高速列車車輪非圓化與振動(dòng)噪聲關(guān)系跟蹤試驗(yàn)研究＊

（1．中車長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長春；2．西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都∥第一作者，助理工程師）

高速列車車輪非圓化與振動(dòng)噪聲關(guān)系跟蹤試驗(yàn)研究＊

韓光旭1宋春元1李國棟1金學(xué)松2

（1．中車長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長春；2．西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都∥第一作者，助理工程師）

選定某型號(hào)新運(yùn)營的高速列車進(jìn)行長期跟蹤試驗(yàn)，研究不同運(yùn)行時(shí)期內(nèi)，車輪非圓化與振動(dòng)噪聲的發(fā)展變化規(guī)律及兩者間的相互影響關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的車輪鏇修加工手段，不能完全消除車輪非圓化磨耗的再次形成和發(fā)展，鏇修后車輪會(huì)繼承部分或者全部鏇修前的非圓化特性；部分初始無高階非圓化特性的車輪，鏇修后至列車再運(yùn)行一定里程時(shí)會(huì)出現(xiàn)車輪高階非圓化特征，同時(shí)期的振動(dòng)噪聲頻譜會(huì)對高階非圓化階次所在的頻率有所反映。在考慮車輪鏇修及車輛固有特性兩種因素下，分析了車輪高階非圓化的可能成因，并提出了緩解車輪高階非圓化、降低車內(nèi)振動(dòng)噪聲的方法。

高速列車；車輪非圓化；振動(dòng)噪聲；跟蹤試驗(yàn)

First－author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

隨著高鐵運(yùn)營里程及動(dòng)車組服役數(shù)量的增長，高速列車車輪非圓化問題十分突出。根據(jù)作者前期研究結(jié)果［1－4］，550～630 Hz為高速列車敏感頻帶，若車輪非圓化激擾與這一頻帶重疊，將會(huì)引起車輛異常的振動(dòng)噪聲問題，對高速列車結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅，也影響旅客乘坐舒適性。業(yè)界學(xué)者對軌道交通振動(dòng)噪聲問題做過大量研究［5－6］，但對車輪非圓化和振動(dòng)噪聲之間的關(guān)系研究甚少。

本文以研究二者間作用規(guī)律為目的，對國內(nèi)新上線運(yùn)營的某型號(hào)高速列車車輪多邊形及車輛振動(dòng)噪聲問題進(jìn)行長期跟蹤試驗(yàn)，分析列車車輪表面非圓化特性和車輛振動(dòng)噪聲特性變化，重點(diǎn)關(guān)注他們之間的相互作用關(guān)系。

所跟蹤測試的列車承擔(dān)正常載客運(yùn)營任務(wù)。根據(jù)現(xiàn)場協(xié)調(diào)安排，為盡量方便開展試驗(yàn)任務(wù)，選擇該型車1、9、10號(hào)車廂為測試對象，進(jìn)行噪聲測試，同步測試9、10號(hào)兩個(gè)車廂的軸箱和構(gòu)架振動(dòng)水平，同期還測試了3個(gè)車廂的車輪表面狀態(tài)。1、9號(hào)車廂為動(dòng)車，10號(hào)車廂為拖車。

圖1為跟蹤測試列車測點(diǎn)位置示意圖，規(guī)定面朝1號(hào)車廂行進(jìn)方向?yàn)榍埃瑒t圖示正面為列車行進(jìn)方向的左側(cè)，背面為右側(cè)。軸號(hào)如圖1所示，左起第3個(gè)車輪命名為1號(hào)車3軸左側(cè)車輪；9、10號(hào)車廂車下振動(dòng)傳感器安裝區(qū)域與車輪非圓化測試位置相同，用于測試軸箱和構(gòu)架振動(dòng)。

1 跟蹤測試數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)測得列車運(yùn)行里程至10．8萬、15．0萬、18．9萬、24．3萬及33．2萬km時(shí)的振動(dòng)噪聲及車輪非圓化數(shù)據(jù)，列車在運(yùn)行18．9萬至24．3萬km之間曾進(jìn)行車輪鏇修作業(yè)。

圖1 跟蹤測試列車測點(diǎn)布置

1．1 噪聲總值的變化

圖2為列車不同運(yùn)行里程時(shí)，1、9、10號(hào)車廂風(fēng)擋區(qū)域噪聲聲壓級(jí)總值柱狀圖。虛線為國際鐵路聯(lián)盟（UIC）對300km／h級(jí)高速列車風(fēng)擋區(qū)域的噪聲限值，要求最大聲壓級(jí)小于82dB（A）。

