動(dòng)車(chē)組輪對(duì)踏面磨耗淺析及解決構(gòu)架振動(dòng)措施研究

姚志偉+徐興濤

摘 要：高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架是車(chē)輛重要的走行部位，在高速度、高密度運(yùn)行一定里程后車(chē)輪圓周方向會(huì)出現(xiàn)不同程度的剝離進(jìn)而出現(xiàn)車(chē)輪多邊形引發(fā)輪、軌系統(tǒng)間的劇烈震動(dòng)產(chǎn)生較大滾動(dòng)噪聲，進(jìn)而影響旅客乘坐舒適性及檢修運(yùn)用成本，針對(duì)車(chē)輪多邊形現(xiàn)象提出了相應(yīng)的解決措施。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架；輪對(duì)踏面；轉(zhuǎn)臂；鏇修

中圖分類號(hào)： TU275.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）32-191-2

1 車(chē)輪不圓順測(cè)試與分析

隨著高速動(dòng)車(chē)組長(zhǎng)線路、高密度的運(yùn)行，車(chē)輛車(chē)輪不圓化磨耗現(xiàn)象比較突出。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)車(chē)輪踏面圓周不圓度，分析車(chē)輪不圓的分布特征，為研究車(chē)輪不圓對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能提供依據(jù)。

1.1 車(chē)輪不圓度測(cè)試

BST車(chē)輪多邊形測(cè)試儀（或稱軌道車(chē)輛車(chē)輪粗糙度測(cè)量?jī)x）是用于測(cè)量軌道車(chē)輛車(chē)輪的周向不平順，以獲得車(chē)輛車(chē)輪的平均直徑、車(chē)輪徑跳值和車(chē)輪不圓特征（即車(chē)輪不圓的階次）的儀器。

該儀器采用位移接觸式測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，其滾輪和位移傳感器探針直接與被測(cè)車(chē)輪踏面垂直接觸；采用USB 接口供電，并傳輸數(shù)據(jù)；采用專門(mén)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及處理。

車(chē)輪粗糙度的測(cè)試環(huán)境要求車(chē)輛靜止在檢修軌道上，輪對(duì)處于懸空狀態(tài)，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，BST車(chē)輪多邊形測(cè)試儀要求放在一個(gè)固定的平臺(tái)上，留出工作電源和試驗(yàn)人員適當(dāng)?shù)墓ぷ骺臻g。

BST車(chē)輪多邊形測(cè)試儀測(cè)試時(shí)，測(cè)試點(diǎn)可位于車(chē)輪踏面輪緣向外60mm處。

1.2 車(chē)輪不圓度測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)軌道車(chē)輛車(chē)輪的不圓度測(cè)試數(shù)據(jù)分析得到車(chē)輪的階次、車(chē)輪徑跳統(tǒng)計(jì)值、粗糙度等。通常定義車(chē)輪多邊形：車(chē)輪多邊形是指車(chē)輪圓周方向存在規(guī)則的波浪形的形狀，工程常采用階次圖表示。車(chē)輪徑跳：車(chē)輪徑跳是指車(chē)輪一周中最大車(chē)輪直徑與最小直徑的差值，通常用其表征車(chē)輪不圓化的嚴(yán)重程度。

2 輪對(duì)多邊形的形成機(jī)理

2.1 輪對(duì)系統(tǒng)的自激振動(dòng)頻率

將高速列車(chē)車(chē)輪動(dòng)多邊形問(wèn)題考慮成由輪軌系統(tǒng)間的自激振動(dòng)引起，車(chē)輪多邊形變數(shù)N=fz/fω，其中fz為系統(tǒng)自激振動(dòng)頻率，fω為這輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)的多階多邊形為例，當(dāng)車(chē)輛速度分別以200km/h、250km/h和300km/h時(shí)，系統(tǒng)自激振動(dòng)頻率為fz=fω=Nv/（2∏.r）

式中：v=車(chē)輛運(yùn)行速度。

R為車(chē)輪滾動(dòng)圓半徑，當(dāng)車(chē)輪滾動(dòng)圓半徑為0.43m時(shí)，車(chē)輪周期性不圓順引起的振動(dòng)頻率見(jiàn)表1。

2.2 輪軌異常振動(dòng)機(jī)理

當(dāng)輪軌激勵(lì)大，激勵(lì)出轉(zhuǎn)向架固有模態(tài)的振動(dòng)，激勵(lì)消失后振動(dòng)快速衰減；當(dāng)輪軌持續(xù)激勵(lì)大且車(chē)輪轉(zhuǎn)速恒定，轉(zhuǎn)向架會(huì)按固有模態(tài)頻率持續(xù)諧振；車(chē)輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)疊加每秒N（N=車(chē)輪旋轉(zhuǎn)周長(zhǎng)/諧振頻率波長(zhǎng)）次的規(guī)律振動(dòng)，從而形成車(chē)輪的N階多邊形。

