高速動(dòng)車(chē)組車(chē)輪多邊形影響因素及抑制措施研究

宋春元，沈文林，李曉峰，崔利通

（中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

高速動(dòng)車(chē)組車(chē)輪多邊形影響因素及抑制措施研究

宋春元，沈文林，李曉峰，崔利通

（中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

在總結(jié)國(guó)內(nèi)外車(chē)輪多邊形研究的基礎(chǔ)上，調(diào)查了高速動(dòng)車(chē)組車(chē)輪多邊形情況，并對(duì)測(cè)試車(chē)輪的多邊形數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從車(chē)輪多邊形與運(yùn)行速度、運(yùn)行線路條件、車(chē)輛結(jié)構(gòu)等角度進(jìn)行系統(tǒng)研究，查找容易產(chǎn)生車(chē)輪多邊形的影響因素。研究車(chē)輪多邊形對(duì)車(chē)輛振動(dòng)的影響，選擇存在車(chē)輪多邊形車(chē)組進(jìn)行鏇修前后的對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車(chē)輪存在多邊形時(shí)前后輪對(duì)容易形成拍振，造成軸箱振動(dòng)加??；研究降低車(chē)輪多邊形對(duì)乘坐舒適性、轉(zhuǎn)向架可靠性造成的影響，對(duì)比不同多邊形幅值與車(chē)輛振動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；從抑制多邊形角度進(jìn)行了鏇修工藝優(yōu)化，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)輪徑跳、增加頂鎬裝置、實(shí)施雙刀鏇修等手段消除運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)的多邊形；研究調(diào)整車(chē)輪材料、車(chē)輪實(shí)施滾壓等方式，增加車(chē)輪強(qiáng)度，降低車(chē)輪磨耗，延緩多邊形發(fā)展；研制了踏面研磨裝置，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中施加以消除多邊形，并改善踏面凹形磨耗；針對(duì)車(chē)輪多邊形的成因較多無(wú)法徹底消除車(chē)輪非圓化的現(xiàn)狀，可利用軌道檢測(cè)裝置檢測(cè)車(chē)輛車(chē)輪狀態(tài)，在車(chē)輪多邊形影響車(chē)輛振動(dòng)之前及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。

高速動(dòng)車(chē)組；車(chē)輪多邊形；模態(tài)；硬度；車(chē)輪鏇修；輪軌匹配

1 概述

早期車(chē)輪多邊形的調(diào)查和仿真研究工作主要以德國(guó)、瑞典、澳大利亞、荷蘭等鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)較為發(fā)達(dá)國(guó)家（地區(qū)）為代表，但對(duì)于車(chē)輪多邊形傷損原因分歧較大，有的認(rèn)為是車(chē)輪材料的各向異性引起，有的認(rèn)為和軌道結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，有的認(rèn)為輪軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)車(chē)輪多邊形的產(chǎn)生和發(fā)展有很大影響[1]。由于車(chē)輪多邊形磨耗測(cè)試涉及運(yùn)營(yíng)車(chē)輛，單次測(cè)試時(shí)間及測(cè)試周期較長(zhǎng)，研究人員較難從測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)獲得充分?jǐn)?shù)據(jù)，為此對(duì)車(chē)輪多邊形的研究主要集中在對(duì)輪對(duì)磨耗特性仿真等定性分析上，未能定量研究車(chē)輪多邊形問(wèn)題，導(dǎo)致至今車(chē)輪多邊形形成和發(fā)展過(guò)程的機(jī)理尚未明晰。