試驗(yàn)結(jié)果表明：新車運(yùn)行一段時(shí)間后，至車輪鏇修公里數(shù)附近，各噪聲測點(diǎn)聲壓級(jí)水平隨列車運(yùn)行公里數(shù)的增加而升高；經(jīng)首次對車輪踏面鏇修后，9、10號(hào)車廂本該繼續(xù)升高的噪聲聲壓級(jí)變化趨勢得到改變，鏇修后運(yùn)行公里數(shù)為24．3萬km時(shí)的噪聲值小于鏇修前運(yùn)行公里數(shù)為18．9萬km的噪聲值。

圖2 噪聲聲壓級(jí)隨列車運(yùn)行公里數(shù)的變化

車輪鏇修后，1號(hào)車廂噪聲聲壓級(jí)水平并沒有降低至鏇修前的水平。由1號(hào)車廂整個(gè)運(yùn)行里程內(nèi)噪聲總聲壓級(jí)水平分布可知，1號(hào)車廂噪聲水平出現(xiàn)異?？焖僭龃蟮淖兓?guī)律，在運(yùn)行24．3萬至33．2萬km內(nèi)，聲壓級(jí)從81．8dB（A）升高至88．1dB（A），變化量超6dB（A），等同于每運(yùn)行3萬km增加2．1dB（A），增速較10．8萬至18．9萬km期間（近似每運(yùn)行3萬km增加1．1dB（A））顯著加快。

列車運(yùn)行24．3萬至33．2萬km期間，3個(gè)車廂噪聲水平都出現(xiàn)不同程度增大。以24．0萬km為鏇修時(shí)間點(diǎn)，則24．3萬、33．2萬km分別相當(dāng)于新運(yùn)行周期中的0．3萬km和9．2萬km。由此可知，鏇修后除1號(hào)車廂噪聲水平變化異常外，9、10號(hào)車廂在車輪鏇修后的前10萬km內(nèi)，聲壓級(jí)增速較緩慢。參考第一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)各車廂聲壓級(jí)增速的變化規(guī)律可知，在剔除聲壓級(jí)變化異常的1號(hào)車廂后，高速列車新運(yùn)行周期的前10萬km內(nèi)，聲壓級(jí)增速緩慢，在運(yùn)行接近10萬km直至車輪鏇修時(shí)，聲壓級(jí)增速才開始加快。

1．2 振動(dòng)總值變化

在9、10號(hào)車廂轉(zhuǎn)向架區(qū)域布置振動(dòng)加速度傳感器，用于測試軸箱和構(gòu)架的振動(dòng)水平。圖3為兩個(gè)車廂軸箱、構(gòu)架振動(dòng)加速度水平隨列車運(yùn)行公里數(shù)的變化規(guī)律。

圖3 振動(dòng)加速度級(jí)隨列車運(yùn)行公里數(shù)的變化

由圖3可知，鏇修前后兩運(yùn)行周期內(nèi)，兩個(gè)車廂的軸箱、構(gòu)架振動(dòng)加速度總值均隨列車運(yùn)行公里數(shù)的增加而增大，但構(gòu)架振動(dòng)加速度級(jí)的增速快于軸箱振動(dòng)加速度級(jí)的增速（如圖3中箭頭標(biāo)記所示的增速趨勢線，構(gòu)架振動(dòng)增速趨勢線斜率大于軸箱趨勢線）。

車輪鏇修后，9、10號(hào)車廂本該繼續(xù)升高的振動(dòng)加速度級(jí)變化趨勢被改變，這與同時(shí)期噪聲變化趨勢一致。鏇修后新運(yùn)行周期0．3（相當(dāng)于原24．3）萬至9．2（相當(dāng)于原33．2）萬km期間，對應(yīng)的軸箱振動(dòng)加速度增大，9號(hào)車廂約為1．4dB／3萬km，10車廂約為0．5dB／3萬km；構(gòu)架振動(dòng)加速度增大，9號(hào)車廂約為1．7dB／3萬km，10號(hào)車廂約為0．7 dB／3萬km，鏇修后的9號(hào)車廂振動(dòng)增速較大。

1．3 徑跳變化

圖4為各車廂車輪徑跳值隨列車運(yùn)行公里數(shù)的變化規(guī)律。柱狀由左至右分別對應(yīng)1號(hào)車廂3軸左輪、3軸右輪、4軸左輪、4軸右輪，9號(hào)車廂3軸左輪、3軸右輪、4軸左輪、4軸右輪，10號(hào)車廂3軸左輪、3軸右輪、4軸左輪、4軸右輪。因車輪測試受現(xiàn)場停車位置限制或因被遮擋，以下階段的車輪非圓化信息未能測得：15．0萬km時(shí)1號(hào)車廂3軸與4軸，9號(hào)車廂4軸，10號(hào)車廂3軸；18．9萬km時(shí)的全部車輪；24．3萬km時(shí)10號(hào)車廂3軸。