通過(guò)研究16至21階左右的輪對(duì)多邊形所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)自激振動(dòng)頻率在460-617Hz之間與該轉(zhuǎn)向架的固有頻率580Hz接近，容易引發(fā)共振；同時(shí)當(dāng)輪對(duì)與鋼軌之間存在500Hz以上的高頻短時(shí)間接觸振動(dòng)，來(lái)不及向上和軌下傳遞，會(huì)引起輪軌間的強(qiáng)烈沖擊，是輪對(duì)高階多邊形形成的原因之一。

2.3 鋼軌波磨與輪對(duì)波長(zhǎng)

鋼軌波磨是指鋼軌上表面出現(xiàn)規(guī)則的波浪形磨耗，表現(xiàn)為一高一低或一明一暗的光帶，即輪軌表面短波周期不平順

鋼軌測(cè)試結(jié)果如圖2顯示存在80mm和160mm左右的波長(zhǎng)以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)的20階多邊形為例，當(dāng)車(chē)輛速度分別以200km/h、250km/h和300km/h時(shí)，輪對(duì)波長(zhǎng)=v/f=137mm與鋼軌波磨測(cè)試波長(zhǎng)相接近。車(chē)輪多邊形波長(zhǎng)與鋼軌波磨波長(zhǎng)相同或相近易引發(fā)輪軌高頻共振，進(jìn)而形成論對(duì)多邊形。

3 解決車(chē)輪多邊形引發(fā)構(gòu)架系統(tǒng)振動(dòng)措施

3.1 車(chē)輪踏面鏇修對(duì)構(gòu)架振動(dòng)的緩解（圖3）

車(chē)輪踏面鏇修消除多邊形后構(gòu)架振動(dòng)明顯減弱，掌握車(chē)輪多邊形的演變規(guī)律及時(shí)鏇修可以有效減緩構(gòu)架及車(chē)體振動(dòng)。

3.2 波磨鋼軌打磨對(duì)構(gòu)架振動(dòng)的緩解

車(chē)體結(jié)構(gòu)局部或整體模態(tài)靠近轉(zhuǎn)向架蛇行頻率是放大車(chē)體高頻振動(dòng)的重要元素，通過(guò)修整振動(dòng)區(qū)段的軌形：降低轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)幅值和頻率（圖4）

3.3 降低高頻振動(dòng)的傳遞，減少轉(zhuǎn)向架內(nèi)部耦合振動(dòng)

降低高頻振動(dòng)的耦合傳遞主要靠一系和二系懸掛裝置，由于現(xiàn)有車(chē)輛懸掛參數(shù)已經(jīng)非常適宜于降低高頻振動(dòng)，所以改進(jìn)空間較??；但可以采用更換轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)，有效衰減動(dòng)車(chē)輪對(duì)-轉(zhuǎn)臂-構(gòu)架間異常振動(dòng)傳遞以耦合，降低車(chē)輪多邊形的形成速率。

將動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)換新周期由240萬(wàn)公里縮短到120萬(wàn)公里，故障率高發(fā)的拖車(chē)轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)同時(shí)更換；進(jìn)一步確定轉(zhuǎn)向架相關(guān)減振部件的合理更換周期

車(chē)體結(jié)構(gòu)最低模態(tài)頻率對(duì)車(chē)體抖動(dòng)的影響很大，應(yīng)該避免它與轉(zhuǎn)向架蛇行頻率放生耦合、產(chǎn)生共振。

3.4 軌道系統(tǒng)的剛度應(yīng)適度

軌道剛度低，列車(chē)振動(dòng)傳至軌下的響應(yīng)會(huì)降低，但車(chē)內(nèi)振動(dòng)會(huì)增大；軌道剛度大，則列車(chē)振動(dòng)傳至軌下的響應(yīng)會(huì)增大，但列車(chē)平穩(wěn)性會(huì)較好。減振扣件的使用可以一定程度上緩解軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)，減小振動(dòng)，但如果減振扣件的剛度太大，將會(huì)引起軌道固有振動(dòng)頻率降低。如到500Hz左右，有可能與轉(zhuǎn)向架部件共振，從而導(dǎo)致異常振動(dòng)發(fā)生，增加波磨的產(chǎn)生。應(yīng)充分重視減振扣件與鋼軌波磨的關(guān)系。

3.5 輪對(duì)鏇修的優(yōu)化

將之前車(chē)輪一刀0.5mm經(jīng)濟(jì)鏇優(yōu)化為兩刀0.5+0.5mm鏇修，徹底消除已形成的多邊形；通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化不落輪旋床的定位方式，加裝轉(zhuǎn)臂支撐裝置，以減少車(chē)輪鏇修后的徑跳值同時(shí)增加車(chē)輪多邊形在線監(jiān)測(cè)功能，有效監(jiān)控鏇后質(zhì)量。

通過(guò)上述措施有效降低了上線動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架車(chē)輪多邊形高發(fā)問(wèn)題，解決了因輪、軌高頻沖擊造成的部分零部件加速磨損問(wèn)題，降低了檢修成本。

參 考 文 獻(xiàn)

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[3] 沈玉飛.軌道輪外形及不圓度檢測(cè)研究[D].西南交通大學(xué)，2011.