隨著我國(guó)軌道交通運(yùn)營(yíng)里程的大幅增加，軌道車(chē)輛運(yùn)行速度的不斷提升，車(chē)輛、軌道維護(hù)周期的延長(zhǎng)，我國(guó)高鐵車(chē)輛車(chē)輪的多邊形磨耗時(shí)有發(fā)生，普通列車(chē)和高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中車(chē)輪出現(xiàn)多邊形磨耗現(xiàn)象越來(lái)越普遍。車(chē)輛在運(yùn)營(yíng)一定里程后，車(chē)輪圓周方向出現(xiàn)非圓化磨耗是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，車(chē)輪非圓化現(xiàn)象受很多因素的影響，如車(chē)輛/軌道結(jié)構(gòu)、牽引制動(dòng)控制系統(tǒng)、車(chē)輛運(yùn)行速度、輪軌間P2力、輪軌材料、輪軌接觸的第三介質(zhì)等[2]。從摩擦學(xué)的角度來(lái)看，它與輪軌系統(tǒng)的特性和環(huán)境狀況有關(guān)，不同的載荷、滑動(dòng)與潤(rùn)滑情況能夠誘發(fā)不同的磨耗機(jī)理，如制動(dòng)盤(pán)溫度引起的摩檫力不均對(duì)輪軌蠕滑的影響。制動(dòng)顫振引起車(chē)輪表面形成規(guī)律的滑動(dòng)區(qū)，牽引系統(tǒng)引起的車(chē)輪表面形成規(guī)律的滑動(dòng)區(qū)，這些變量的微小變化可能導(dǎo)致磨損速率發(fā)生較大變化。從固體力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，輪軌間的接觸力、接觸應(yīng)力和表面應(yīng)力將導(dǎo)致車(chē)輪出現(xiàn)塑性變形和疲勞[3]。車(chē)輪非圓化會(huì)加劇輪軌動(dòng)態(tài)作用，產(chǎn)生高頻輪軌沖擊振動(dòng)，對(duì)車(chē)輛和軌道部件產(chǎn)生破壞[4]，使乘客乘坐舒適性下降[5-6]，該現(xiàn)象已引起鐵路部門(mén)和科研院所越來(lái)越多的關(guān)注。

此次研究高階車(chē)輪多邊形，表現(xiàn)為車(chē)輪一周形成規(guī)則的17～23階多邊形。首先，對(duì)運(yùn)營(yíng)的高速動(dòng)車(chē)組進(jìn)行大量的車(chē)輪多邊形測(cè)量，統(tǒng)計(jì)分析車(chē)輪多邊形發(fā)生規(guī)律，尋找與多邊形發(fā)生的相關(guān)因素；其次，通過(guò)線路測(cè)試研究車(chē)輪多邊形對(duì)車(chē)輛振動(dòng)的影響，根據(jù)多邊形及振動(dòng)測(cè)試結(jié)果制定了車(chē)輪多邊形的維護(hù)限值；最后，在車(chē)輪多邊形形成機(jī)理研究清楚前，利用車(chē)輪鏇床優(yōu)化、車(chē)輪表面滾壓、踏面修形裝置、動(dòng)態(tài)多邊形檢測(cè)等手段，及時(shí)消除、控制運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生的車(chē)輪多邊形問(wèn)題。

2 影響因素

目前車(chē)輪多邊形產(chǎn)生的機(jī)理尚未明晰，多邊形成因分析采取了廣泛調(diào)查、系統(tǒng)分析的方法。首先對(duì)我國(guó)運(yùn)營(yíng)的動(dòng)車(chē)組進(jìn)行車(chē)輪多邊形磨耗測(cè)試，調(diào)查包括哈大、京滬、武廣高鐵等30萬(wàn)～240萬(wàn)km線路，測(cè)試了8萬(wàn)多個(gè)車(chē)輪多邊形磨耗數(shù)據(jù)，包含從新輪到磨耗輪的不同車(chē)輪狀態(tài)（見(jiàn)圖1）。對(duì)已有的車(chē)輪多邊形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從車(chē)輛系統(tǒng)考慮，分析了車(chē)輪直徑、動(dòng)車(chē)與牽引、拖車(chē)與制動(dòng)、不同車(chē)輪結(jié)構(gòu)等轉(zhuǎn)向架差異對(duì)車(chē)輪多邊形產(chǎn)生的影響；從輪軌耦合角度對(duì)轉(zhuǎn)向架和軌道系統(tǒng)的模態(tài)、振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析；從運(yùn)行條件角度對(duì)不同線路、不同運(yùn)行速度、不同氣候條件引起牽引制動(dòng)故障等產(chǎn)生多邊形的比例進(jìn)行分析；從維護(hù)角度調(diào)查目前鏇修設(shè)備是否能夠消除已存在的車(chē)輪多邊形。