圖4 車輪徑跳值隨列車運(yùn)行公里數(shù)的變化

由圖4可知，前10．8萬km，基本所有車輪都滿足徑跳值小于0．1mm的運(yùn)用要求。鏇修后0．3（相當(dāng)于原24．3）萬km時(shí)，各輪徑跳值均回歸0．1mm以下，說明鏇修對修復(fù)車輪徑跳值大小有顯著作用。9號(hào)車廂運(yùn)行至15．0萬km時(shí)，3軸右側(cè)車輪徑跳開始快速發(fā)展，徑跳值由0．101mm升至0．141mm，且鏇修后僅運(yùn)行9．2（相當(dāng)于原33．2）萬km，該輪徑跳值就超過運(yùn)用要求，達(dá)到0．157 mm，徑跳值增速加快；鏇修后9．2（相當(dāng)于原33．2）萬km時(shí)，1號(hào)車廂4軸左側(cè)車輪徑跳值發(fā)展迅速，徑跳值由0．096mm升至0．754mm，嚴(yán)重超出以徑跳值為參考的車輪服役標(biāo)準(zhǔn)。

比較鏇修前后兩個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)車輪經(jīng)跳值變化可知，若初始徑跳值小于0．1mm（正常水平），各輪徑跳值將隨運(yùn)行公里數(shù)緩慢增長或不發(fā)生變化，個(gè)別車輪在磨耗后，徑跳值甚至變??；若車輪徑跳值接近0．1mm，則隨著運(yùn)行公里數(shù)增加，會(huì)存在徑跳值繼續(xù)增大的可能，且徑跳值增大速度會(huì)加快；經(jīng)車輪鏇修后，雖可使徑跳值超出0．1mm的9號(hào)車廂3軸右側(cè)車輪徑跳值恢復(fù)至正常水平，但該輪經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行磨耗后，徑跳值又超出0．1mm的水平，且徑跳值增速加快，影響車輛性能。

受測試現(xiàn)場條件限制，對1號(hào)車廂車輪表面狀態(tài)了解甚少，但現(xiàn)有數(shù)據(jù)反映出，鏇修后1號(hào)車廂4軸左側(cè)車輪徑跳值出現(xiàn)突變式惡性增長，徑跳值達(dá)0．754mm，至此還不能確定產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，需作進(jìn)一步分析。

2 車輪非圓化與振動(dòng)噪聲的關(guān)系

車輪非圓化與振動(dòng)噪聲總值上具有對應(yīng)關(guān)系，本文研究二者頻率上的對應(yīng)關(guān)系，重點(diǎn)關(guān)注曾出現(xiàn)徑跳值大于0．1mm的9號(hào)車廂及鏇修后徑跳值異常增大的1號(hào)車廂。

2．1 9號(hào)車廂

圖5所示為徑跳值超過0．1mm的9車廂3軸右側(cè)車輪非圓化階次變化狀況。圖5中由“?”構(gòu)成的曲線，是以初始階段測試的非圓化階次第1階粗糙度等級(jí)為參考的ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)中限值曲線向下平移而得的理想狀態(tài)下的階次分布趨勢曲線，以之衡量不同時(shí)期車輪非圓化階次變化的優(yōu)劣。

圖5 9號(hào)車廂3軸右輪10．8萬／15．0萬km階次分布

由列車運(yùn)行10．8萬km和15．0萬km時(shí)測得的車輪非圓化階次分布可知，該時(shí)期內(nèi)車輪服役狀態(tài)良好，各階次分布均小于ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)中的限值。

列車運(yùn)行公里數(shù)從10．8萬km達(dá)到15．0萬km時(shí)，該輪各非圓化階次有不同程度增長，使15．0萬km后該輪徑跳值超出0．1mm。因公里數(shù)15．0萬km時(shí)新的階次分布曲線基本處在理想趨勢曲線之下，可確定這一時(shí)期該輪處于均勻磨耗狀態(tài)，僅個(gè)別非圓化階次如第16、17、19階及24階超出理想狀態(tài)下的趨勢曲線。

圖6表明，隨著列車運(yùn)行公里數(shù)增加，車輪各階非圓化不斷發(fā)展。9號(hào)車廂軸箱和構(gòu)架200Hz以上頻率振動(dòng)幅值出現(xiàn)增長；公里數(shù)至15．0萬km時(shí)，572～600Hz處的軸箱和構(gòu)架振動(dòng)幅值開始升高，這與此時(shí)升高的車輪非圓化第19階附近階次相對應(yīng)（以300km／h車速及920mm車輪直徑為條件計(jì)算得出），因此時(shí)振動(dòng)幅值較小，車內(nèi)噪聲在此處雖有對應(yīng)頻率，卻不顯著。

