機(jī)車多邊形磨耗車輪鏇修異常原因分析及改進(jìn)措施

任德祥，陶功權(quán)，劉歡，梁紅琴2，陳國勝3，溫澤峰

(1.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都，610031；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都，610031；3.大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲，412000)

車輪多邊形磨耗在鐵路系統(tǒng)中普遍存在。據(jù)調(diào)查，國內(nèi)外高速列車、地鐵列車以及機(jī)車車輪上均有多邊形磨耗現(xiàn)象發(fā)生[1-6]。車輪多邊形會(huì)導(dǎo)致周期性的輪軌沖擊，不僅顯著增加機(jī)車車輛的噪聲水平，還會(huì)導(dǎo)致異常振動(dòng)和一些部件的損壞和故障，嚴(yán)重降低乘坐舒適性，甚至威脅行車安全[7-8]。目前，處理車輪多邊形磨耗最有效和最直接的方式是車輪鏇修。不同于機(jī)加工鏇床采用兩端中心孔頂尖安裝的定位方式，不落輪鏇床在輪對兩側(cè)各采用2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪作為定位元件與車輪踏面相接觸從而起到類似于V形定位的作用。通過鏇床驅(qū)動(dòng)輪提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力使輪對旋轉(zhuǎn)。軸向定位導(dǎo)輪作用于輪對內(nèi)側(cè)面，可保證輪對在軸向位置上的固定。刀具位于兩驅(qū)動(dòng)輪中心的中點(diǎn)位置，對車輪型面進(jìn)行鏇修。不落輪鏇修的工作流程一般為：先對車輪進(jìn)行測量，再根據(jù)測量結(jié)果合理地選擇車輪型面進(jìn)行鏇修。鏇修量根據(jù)車輪的實(shí)際外形制定，通常材料去除量小于1 mm，只鏇修1刀。若鏇修后測量檢查出車輪某指標(biāo)(比如輪緣厚度、輪緣高度和輪徑差等)未滿足要求，再考慮進(jìn)行第2刀鏇修。鏇修速度根據(jù)現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)確定為定值，在鏇修過程中不變。不落輪鏇修的優(yōu)點(diǎn)是可以在列車不解編及轉(zhuǎn)向架不拆解的狀態(tài)下直接對磨損或擦傷的輪對進(jìn)行鏇修加工，工作量相對較少，效率較高。然而，不落輪鏇修工藝最初的主要目的是為了恢復(fù)車輪型面，對于車輪多邊形磨損的消除效果考慮較少。NIELSEN等[9]在研究車輪不圓和列車振動(dòng)問題時(shí)指出，部分鏇后車輪可能仍具有較高水平的初始不圓，會(huì)導(dǎo)致列車下一運(yùn)行階段內(nèi)車輪非圓化的快速發(fā)展；并表示可考慮改變鏇修時(shí)車輪的定位方式以降低車輪初始不圓[4]，以及制定和完善基于車輪不圓和輪軌沖擊載荷的車輪鏇修標(biāo)準(zhǔn)[10]。JIN等[11]在研究地鐵車輛車輪多邊形機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)鏇輪后多邊形磨耗發(fā)展速率會(huì)變快，同時(shí)指出鏇后車輪四邊形是由鏇修過程中輪對和鏇床之間的共振造成的。文獻(xiàn)[12-14]表明，不落輪鏇修所采用的踏面定位方式會(huì)在鏇輪過程中產(chǎn)生不可避免的仿形效果，使得鏇修質(zhì)量與被鏇修車輪的踏面狀態(tài)有很大關(guān)系。對于長時(shí)間運(yùn)行已經(jīng)嚴(yán)重磨耗的車輪踏面，其鏇修質(zhì)量更難得到保證[12]。韓光旭等[15]認(rèn)為現(xiàn)有車輪鏇修加工手段無法完全消除高速列車車輪已出現(xiàn)的高階非圓化，導(dǎo)致鏇后車輪繼承部分或全部鏇前的非圓化特性，并針對幅值較大的高階非圓化車輪提出適當(dāng)加大鏇修深度的建議。蘇建等[16]通過研究某動(dòng)車組車輪非圓化及鏇修情況指出，鏇后車輪四邊形的主要原因是鏇床驅(qū)動(dòng)輪偏心，且無法通過多次進(jìn)刀得到緩解(驅(qū)動(dòng)輪偏心勢必造成輪對相對于鏇床的垂向周期性振動(dòng))；驅(qū)動(dòng)輪偏心量與進(jìn)刀次數(shù)對動(dòng)車組20階多邊形車輪的鏇修質(zhì)量有較大影響。葉小明[17]對鏇修造成地鐵車輪多邊形化的現(xiàn)場問題進(jìn)行調(diào)查，認(rèn)為切削過程中鐵屑的混入造成車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生跳動(dòng)，導(dǎo)致車輪多邊形的形成?；甍i舉等[18]通過試驗(yàn)對鏇后動(dòng)車組車輪踏面的水波紋痕跡進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鏇床采用110%及以上驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速加工時(shí)產(chǎn)生的46 Hz左右的低頻振動(dòng)是導(dǎo)致113階高階多邊形(水波紋痕跡)的主要原因；多次進(jìn)刀時(shí)，低頻振動(dòng)和踏面已有波紋產(chǎn)生的同頻振動(dòng)疊加，會(huì)造成更嚴(yán)重的水波紋痕跡，進(jìn)而提出控制驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速和加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等控制措施。為了減小車輪踏面損失、優(yōu)化輪軌接觸狀態(tài)以及延長鏇修周期內(nèi)輪對使用壽命，目前關(guān)于不落輪鏇修的研究多是基于踏面橫向磨耗的鏇修策略研究[19-23]。關(guān)于鏇修過程中出現(xiàn)的車輪多邊形問題主要聚焦于現(xiàn)象和原因描述，其解決方案主要依賴現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，對鏇床的仿形效果及多邊形磨耗車輪鏇修質(zhì)量缺乏深入的理論分析。本文作者針對某不落輪鏇床不能有效消除機(jī)車車輪多邊形這一問題，采用理論分析和數(shù)值仿真探究車輪多邊形無法通過鏇修得到消除的原因，研究進(jìn)刀次數(shù)和驅(qū)動(dòng)輪間距對車輪多邊形鏇修質(zhì)量的影響，進(jìn)而提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，旨在為多邊形磨耗車輪鏇修質(zhì)量改善及不落輪鏇床改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 機(jī)車多邊形磨耗車輪鏇修質(zhì)量