圖1 車(chē)輪多邊形情況調(diào)查

車(chē)輪多邊形磨耗為車(chē)輪周向磨耗問(wèn)題，在車(chē)輪滾動(dòng)圓附近沿周向形成波浪形磨耗（見(jiàn)圖2）。為能精確測(cè)量車(chē)輪多邊形磨耗狀態(tài)，測(cè)量時(shí)需將輪對(duì)懸空并能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量設(shè)備每隔1 mm進(jìn)行1次徑向跳動(dòng)測(cè)量，精度大于1 μm，可以分辨波長(zhǎng)大于2 mm的車(chē)輪表面不平順。

圖2 車(chē)輪多邊形磨耗示意圖

研究以粗糙度水平衡量對(duì)應(yīng)階次的量級(jí)，單位為dB/μm（簡(jiǎn)稱(chēng)dB），車(chē)輪粗糙度水平

式中：是車(chē)輪不圓度外形粗糙度r（x）的均方值在1/3倍頻程k中進(jìn)行量化；為車(chē)輪粗糙度的參考值。根據(jù)車(chē)輪多邊形測(cè)試數(shù)據(jù)與軸端振動(dòng)量級(jí)、軸端振動(dòng)引起故障的對(duì)比分析，18～23階多邊形對(duì)應(yīng)的粗糙度大于25 dB時(shí)，認(rèn)定車(chē)輪存在明顯多邊形。車(chē)輪多邊形圖例見(jiàn)圖3。

圖3 車(chē)輪多邊形圖例

圖4 不同運(yùn)營(yíng)里程多邊形車(chē)輪占比情況

對(duì)不同運(yùn)營(yíng)里程下多邊形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)里程較長(zhǎng)的車(chē)組多邊形發(fā)生比例較高（見(jiàn)圖4）。對(duì)比動(dòng)、拖車(chē)車(chē)輪多邊形數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，車(chē)輪直徑較大時(shí)，動(dòng)車(chē)與拖車(chē)多邊形發(fā)生比例相當(dāng)；輪徑較小時(shí)，動(dòng)車(chē)多邊形發(fā)生比例明顯高于拖車(chē)。研究推斷該現(xiàn)象與動(dòng)、拖車(chē)輪徑磨耗限值不同有關(guān)（動(dòng)車(chē)輪徑磨耗限值為830 mm，拖車(chē)輪徑磨耗限值為860 mm）。

隨著車(chē)輪直徑減小，輪軌間的接觸應(yīng)力會(huì)隨之增大，但其他車(chē)型新輪直徑為860 mm，未明顯大比例發(fā)生車(chē)輪多邊形現(xiàn)象，可排除輪軌接觸應(yīng)力是多邊形形成的主要因素。車(chē)輪經(jīng)過(guò)熱處理工藝后，車(chē)輪表面的硬度一般較車(chē)輪磨耗到限的硬度偏大，對(duì)車(chē)輪進(jìn)行切片硬度測(cè)量，車(chē)輪表面硬度較磨耗到限的硬度高20～25 HB（見(jiàn)圖5），可推斷運(yùn)行里程長(zhǎng)、車(chē)輪直徑小的動(dòng)車(chē)組發(fā)生多邊形比例較高的原因與車(chē)輪硬度降低有關(guān)。為驗(yàn)證車(chē)輪多邊形發(fā)展與車(chē)輪硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)發(fā)生多邊形的車(chē)輪與未發(fā)生多邊形的車(chē)輪進(jìn)行對(duì)比切片硬度檢測(cè)，由于車(chē)輪表面經(jīng)過(guò)運(yùn)營(yíng)可能存在滾動(dòng)硬化現(xiàn)象，取車(chē)輪表面以下35 mm處的硬度進(jìn)行比較（見(jiàn)圖6），出現(xiàn)車(chē)輪多邊形的硬度較未出現(xiàn)多邊形的硬度低約10 HB，說(shuō)明硬度越低越容易發(fā)生車(chē)輪多邊形現(xiàn)象，提高車(chē)輪硬度是抑制多邊形發(fā)生、發(fā)展的措施之一。