圖6 9號(hào)車廂10．8萬／15．0萬km振動(dòng)噪聲頻譜分布

圖7為運(yùn)行公里數(shù)15．0萬至24．3萬km時(shí)，測得的車輪非圓化階次分布，期間進(jìn)行過鏇修作業(yè)。由鏇修前后兩次測試結(jié)果對比可知，鏇修可以對各輪非圓化階次進(jìn)行修復(fù)，但修復(fù)的好壞程度并非線性關(guān)系，表現(xiàn)為對低階非圓化粗糙度幅值可以進(jìn)行較大程度修復(fù)，但對高階非圓化的修復(fù)程度往往具有隨機(jī)性。

圖7 9號(hào)車廂3軸右輪15．0萬／24．3萬km階次分布

以鏇修后第1階非圓化粗糙度幅值為參考，由理想狀態(tài)非圓化階次分布趨勢曲線可知，本次鏇修作業(yè)的鏇修水平不高，僅對徑跳值大小進(jìn)行修復(fù)，未衡量鏇修后整個(gè)頻帶上非圓化階次分布的好壞。鏇修后，最理想的狀態(tài)應(yīng)是非圓化階次分布變化規(guī)律與ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)中的曲線變化趨勢一致，即越偏向高階成分，粗糙度水平應(yīng)越低，且應(yīng)保持平滑下降趨勢，但本次鏇修使9號(hào)車廂該輪個(gè)別非圓化階次成為新的突出峰值階次，如第2、3、6～10、15、16、19、20階及其后更高階成分。

上述結(jié)果表明，現(xiàn)有車輪鏇修手段存在使鏇修后頻域上的非圓化階次惡化的可能性，若鏇修后對徑跳值的修復(fù)不佳，或隨著車輪磨耗加深，新被鏇修出的非圓化階次開始“長大”，將使車輛性能惡化。

圖8為鏇修前后，振動(dòng)噪聲頻譜對比結(jié)果。鏇修后，雖然新出現(xiàn)的非圓化階次與車輛振動(dòng)噪聲敏感頻帶（550～630Hz）多有重合，會(huì)加劇振動(dòng)噪聲水平，但好在本次鏇修后，對徑跳值的修復(fù)較大，且鏇修后各輪非圓化階次分布值距ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)中的限值曲線較遠(yuǎn)，最終表現(xiàn)為9號(hào)車廂在鏇修后，振動(dòng)噪聲水平有所降低。

圖8 9號(hào)車廂15．0萬／24．3萬km振動(dòng)噪聲頻譜分布

圖9為運(yùn)行公里數(shù)24．3萬km至33．2萬km時(shí)，測得的車輪非圓化階次分布。運(yùn)行公里數(shù)由24．3萬km增長至33．2萬km時(shí)，各非圓化階次有不同程度增長，新被鏇修后的非圓化階次“長大”的現(xiàn)象在該輪上表現(xiàn)并不顯著，測得的非圓化階次分布發(fā)展趨勢比較平緩，僅在非圓化第20階附近及24階處，粗糙度等級(jí)即將達(dá)到ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)中的限值要求。值得注意的是，第20階非圓化在前次鏇修時(shí)已被鏇掉，但此時(shí)第20階非圓化又迅猛發(fā)展。

圖10為運(yùn)行公里數(shù)24．3萬km至33．2萬km時(shí)，測得的軸箱和構(gòu)架振動(dòng)及噪聲頻譜結(jié)果。由圖10可知，鏇修后，隨著運(yùn)行公里數(shù)增加，車輪磨耗不斷增加，尤其該時(shí)期車輪第20階非圓化出現(xiàn)快速增長，與之相對應(yīng)的是在軸箱和構(gòu)架振動(dòng)頻譜中，600 Hz附近頻率出現(xiàn)顯著峰值。同時(shí)，因此時(shí)車輪徑跳值超出0．1mm，相對前次試驗(yàn)結(jié)果，軸箱和構(gòu)架振動(dòng)大部分頻率呈升高趨勢。對應(yīng)至噪聲頻譜，相對前次測試結(jié)果，600Hz附近也存在峰值頻率。由此可見，同一測試階段的振動(dòng)噪聲及非圓化存在頻率上的關(guān)聯(lián)性。

圖9 9號(hào)車廂3軸右輪24．3萬／33．2萬km階次分布

圖10 9號(hào)車廂振動(dòng)噪聲24．3萬／33．2萬公里頻譜分布

2．2 1號(hào)車廂

圖11所示為1號(hào)車廂4軸左側(cè)車輪非圓化階次隨列車運(yùn)行公里數(shù)的分布規(guī)律。運(yùn)行公里數(shù)10．8萬km時(shí)的測試結(jié)果為未經(jīng)鏇修時(shí)的首次測試，以之作為車輪的初始狀態(tài)。

