地鐵車輛車輪多邊形問題分析及處理措施探討

葉小明

（無錫地鐵集團(tuán)有限公司運營分公司，江蘇無錫 214000）

0 引言

隨著無錫地鐵車輛運行公里數(shù)的不斷增長，地鐵車輛車輪的不平順現(xiàn)象也逐漸發(fā)生。地鐵車輪不圓度所引起的振動沖擊會直接影響行車穩(wěn)定性、安全性及乘客舒適性。同時，還會對車輛和軌道系統(tǒng)各部件產(chǎn)生不利影響，縮短車輛和軌道系統(tǒng)元件（如輪對、軸承、鋼軌等）的使用壽命。因此，為了提高乘客舒適性，降低車輛設(shè)備和軌道設(shè)施的維修成本，盡早發(fā)現(xiàn)輪對的不圓度，及時對不圓順車輪進(jìn)行鏇修或更換就顯得十分重要。本文基于設(shè)備操作人員在進(jìn)行車輪鏇修時發(fā)現(xiàn)的多邊形問題查找現(xiàn)有文獻(xiàn)，了解車輪多邊形問題形成的機理，并分析此次問題發(fā)生的可能原因，然后給出相應(yīng)的消除辦法和預(yù)防措施。

1 地鐵車輛車輪多邊形問題分析

一般情況下，地鐵車輪輕微的多邊形、正常磨耗等情況對車輛的性能不會產(chǎn)生顯著影響。只有當(dāng)輪對踏面非正常磨耗比較嚴(yán)重、輪對踏面磨耗不均勻、輪緣磨耗超限或輪對的徑向圓跳動（指被測回轉(zhuǎn)表面在同一橫剖面內(nèi)實際表面上各點到基準(zhǔn)軸線間距離的最大變動量，也簡稱為徑跳）超限時，才會引起車輛振動產(chǎn)生噪聲。

為了解車輪多邊形化產(chǎn)生的特征，掌握其他鐵路、地鐵公司車輛車輪多邊形問題的解決辦法，進(jìn)行了文獻(xiàn)查閱。王偉等[1]介紹了車輪不平順的分類、誘發(fā)原因以及車輪不圓順的機理和對輪軌的影響，給出了預(yù)測車輪不圓順發(fā)展及后果的數(shù)學(xué)模型，并提出防止措施。馬衛(wèi)華等[2]通過多體動力學(xué)仿真軟件建立地鐵動力學(xué)模型，提出車輪多邊形是由車輪滾動多周的振動所形成的，并針對地鐵車輛車輪的多邊形化問題，探討分析車輪多邊形化形成的原因。張雪珊等[3]也通過數(shù)值分析方法研究了車輪不圓化對高速列車橫向穩(wěn)定性的影響，確定了時速?200?km/h?時的輪對橢圓度對蛇行運動影響的范圍。以上?3?位的研究分析了車輪不圓、車輪多邊形化對車輛運行性能、部件損傷的影響，為減緩車輪不圓和多邊形化的發(fā)生、改善車輛運行性能做出了貢獻(xiàn)。

依據(jù)馬衛(wèi)華論文觀點：車輪多邊形化的形成原因之一是車輛的規(guī)則振動，當(dāng)規(guī)則振動處于常規(guī)隨機響應(yīng)的程度時，并不會造成較大影響；當(dāng)規(guī)則振動的響應(yīng)超過了隨機響應(yīng)的程度，具有向共振發(fā)展的趨勢，將有可能造成車輪多邊形化問題。馬衛(wèi)華等人對國內(nèi)某地鐵線路車輛車輪出現(xiàn)?9?個頂點的多邊形化問題分析如下：圖?1所示為車輪滾動?1?周形成車輪九邊形的頂點分布示意圖；圖?2?所示為車輪滾動?2?周形成車輪九邊形的頂點分布示意圖。在圖?1?中，每次車輪滾動形成的相鄰頂點相位角為40°，而在圖?2?中，每次車輪滾動形成的相鄰頂點相位角為?80°，最終形成車輪的九邊形。