圖5 車(chē)輪切片硬度測(cè)試

將相同運(yùn)行線路車(chē)輪多邊形的波長(zhǎng)與輪徑進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)隨著車(chē)輪直徑降低，車(chē)輪多邊形的階次也隨之減少（見(jiàn)圖7），車(chē)輪直徑920～890 mm時(shí)，一般為20邊形；車(chē)輪直徑890～860 mm時(shí)，一般為19邊形；車(chē)輪直徑小于860 mm時(shí)，一般為18邊形，波長(zhǎng)固定在140～150 mm之間。動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行速度相對(duì)固定，因此車(chē)輪多邊形的振動(dòng)頻率相對(duì)固定，當(dāng)車(chē)輛以300 km/h運(yùn)行，多邊形引起的振動(dòng)頻率約為580 Hz；而不同線路條件下車(chē)輪多邊形的波長(zhǎng)存在一定差異，當(dāng)車(chē)輪直徑均為920 mm時(shí)，運(yùn)行速度均為300 km/h，在個(gè)別線路運(yùn)營(yíng)時(shí)，車(chē)輪多邊形波長(zhǎng)為131 mm，表現(xiàn)為22邊形，初步推斷車(chē)輪多邊形的成因與車(chē)輛、軌道系統(tǒng)的固有特性有關(guān)。

將車(chē)輪多邊形數(shù)據(jù)與不同車(chē)輛踏面類(lèi)型、軸承型號(hào)、齒輪箱型號(hào)、牽引系統(tǒng)等進(jìn)行對(duì)比分析，多邊形發(fā)生比例相當(dāng)；從頻率、模態(tài)、輪軌蠕滑等方面對(duì)存在多邊形的車(chē)輛與未發(fā)生車(chē)輪多邊形的車(chē)輛進(jìn)行相關(guān)性分析，未發(fā)現(xiàn)明顯相關(guān)特征。

圖6 有、無(wú)多邊形車(chē)輪35 mm處硬度對(duì)比

圖7 車(chē)輪直徑與車(chē)輪多邊形階次的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 對(duì)車(chē)輛振動(dòng)的影響

對(duì)存在車(chē)輪多邊形的車(chē)輛進(jìn)行鏇修前后對(duì)比測(cè)試（見(jiàn)圖8），當(dāng)車(chē)輪存在多邊形時(shí)，軸端垂向振動(dòng)加速度超過(guò)70 g，超出了軸端安裝部件設(shè)計(jì)限值，容易發(fā)生部件疲勞破壞故障；當(dāng)車(chē)輪鏇修并消除多邊形后，軸端垂向振動(dòng)加速度小于50 g，低于IEC61373標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。對(duì)存在多邊形輪對(duì)的軸端振動(dòng)加速度進(jìn)行時(shí)頻分析，發(fā)現(xiàn)在啟動(dòng)或運(yùn)行速度較低時(shí)，軸端振動(dòng)主頻特性不明顯，振動(dòng)能量較小，但列車(chē)以300 km/h恒速運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)表現(xiàn)為單一主頻580 Hz，振動(dòng)能量較大（見(jiàn)圖9）；車(chē)輪鏇修后580 Hz振動(dòng)主頻消失。當(dāng)列車(chē)以300 km/h運(yùn)行時(shí)，車(chē)輪直徑為920 mm，20階車(chē)輪多邊形產(chǎn)生的振動(dòng)頻率為580 Hz；而當(dāng)前后車(chē)輪均存在多邊形時(shí)，同一側(cè)的車(chē)輪由于輪徑差導(dǎo)致車(chē)輪轉(zhuǎn)頻不同，前輪的振動(dòng)由鋼軌傳遞至后輪，相互疊加可能形成拍振加劇輪對(duì)振動(dòng)（見(jiàn)圖10），因此當(dāng)車(chē)輪存在多邊形時(shí)，需要及時(shí)進(jìn)行鏇修。