由圖11可知，初始狀態(tài)時(shí)，1號(hào)車廂該輪就存在以第12、13、15、19、20階及更高階次為代表的突出峰值；雖未能測到15．0萬km至18．9萬km時(shí)該輪的非圓化結(jié)果，但可由一般規(guī)律預(yù)見該輪各非圓化階次粗糙度水平，應(yīng)是呈現(xiàn)出隨運(yùn)行公里數(shù)的增長而增大的發(fā)展規(guī)律。同時(shí)，也注意到1號(hào)車廂該輪在上述突出階次附近的粗糙度等級(jí)較高，顯著大于同時(shí)期9號(hào)車廂3軸右輪的非圓化粗糙度等級(jí)，這將會(huì)使后期該輪的非圓化粗糙度水平增速超過正常車輪，使1號(hào)車廂徑跳值以及振動(dòng)噪聲等級(jí)惡化的時(shí)間提前。

圖11 1號(hào)車廂4軸左輪10．8萬km階次分布

圖12為同時(shí)期測得的1號(hào)車廂噪聲頻譜分布，此時(shí)噪聲頻譜在600Hz附近已有顯著峰值頻率，與非圓化第19、20階附近階次存在對應(yīng)關(guān)系。

圖12 1號(hào)車廂10．8萬km振動(dòng)噪聲頻譜分布

圖13為運(yùn)行公里數(shù)24．3萬km時(shí)，1號(hào)車廂該輪經(jīng)鏇修作業(yè)后首次測試結(jié)果。由圖13可知，鏇修后非圓化階次在第15、19階及第24階附近存在峰值，這些非圓化階次與鏇修前非圓化階次存在對應(yīng)與繼承的關(guān)系；鏇修后僅經(jīng)0．3（相當(dāng)于原24．3）萬km運(yùn)行磨耗，1號(hào)車廂該輪非圓化階次大小就超過鏇修前累計(jì)10．8萬km時(shí)的水平，為異?，F(xiàn)象。判斷造成該現(xiàn)象的原因可能與鏇修效果不好、無法有效修復(fù)已有非圓化特性有關(guān)。

圖13 1號(hào)車廂4軸左輪24．3萬km階次分布

圖14為運(yùn)行公里數(shù)24．3萬km時(shí)1號(hào)車廂噪聲頻譜。在此時(shí)非圓化粗糙度普遍高于10．8萬km時(shí)的情況下，全頻段的振動(dòng)沖擊能量均較大，同時(shí)，鏇修后第19、20階等高階非圓化成分仍然突出，已接近ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)中的限值。該非圓化特性影響車內(nèi)噪聲頻譜，表現(xiàn)為此次試驗(yàn)結(jié)果0～1 000Hz范圍內(nèi)噪聲能量都高于10．8萬km時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，且600Hz附近噪聲峰值頻率突出。

圖14 1號(hào)車廂24．3萬km噪聲頻譜分布

圖15為運(yùn)行公里數(shù)33．2萬km時(shí)所測1號(hào)車廂該輪非圓化階次分布規(guī)律，此時(shí)非圓化徑跳值及噪聲水平都存在異常突變式增長。

1號(hào)車廂該輪經(jīng)鏇修，經(jīng)9．2（相當(dāng)于原33．2）萬km運(yùn)行磨耗后，非圓化階次嚴(yán)重超標(biāo)，幾乎所有非圓化階次都超出ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)中的限值，且又以非圓化第9～12、15、16、19、20、24階附近階次超出ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)中的限值最為顯著。這些非圓化階次與前兩次測試結(jié)果存在對應(yīng)與繼承關(guān)系，可能是初始狀態(tài)下的非圓化階次，經(jīng)鏇修之后快速“長大”形成的。

圖15 1號(hào)車廂4軸左輪33．2萬km階次分布

圖16為同期測得的噪聲頻譜分布規(guī)律。在徑跳值（0．754mm）嚴(yán)重超標(biāo)及非圓化階次高階成分異常突出的條件下，噪聲頻譜整個(gè)頻段的噪聲峰值均顯著提高，尤其在600Hz附近高頻部分幅值增量較大。異常噪聲與車輪非圓化第11～12、15、19、23、24階有對應(yīng)關(guān)系。

圖16 1號(hào)車廂33．2萬km噪聲頻譜分布

3 車輪高階非圓化成因

研究發(fā)現(xiàn)，高速列車振動(dòng)噪聲，尤其是車內(nèi)噪聲對以第19～25階為代表的高階非圓化成分十分敏感，只要車輪出現(xiàn)顯著的第20階非圓化特性，車內(nèi)噪聲必然會(huì)上升到令人難以忍受的程度。若能找到緩解或解決車輪20階附近非圓化問題的方法，將極大提高車輛的乘坐舒適性及結(jié)構(gòu)部件的服役壽命。