圖 1 車輪滾動 1 周形成九邊形示意圖

圖 2 車輪滾動 2 周形成九邊形示意圖

鑒于車輪多邊形化問題的形成是由車輪滾動多周振動所引起的，本文做出如下判斷：在使用不落輪鏇床進(jìn)行車輛輪對鏇修的過程中，車輪裝夾不到位、鏇床驅(qū)動輪損壞（不圓跳動）、切削旋轉(zhuǎn)滾動多周的振動，或者其他鏇床故障引起振動等，都會造成車輪多邊形化問題。

2 無錫地鐵 2 號線車輛車輪多邊形問題

2017?年12月5日，無錫地鐵?2?號線（0214?車）2?車（第?2?節(jié)車廂）鏇修時發(fā)現(xiàn)異常。當(dāng)時由于?1?號轉(zhuǎn)向架?2?軸的車輪直徑數(shù)據(jù)為?824?mm，為保證同一轉(zhuǎn)向架的輪對直徑差符合鏇輪標(biāo)準(zhǔn)要求，操作人員需對?2?車的?1?轉(zhuǎn)?1?軸車輪鏇修至?824±2?mm?范圍內(nèi)，當(dāng)?2?車的?1?轉(zhuǎn)?1?軸車輪進(jìn)行到第?4?次鏇修時出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，車輪出現(xiàn)多邊形化。具體鏇修過程記錄如表?1?所示。

操作人員對不落輪鏇床的?4?個驅(qū)動輪進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動輪圓度偏差?0.01?mm，滿足要求，排除驅(qū)動輪變形故障原因；隨后又對車輪標(biāo)準(zhǔn)輪進(jìn)行鏇床校驗，測量數(shù)據(jù)也正常；對調(diào)試用的備用輪對進(jìn)行加工，加工過程正常，加工后測量數(shù)據(jù)也正常；對?0214?車的?2?車?2?轉(zhuǎn)車輪進(jìn)行鏇修，也沒有出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，鏇修后數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)，不落輪鏇床功能正常，初步排除不落輪鏇床設(shè)備故障原因。操作人員隨后又對?0214?車的?2?車?1?轉(zhuǎn)?1?軸進(jìn)行第?5?次、第?6?次鏇修，結(jié)果徑向跳動值越來越大，便立即終止加工，具體鏇修過程記錄如表?2。檢查發(fā)現(xiàn)踏面呈現(xiàn)有規(guī)則凹坑，且有多邊形狀態(tài)，如圖?3?所示。

表 1 前 4 次鏇修過程記錄表 mm

表 2 第 5 次、第 6 次鏇修過程記錄表 mm

圖 3 鏇修時造成的車輪多邊形化

2.1 原因分析

為了掌握車輪多邊形是否因車輪制造質(zhì)量原因造成，車間技術(shù)人員聯(lián)系車輪制造廠家，根據(jù)車輪廠家人員分析判斷，故障車輪踏面及輪緣凹凸不平有一定的規(guī)律性，可以排除車輪的制造質(zhì)量問題。如果是車輪本身質(zhì)量問題，表現(xiàn)形式可能為局部偏磨，呈現(xiàn)不規(guī)則的多邊形，或者踏面有碾邊發(fā)生。

綜上所述，排除了車輪制造質(zhì)量問題和鏇床設(shè)備故障原因。經(jīng)過對其他城市地鐵的了解，某地鐵車輪也出現(xiàn)過輕微的類似情況，但鏇修后即成功消除。根據(jù)筆者查閱文獻(xiàn)資料及對多邊形形成觀點的理解，初步分析可能的原因是在第?4?次切削過程中，有鐵屑進(jìn)入機床驅(qū)動輪和車輪踏面之間，導(dǎo)致驅(qū)動輪帶動車輪旋轉(zhuǎn)時有跳動，呈現(xiàn)凸輪效應(yīng)，最終導(dǎo)致切削過程中形成車輪多邊