圖8 有無(wú)車(chē)輪多邊形軸端振動(dòng)加速度對(duì)比

圖9 有多邊形輪對(duì)軸端振動(dòng)時(shí)頻圖

圖10 前后輪均存在多邊形的拍振情況

對(duì)存在車(chē)輪多邊形的車(chē)輛進(jìn)行振動(dòng)傳遞分析，當(dāng)車(chē)輪存在多邊形時(shí)，軸箱、構(gòu)架、車(chē)體均存在多邊形對(duì)應(yīng)的激擾頻率，且為振動(dòng)主頻，轉(zhuǎn)向架兩系懸掛無(wú)法徹底隔離580 Hz的高頻振動(dòng)（見(jiàn)圖11）。但構(gòu)架、車(chē)體振動(dòng)得到了較大的衰減，衰減率約為1/10，由于振動(dòng)頻率較高，且幅值較小，車(chē)內(nèi)主要表現(xiàn)為噪聲。對(duì)比鏇修前后有無(wú)多邊形的轉(zhuǎn)向架等效應(yīng)力變化情況，除制動(dòng)夾鉗處有多邊形時(shí)等效應(yīng)力明顯增加，但仍遠(yuǎn)低于1 500萬(wàn)km等效應(yīng)力70 MPa限值，有較高的安全裕度，車(chē)輪多邊形對(duì)轉(zhuǎn)向架其他測(cè)點(diǎn)應(yīng)力無(wú)明顯影響（見(jiàn)表1）。

圖11 車(chē)輛兩系懸掛對(duì)車(chē)輪多邊形激擾的隔振特性

4 控制措施

4.1 車(chē)輪鏇修工藝改進(jìn)

目前我國(guó)采用不落輪全鏇床定期對(duì)車(chē)輪進(jìn)行修形，恢復(fù)踏面形狀，確保車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能，主要解決了車(chē)輛的橫向穩(wěn)定性問(wèn)題，但對(duì)于車(chē)輪圓周不均勻磨耗修形考慮較少。為此從驅(qū)動(dòng)輪徑跳、進(jìn)刀量及鏇修次數(shù)等角度進(jìn)行鏇修，以消除車(chē)輪多邊形，鏇修前人工將車(chē)輪打磨成多邊形。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪徑跳大于0.10 mm時(shí)，加大鏇修量或者增加鏇修次數(shù)無(wú)法消除多邊形；驅(qū)動(dòng)輪徑跳小于0.08 mm時(shí)，第一次鏇修可有效降低高階多邊形的幅值，但不能徹底消除已存在的多邊形，第二次鏇修后，高階多邊形消除的效果較好，不存在0 dB以上的高階多邊形，可有效消降低高階多邊形的幅值（見(jiàn)圖12）。

表1 有無(wú)車(chē)輪多邊形對(duì)轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部位應(yīng)力的影響 MPa

圖12 車(chē)輪鏇修后車(chē)輪多邊形消除效果

對(duì)目前運(yùn)用的不落輪鏇床進(jìn)行分析，為采用的驅(qū)動(dòng)輪上壓定位，非中心孔定位，驅(qū)動(dòng)輪既提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，也提供上壓支撐，車(chē)輪多邊形對(duì)鏇輪進(jìn)刀量的影響公式為：

驅(qū)動(dòng)輪直徑為220 mm，間距為440 mm，且車(chē)輪與不落輪鏇床驅(qū)動(dòng)輪相接觸區(qū)域存在多邊形，波長(zhǎng)介于140～150 mm時(shí)，如車(chē)輪存在多邊形引起的凸起，驅(qū)動(dòng)輪被迫下降，進(jìn)刀量隨之減小，鏇床有仿形特征，無(wú)法完全消除車(chē)輪多邊形。如要有效消除存在的車(chē)輪多邊形，需要對(duì)既有不落輪鏇床進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，可考慮增加下支撐結(jié)構(gòu)模擬中心孔定位，而驅(qū)動(dòng)輪僅提供車(chē)輪鏇修的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力。車(chē)輪鏇修后車(chē)輪多邊形消除效果見(jiàn)圖13。

圖13 車(chē)輪鏇修后車(chē)輪多邊形消除效果

4.2 機(jī)械滾壓提高車(chē)輪表面硬度

我國(guó)客運(yùn)專(zhuān)線鋼軌主要有2種材質(zhì)，CH60廓形鋼軌材質(zhì)為U75VG，60N廓形鋼軌材質(zhì)為U71MnG；動(dòng)車(chē)組采用ER8、ER8C、ER9、SSW-Q3R等4種車(chē)輪材質(zhì)硬度匹配。其中，SSW-Q3R硬度最高，ER9次之，ER8C、ER8硬度最低（見(jiàn)表2）。雖然ER8C、ER8標(biāo)準(zhǔn)中要求硬度一致，但由于材質(zhì)及熱處理差異，ER8C較ER8硬度大15～20 HB。