由于1號(hào)和9號(hào)兩車廂是動(dòng)車，且均出現(xiàn)高階非圓化，而10號(hào)車廂為拖車，卻未出現(xiàn)高階非圓化，由此推斷高階非圓化可能僅出現(xiàn)在動(dòng)車車輪上。

試驗(yàn)期間，除對跟蹤車輛測試外，也測試了大量其他車輛的非圓化情況［7］。測試數(shù)據(jù)表明，車輪第20階非圓化可以隨機(jī)地出現(xiàn)在列車編組的任意位置，包括動(dòng)車車輪（動(dòng)車靠近或遠(yuǎn)離齒輪箱的車輪）、拖車車輪（拖車臨近動(dòng)車的車輪、拖車與拖車相接位置處的車輪），都曾出現(xiàn)過車輪第20階非圓化問題，由此可排除電機(jī)和齒輪箱對車輪第20階非圓化的影響。

1號(hào)車廂車輪在初始狀態(tài)就有第20階非圓化的成分，鏇修后第20階非圓化成分迅速發(fā)展；而9號(hào)車廂車輪在初始狀態(tài)不存在第20階非圓化，其第20階非圓化特性是在鏇修后才開始出現(xiàn)的。根據(jù)非圓化隨機(jī)出現(xiàn)在某個(gè)車輪上的現(xiàn)象，第20階非圓化可能與車輪初始狀態(tài)及鏇修維護(hù)水平有關(guān)。

下面以極坐標(biāo)形式，研究車輪非圓化輪周輪廓變化，分析高階非圓化可能成因。圖17為不同階段1號(hào)車廂異常車輪非圓化輪周輪廓外形變化。

圖17 1號(hào)車廂4軸左輪非圓化的極坐標(biāo)表示

由鏇修前后1號(hào)車廂該輪非圓化輪周輪廓的變化結(jié)果可知，鏇修僅使圖17a）中“陰影”范圍內(nèi)的車輪表面狀態(tài)發(fā)生改變，而車輪輪周其他位置處外形輪廓基本沒有改變。運(yùn)行33．2萬km時(shí)，車輪輪周外形在運(yùn)行24．3萬km的基礎(chǔ)上快速發(fā)展。除“陰影”區(qū)域外，此時(shí)車輪外形輪廓與前次測試結(jié)果相比，仍沒有顯著變化，只是磨耗加深，說明此時(shí)非圓化狀態(tài)是在原有基礎(chǔ)上快速“長大”形成的。在“陰影”區(qū)域，車輪則表現(xiàn)出新的非圓化磨耗形式。

由圖18所示的9號(hào)車廂3軸右輪異常非圓化輪周輪廓變化可知，從新輪狀態(tài)至列車運(yùn)行15．0萬km過程中，該輪基本處于均勻磨耗狀態(tài)，車輪輪周外形變化不顯著。

圖18 9號(hào)車廂3軸右輪非圓化的極坐標(biāo)表示

該輪鏇修后運(yùn)行0．3（相當(dāng)于原24．3）萬km時(shí)，非圓化形態(tài)從1階偏心為主變?yōu)?階橢圓，但整個(gè)車輪外形輪廓并未出現(xiàn)異常磨耗。達(dá)到9．2（相當(dāng)于原33．2）萬km后，測得的車輪輪周外形在圖示“陰影”區(qū)域180°至270°范圍出現(xiàn)顯著改變，與之對應(yīng)的是該時(shí)期車輪第20階非圓化出現(xiàn)顯著增長。由此可見，鏇修后該輪并沒有第20階非圓化成分，而隨著列車運(yùn)行公里數(shù)增加，車輪輪周外形發(fā)生較大改變，第20階非圓化成分在這期間才開始出現(xiàn)，并呈現(xiàn)異常增長。

綜合兩個(gè)車廂不同時(shí)期的車輪非圓化變化規(guī)律可知，1號(hào)車廂4軸左輪初始狀態(tài)就有高階非圓化階次，且不能被鏇修掉，鏇修后非圓化會(huì)按原形態(tài)繼續(xù)“長大”。這是由于鏇修采用經(jīng)濟(jì)鏇修，鏇修量小，粗糙度高的高階非圓化難以通過經(jīng)濟(jì)鏇修徹底修復(fù)。根據(jù)文獻(xiàn)［7］的研究結(jié)果可知，當(dāng)車輪和鋼軌滾動(dòng)接觸時(shí)，會(huì)在車輪表面形成硬化層，造成車輪輪周峰值處硬度大、谷值處硬度低。此種條件下，鏇修會(huì)切削掉部分車輪表面硬化層，但鏇修后峰值位置仍相對較硬，硬度本就小的谷值處的硬度則更低，將使谷值位置磨耗速度加快，峰值位置磨耗相對緩慢，這是造成車輪鏇修后，非圓化在原有基礎(chǔ)上快速“長大”的原因之一。

