海—昆明	2	440
	B3	300	920	武汉—广州、北京—广州、北京—上海	502	8456
	B4	300	920	哈尔滨—大连	78	1902
	B5	350	920	大同—西安、郑州—徐州、北京—广州、北京—上海、北京—天津	12	2004

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表 2 A厂列车车轮多边形磨耗波长

Table 2. Wavelengths of wheel polygonal wear for manufacturer A

车型	直径/mm	主要阶次/阶	波长/mm
A1	860	26～28	96～102
A2	860	14 22～24 29～30	192 112～122 90～92
A3	920	15 22～26	192 111～131
A4	860	10 17	250 150

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表 3 B厂列车车轮多边形磨耗波长

Table 3. Wavelengths of wheel polygonal wear for manufacturer B

车型	直径/mm	主要阶次	波长/mm
B1	890	14～16 22～28	174～200 100～126
B2	860	14 22～24	192 112～122
B3	920	12 18～20	240 143～160
B4	920	21～23	124～136
B5	920	10 16～17	288 167～178

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表 4 2种轴距下多边形磨耗对比

Table 4. Comparison of wheel polygonal wear under two wheelbases

轴距/m	车型	阶次	波长/mm	频率/Hz
2.5	A1～A4、 B2～B5	10～15	192、 240～288	330～354
		16～30	90～178	520～613
		21～23	124～136	613～672
2.7	B1	14～16	174～200	266～306
2.7	B1	21～28	100～126	423～533

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表 5 高铁线路调查结果

Table 5. Investigation results for high-speed railway lines

线路	主要运行车型	轨道板类型	扣件类型	扣件间距/mm	扣件刚度/（kN·mm⁻¹）	频响主要频率/Hz
大西线	A2、A4、B2、B5	CRTS Ⅰ	WJ-8	629	20～40
贵广线	A2	CRTS Ⅰ	WJ-8	629	20～40	165
成贵线	A3	CRTS Ⅰ/CRTS Ⅲ	WJ-8	629	20～40	203
京广线	A4、B3、B5	CRTS Ⅰ	WJ-8/Vossloh 300	650	20～40	142
京沪线	B3、B5	CRTS Ⅱ	WJ-8/Vossloh 300	650	20～40	120
兰新线	A1、B1	CRTS Ⅰ	Vossloh	650	20～40	160
沪昆线	B2	CRTS Ⅰ	WJ-8	650	20～40	155
哈大线	B4	CRTS Ⅰ	WJ-7	629	30～40	252

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参考文献(18)

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施引文献

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1. 电磁环网分析
1.1 电磁环网形成的原因
1.2 双边供电系统中“电磁环网”分析
2. 均衡电流分析
2.1 均衡电流影响分析
2.2 均衡电流计算
3. 实例分析
3.1 合环线路均衡电流分析
3.2 合环线路潮流仿真
4. 结　论

中国高速列车车轮多边形磨耗特征分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210777

作者简介: 王鹏（1990―），男，博士研究生，研究方向为轮轨关系，E-mail：15198285012@163.com

通讯作者: 温泽峰（1976―），男，研究员，研究方向为轮轨关系及振动噪声，E-mail：zfwen@swjtu.edu.cn

计量

出版历程

Analysis of Polygonal Wear Characteristics of Chinese High-Speed Train Wheels

1. 电磁环网分析

1.1 电磁环网形成的原因

1.2 双边供电系统中“电磁环网”分析

2. 均衡电流分析

2.1 均衡电流影响分析

2.2 均衡电流计算

2.2.1 平行双边供电均衡电流计算

2.2.2 树形双边供电均衡电流计算

3. 实例分析

3.1 合环线路均衡电流分析

3.1.1 合环线路均衡电流计算

3.1.2 合环线路均衡电流仿真

3.2 合环线路潮流仿真

4. 结 论

期刊类型引用(4)

其他类型引用(1)

计量

出版历程

目录

1. 电磁环网分析

1.1 电磁环网形成的原因

1.2 双边供电系统中“电磁环网”分析

2. 均衡电流分析

2.1 均衡电流影响分析

2.2 均衡电流计算

3. 实例分析

3.1 合环线路均衡电流分析

3.2 合环线路潮流仿真

4. 结 论

作者简介:
王鹏（1990―），男，博士研究生，研究方向为轮轨关系，E-mail：15198285012@163.com

通讯作者:
温泽峰（1976―），男，研究员，研究方向为轮轨关系及振动噪声，E-mail：zfwen@swjtu.edu.cn

4. 结　论

4. 结　论