表2 我國(guó)高鐵輪軌硬度匹配情況

多邊形磨耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示當(dāng)車(chē)輪硬度偏低時(shí)，多邊形發(fā)生比例明顯增高，可考慮增加車(chē)輪硬度，降低車(chē)輪多邊形發(fā)生比例。當(dāng)車(chē)輪接近磨耗到限時(shí)，車(chē)輪表面硬度隨之降低，屬于車(chē)輪材料熱處理特性，較難通過(guò)改變車(chē)輪熱處理工藝提高車(chē)輪磨耗到限位置的車(chē)輪硬度，可考慮對(duì)出現(xiàn)多邊形的車(chē)輪進(jìn)行機(jī)械滾壓。通過(guò)表面一定程度塑性變形增強(qiáng)表面強(qiáng)度，提高車(chē)輪表面硬度，降低車(chē)輪多邊形的發(fā)生比例。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)研究不同滾壓力對(duì)提升車(chē)輪表面硬度的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過(guò)增加滾壓力可使表面硬度提升20%以上，且可一定程度上改善車(chē)輪周向硬度不均，即滾壓前硬度越小，增加量越大；硬度越大，增加量越小的問(wèn)題（見(jiàn)圖14）。

圖14 車(chē)輪滾壓前后硬度變化情況

4.3 車(chē)輛增加踏面修形裝置

提高車(chē)輪硬度雖然可避免或緩解車(chē)輪多邊形的發(fā)生、發(fā)展，但車(chē)輪硬度與車(chē)輪材料斷裂韌性、材料化學(xué)成分、顯微組織等有直接關(guān)系，較難大幅度提高。而車(chē)輪多邊形又容易引起車(chē)輛的異常振動(dòng)。鑒于車(chē)輪多邊形成因較多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)發(fā)生機(jī)理尚存爭(zhēng)論，面對(duì)我國(guó)鐵路工程的迫切需求，首先從控制車(chē)輪多邊形發(fā)展的角度出發(fā)，使車(chē)輪多邊形控制在一定范圍內(nèi)。參考踏面制動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，研究增加踏面研磨修形裝置，當(dāng)車(chē)輪存在多邊形時(shí)，定時(shí)施加摩擦消除多邊形。踏面研磨修形裝置研發(fā)時(shí)為盡量減小車(chē)輪磨耗，考慮了研磨子與車(chē)輪之間的硬度匹配、研磨子作用時(shí)間等因素；結(jié)構(gòu)可靠性方面考慮了研磨修形裝置的模態(tài)匹配和施加時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題。研磨子消除多邊形的臺(tái)架試驗(yàn)見(jiàn)圖15。

對(duì)存在多邊形的輪對(duì)進(jìn)行跟蹤測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)多邊形對(duì)應(yīng)的波形幅值小于5μm時(shí)，多邊形擴(kuò)展速率較慢，每萬(wàn)公里多邊形磨耗幅值僅增加0.3 μm，多邊形越明顯，多邊形的擴(kuò)展速率越快；當(dāng)多邊形對(duì)應(yīng)的波形幅值大于10 μm時(shí)，每萬(wàn)公里多邊形磨耗幅值增加大于3.1 μm（見(jiàn)圖16）。因此，如果在車(chē)輪多邊形形成初期施加研磨，不需要較大的摩擦量就可以有效消除車(chē)輪多邊形，并抑制多邊形的持續(xù)發(fā)展。調(diào)查18～20階車(chē)輪多邊形對(duì)應(yīng)的幅值均小于0.1 mm，只要維護(hù)周期內(nèi)通過(guò)研磨子磨耗小于0.05 mm甚至更低，就可有效消除車(chē)輪多邊形。研磨子臺(tái)架磨耗試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)研磨子施加8 000 km的有效作用里程，19階多邊形對(duì)應(yīng)的粗糙度由18 dB降低至0 dB，無(wú)明顯高階多邊形，等效實(shí)際運(yùn)營(yíng)里程的車(chē)輪踏面磨耗量，每20萬(wàn)km約為0.1 mm。對(duì)試驗(yàn)前后的車(chē)輪踏面等效錐度進(jìn)行分析，研磨子的磨耗對(duì)車(chē)輪等效錐度影響較小。研磨里程與去除多邊形效果見(jiàn)圖17。