9號(hào)車廂3軸右輪在初始狀態(tài)時(shí)，并不存在第19、20階非圓化。運(yùn)行一段時(shí)間后，各非圓化階次可被鏇修掉。但鏇修后一段時(shí)間，卻出現(xiàn)車輪第20階非圓化快速發(fā)展的現(xiàn)象，且出現(xiàn)失圓的位置為鏇修后得到的以“橢圓”為主的非圓化外形的短半軸位置，該位置也是車輪輪周外形上的谷值，此處材料硬度值低，磨耗相對容易，但為何磨耗恰好會(huì)出第20階的非圓化階次仍需深入研究。

研究認(rèn)為，這與該型高速列車固有特性有關(guān)。圖19、20為9號(hào)車廂加速狀態(tài)下軸箱、構(gòu)架振動(dòng)時(shí)頻特性。左側(cè)縱軸為列車加速運(yùn)行的相對時(shí)間，軸箱和構(gòu)架振動(dòng)加速度幅值動(dòng)態(tài)變化范圍為40dB。

圖19 9號(hào)車廂軸箱振動(dòng)時(shí)頻特性

圖20 9號(hào)車廂構(gòu)架振動(dòng)時(shí)頻特性

由圖19、20可知，車輛軸箱存在多個(gè)模態(tài)密集區(qū)域，如0～56、288～440、530～660及760～920 Hz區(qū)域內(nèi)的振動(dòng)加速度幅值不管速度如何變化，振動(dòng)總處在比較高的水平。這些模態(tài)密集區(qū)中，又以處在530～600Hz頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)能量最突出；構(gòu)架振動(dòng)的模態(tài)密集區(qū)間數(shù)量少于軸箱，最顯著的模態(tài)密集區(qū)間為530～600Hz，該區(qū)域不僅與軸箱的模態(tài)密集區(qū)重疊，且對應(yīng)車輪第20階非圓化激振頻率。

經(jīng)綜合考慮，因鏇修使車輪表面部分區(qū)域內(nèi)硬度不均加劇，磨耗不均，在車輛自身結(jié)構(gòu)600Hz密集模態(tài)長期影響下，車輪在繼承原有的殘留非圓化峰值特征基礎(chǔ)上，在硬度較低區(qū)域易產(chǎn)生特定形態(tài)磨耗，最終使車輪表面出現(xiàn)與車輛自身結(jié)構(gòu)模態(tài)密集區(qū)間頻率相對應(yīng)的第20階非圓化特征。研究建議：重點(diǎn)關(guān)注構(gòu)架轉(zhuǎn)臂及鋼彈簧上方結(jié)構(gòu)600Hz頻率附近的模態(tài)形式，在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)盡量避開600Hz的敏感頻率區(qū)間。

此外，影響車輪高階非圓化的因素還在于現(xiàn)有的車輪鏇修加工手段。圖21為不落輪車輪鏇修臺(tái)架及車輪車削示意圖。由圖21可知，鏇修時(shí)卡盤以一定作用力卡住軸箱，兩小滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)，車刀對車輪進(jìn)行鏇修加工。因車輪不是以軸心為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，將會(huì)帶來以下問題：假定兩小滾輪圓周是理想狀態(tài)的圓，車輪以低階（1階）偏心為主，滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，車輪將按照原有1階偏心的方式旋轉(zhuǎn)，軸心將上下跳動(dòng)，產(chǎn)生“照葫蘆畫瓢”的現(xiàn)象，最終鏇修出的車輪還以1階偏心為主；同理，若此時(shí)車輪存在粗糙度幅值偏大的高階非圓化成分，因經(jīng)濟(jì)鏇修深度有限，鏇修后車輪仍會(huì)保持原有的非圓化外形，若高階非圓化的幅值很小，鏇修則可將這些高階成分修正；但實(shí)際情況下，兩小滾輪圓周必定非圓，這將使鏇修后的車輪外形輪廓更復(fù)雜，在兩小滾輪及車輪三者特殊的周向不圓匹配情況下，可能會(huì)將初始不存在第20階非圓化的車輪鏇修出第20階非圓化成分。

車輪第20階非圓化的成因復(fù)雜，本文對大量現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析后，得到車輪第20階非圓化的可能成因，除初始狀態(tài)就存在第20階非圓化的車輪外，初步判斷運(yùn)營中出現(xiàn)的車輪高階非圓化與構(gòu)架固有特性長期作用于輪軸，并與特定的鏇修結(jié)果綜合作用有關(guān)，建議重點(diǎn)研究轉(zhuǎn)向架在600Hz附近的模態(tài)。