形。而在輪對已成多邊形狀態(tài)下，驅(qū)動輪帶動車輪旋轉(zhuǎn)就會產(chǎn)生振動，此時已無法用常規(guī)鏇修方法修復(fù)，所以在利用常規(guī)鏇修方式進(jìn)行第?5?次、第?6?次鏇修時，驅(qū)動輪帶動車輪旋轉(zhuǎn)的振動只會越來越嚴(yán)重，切屑的徑向跳動值也會越來越大，必須采用消除多邊形切削方法進(jìn)行鏇修。

表 3 修復(fù)鏇修過程記錄表 mm

2.2 解決措施

不落輪鏇床常見的加工方式是采用?60～70?m/min的切削速度和?1.2?mm/r?的進(jìn)給，但是在車輪形成或者已經(jīng)形成多邊形時，鏇修就不能使用常規(guī)方式進(jìn)行，否則會導(dǎo)致多邊形越來越多，車輛系統(tǒng)晃動顛簸得越來越厲害。要使這些變形（多邊形）最小，應(yīng)按以下方法進(jìn)行：

（1）切削速度降低到大約一半（約30～35?m/min）；

（2）進(jìn)給必須增加至約?1.4?mm/r?或更高；

（3）切削深度應(yīng)為?0.5～1.0?mm。

根據(jù)變形（多邊形）的嚴(yán)重程度，在最佳情況下，使用上述操作方式可在?1～3?次加工切削后使變形得到修復(fù)。

根據(jù)以上問題分析，采用上述解決措施的鏇修方式進(jìn)行修復(fù)，具體鏇修過程記錄如表?3?所示。

通過上述方法，經(jīng)過?3?次加工切削，無錫地鐵?0214車的?2?車?1?轉(zhuǎn)?1?軸車輪多邊形已消除，鏇修后各參數(shù)測量值符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 預(yù)防車輪多邊形問題的措施

已有不少學(xué)者針對車輪多邊形的問題發(fā)表了論文和看法，可在運用上有些因素是可控的，有些因素是不可控的，不能從根本上杜絕車輪不圓、多邊形化的產(chǎn)生。但是根據(jù)自身所具備的條件，可預(yù)先采取相應(yīng)的措施，延緩車輪不圓發(fā)展，并盡早檢測和發(fā)現(xiàn)輪對的不圓度，及時對不圓順車輪進(jìn)行修復(fù)。車輪多邊形問題的預(yù)防可采取以下方式：

（1）消除車輪滑行；

（2）仔細(xì)按照修程要求對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行維護(hù)；

（3）對不落輪鏇床增加外軸箱支撐，保證車輪固定和同軸度旋轉(zhuǎn)，避免切削時偏心；

（4）鏇修前需檢查不落輪鏇床的驅(qū)動輪及地鐵車輪踏面，保證驅(qū)動輪清潔無變形，及時除去車輪踏面上的粘附物；

（5）鏇修過程中，操作人員認(rèn)真觀察排屑情況，及時勾除纏繞的鐵屑，避免鐵屑卷入驅(qū)動輪及車輛踏面之間；

（6）對于已經(jīng)多邊形化的車輪要采取消除多邊形的鏇修方式，或者從轉(zhuǎn)向架拆下輪對，使用車輪車床進(jìn)行鏇修；

（7）改進(jìn)車輪材料、制造工藝，保證車輪出廠質(zhì)量。

4 結(jié)論

綜上所述，引起地鐵車輪多邊形的原因有很多，如輪軌材質(zhì)、線路條件（曲線半徑的大小、線路坡度、外軌超高量等）、運行工況、潤滑方式等，都是影響地鐵車輪多邊形的重要因素。因此，準(zhǔn)確分析車輪多邊形化的形成原因并采用合適的解決辦法具有重要意義。

無錫地鐵開通試運營?2?年后，部分車輛開始出現(xiàn)震動大、走行部異響等一些問題，通過檢查車輪踏面狀況，并利用便攜式車輪測量工具及數(shù)控不落輪鏇床測量得知，異響主要為車輪擦傷、剝落以及徑向跳動值超標(biāo)等原因?qū)е碌霓D(zhuǎn)向架振動引起，鏇修后異響問題可得到有效解決。

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