圖15 研磨子消除多邊形臺(tái)架試驗(yàn)

圖16 不同多邊形幅值的多邊形擴(kuò)展速率

圖17 研磨里程與去除多邊形效果

針對(duì)車(chē)輪多邊形的成因較多，無(wú)法徹底消除車(chē)輪非圓化的現(xiàn)狀，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院嘗試?yán)密夁厵z測(cè)裝置檢測(cè)車(chē)輛車(chē)輪多邊形狀態(tài)，可根據(jù)多邊形不同傷損程度，確定不同的維護(hù)等級(jí)，在車(chē)輪多邊形影響車(chē)輛振動(dòng)之前及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。

5 結(jié)論

研究動(dòng)車(chē)組車(chē)輪多邊形的特征、產(chǎn)生原因、車(chē)輪多邊形對(duì)車(chē)輛振動(dòng)影響、抑制車(chē)輪多邊形的措施等，得到如下結(jié)論：

（1）車(chē)輪多邊形波長(zhǎng)相對(duì)固定，不隨輪徑變化而變化，多邊形引起的振動(dòng)頻率恒定，推斷車(chē)輪多邊形的產(chǎn)生與軌道、車(chē)輛的固有特性有關(guān)；

（2）通過(guò)提高車(chē)輪硬度可降低車(chē)輪多邊形的發(fā)生概率；

（3）車(chē)輪多邊形容易增加車(chē)輛振動(dòng)，需及時(shí)鏇修消除車(chē)輪多邊形，對(duì)于目前特定條件下多邊形無(wú)法消除情況，應(yīng)對(duì)鏇床進(jìn)行優(yōu)化；

（4）通過(guò)增加研磨子裝置，可有效消除已出現(xiàn)的車(chē)輪多邊形。

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On the lnfluencing Factors and lnhibiting Measures of Wheel Polygons of High-speed EMUs

SONG Chunyuan，SHEN Wenlin，LI Xiaofeng，CUI Litong
（CRRC Changchun Railway Vehicles Co Ltd，Changchun Jilin 130062，China）

On the basis of summarizing the domestic and international studies on the polygons of wheels, the polygon of EMU wheels is investigated and the polygon data of the tested wheels are statistically analyzed. The paper looks for factors causing wheel polygons based on systematic study on aspects such as wheel polygons and the running speed, the operating conditions of the line, and the vehicle structure. It looks at the impact of wheel polygons on vehicle vibration, compares and tests the condition of EMUs with wheel polygons before and after repair, and finds that wheel polygons cause beat vibration, resulting in increased vibration of axle boxes. This paper also looks at the influence of reducing the wheel polygons on ride comfort and the reliability of bogies, studies the relationship between various amplitudes of different polygons and the vibration of the vehicle, proposes an optimized repair process for reducing polygons, and puts forward ways to reduce polygons appear during operation by controlling radial beats of driving wheels, adding jacking device, implementing double-lathe repair, etc. It also suggests adjusting wheel materials and using wheel rolling to increase the wheel strength, reduce wheel wear and delay the development of polygons, and describes a tread grinding device which is lately developed and can be applied in operation to eliminate polygons and reduce concave tread wears. As the causes of the wheel polygons are verified, non-rounding of the wheel cannot be completely eliminated, the paper proposes to detect the status of wheels with track detection device, and carry out maintenance before wheel polygons impact vehicle vibration.

high-speed EMU；wheel polygonal；modal；hardness；wheel repair；wheel-rail matching

U226.2

A

1001-683X（2017）11-0033-08

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.033

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（Z2015—J006）

宋春元（1980—），男，高級(jí)工程師，碩士。E-mail：chunyuansong@163.com

責(zé)任編輯 李葳

2017-07-15