圖21 鏇修臺(tái)架及車輪車削示意圖

對動(dòng)車組運(yùn)用單位來說，目前也僅能通過加大車輪鏇修深度，或采用小切削量、多刀次鏇修的方式，避免鏇修的車輪輪周表面存在硬度不均勻現(xiàn)象，進(jìn)而緩解車輪高階非圓化帶來的影響。對動(dòng)車組生產(chǎn)廠家來說，應(yīng)嚴(yán)格控制交付使用的新輪表面初始狀態(tài)，避免車輪初始狀態(tài)就存在以第20階為代表的高階非圓化。

4 結(jié)語

跟蹤試驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)噪聲與車輪非圓化存在頻率上的對應(yīng)關(guān)系。對車輪高階非圓化的可能成因研究，除得到牽引傳動(dòng)系統(tǒng)與以第20階為代表的高階非圓化成因無關(guān)的結(jié)論外，還得出以下結(jié)論：

（1）初始狀態(tài)就存在高階非圓化的1號(hào)車廂車輪，因采用經(jīng)濟(jì)鏇修，不能有效消除車輪與鋼軌滾動(dòng)接觸時(shí)在車輪表面形成的硬化層，鏇修后硬度不均使車輪周向“谷值”磨耗加快，這是鏇修后1號(hào)車廂4軸左輪非圓化在原有基礎(chǔ)上快速“長大”的原因之一。

（2）因車輛固有特性與車輪第20階附近非圓化頻率重疊，固有特性長期作用并與特定的鏇修結(jié)果匹配時(shí)，鏇修后車輪易出現(xiàn)20階非圓化磨耗。

（3）現(xiàn)有的車輪車削手段本身存在弊端，不但不能修復(fù)車輪已經(jīng)出現(xiàn)的高階非圓化，甚至有可能將不存在高階非圓化特性的車輪鏇修成含有高階非圓化特性的車輪。

建議今后車輪鏇修參考標(biāo)準(zhǔn)除徑跳值外，應(yīng)嚴(yán)格限制鏇修后車輪高階非圓化成分。在出現(xiàn)幅值大的高階非圓化成分時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大車輪鏇修深度，使鏇修后車輪輪周表面硬度基本一致，達(dá)到均勻磨耗的目的。

［1］ 韓光旭，張捷，肖新標(biāo)，等．高速動(dòng)車組車內(nèi)異常振動(dòng)噪聲特性與車輪非圓化關(guān)系研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（22）：113．

［2］ 韓光旭，溫澤峰，張捷，等．車輪非圓化對高速列車車內(nèi)振動(dòng)噪聲的影響［J］．噪聲與振動(dòng)控制，2014，34（4）：10．

［3］ ZHANG J，HAN G X，XIAO X B，et al．Influence of wheel polygonal wear on interior noise of high－speed trains［J］．Journal of Zhejiang University（Science A：Applied Physics ＆Engineering），2014，15（12）：1002．

［4］ ZHANG J，XIAO X B，HAN G X，et al．Study on abnormal interior noise of high－speed trains［C］∥Proceedings of the 11th International Workshop on Railway Noise．Berlin：Springer，2015：691．

［5］ 周建民．城市軌道交通中的振動(dòng)和噪聲控制［J］．城市軌道交通研究，2000，3（4）：16．

［6］ 葛世平．城市軌道交通的振動(dòng)和噪聲對環(huán)境的影響及其對策［J］．城市軌道交通研究，2003，6（3）：30．

［7］ 崔大賓，梁樹林，宋春元，等．高速車輪非圓化現(xiàn)象及其對輪軌行為的影響［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（18）：8．

Tracing Test of the Relationship between High－speed Train Wheel OOR and Vibration Noise

HAN Guangxu，SONG Chunyuan，LI Guodong，JIN Xuesong

A series of tests have been carried out on a new high－speed train to study the change rule of wheel OOR，the vibration noise and their mutual influences．Tests found that the OOR wear cannot be eliminated by existing profiling means when the wear is very serious，so the whole or partial characters of OOR wear will be found on the wheels even after re－profiling．This can be reflected in the frequency spectrum of the measured noise．Through analyzing the development of wheel wear，the natural characters of the vehicle system and the variation of wheel tread hardness，the potential cause of the high－order OOR of high－speed train wheels is detected，methods to reduce the interior noise of the vehicles and slow down the development of OOR components are proposed．

high－speed train；wheel out of roundness（OOR）；vibration and noise；tracking test

U270．1；U238

10．16037／j．1007－869x．2017．02．001

2016－09－20）

＊國家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2011AA11A103－2－2）