1.1 車輪鏇修質(zhì)量現(xiàn)場調(diào)研

某型機(jī)車在運(yùn)行一段時(shí)間后，車輪會(huì)出現(xiàn)明顯的高階多邊形磨耗，其中以18邊形磨耗居多[5-6]。對某采用驅(qū)動(dòng)輪定位的不落輪鏇床鏇修效果進(jìn)行調(diào)研，利用車輪不圓度測量儀獲得機(jī)車車輪在鏇修前后的車輪多邊形狀態(tài)[24]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，具有18邊形磨耗的車輪在鏇修后運(yùn)營里程不到500 00 km時(shí)再次發(fā)展嚴(yán)重18邊形磨耗。

圖1 鏇修前后車輪非圓化狀態(tài)測試結(jié)果Fig.1 Wheel out-of-round(OOR)measurement results before and after wheel turning

圖1(a)所示為鏇修前后車輪周向不平順測試結(jié)果。鏇修前車輪具有明顯的18邊形，其波深約為0.1 mm，雖然鏇修后多邊形幅值變小，但多邊形現(xiàn)象并沒有得到有效消除。在現(xiàn)場調(diào)研中，對鏇修前后車輪非圓化狀態(tài)進(jìn)行了大量的測試。圖1(b)和(c)所示為鏇修前后3種典型多邊形車輪非圓化狀態(tài)的空間譜圖，其縱坐標(biāo)數(shù)值是根據(jù)1 μm粗糙度參考值求得的[16]。鏇修前各車輪都具有不同程度的偏心現(xiàn)象，這與車輪的加工精度及質(zhì)量偏心等因素有關(guān)。鏇修前表現(xiàn)為18邊形的車輪，鏇修后車輪多邊形特征未發(fā)生改變，仍表現(xiàn)為18邊形，如多邊形車輪1測試結(jié)果所示；鏇修前表現(xiàn)為12～18邊形的車輪，鏇修后保留了18邊形特征，如多邊形車輪2測試結(jié)果所示；鏇修前表現(xiàn)為24邊形的車輪，鏇修后其高階多邊形情況得到明顯的改善和消除，如多邊形車輪3測試結(jié)果所示。這表明該不落輪鏇床可以消除車輪的24邊形，卻不能有效消除車輪的18邊形；而且對于包含18邊形在內(nèi)幾種多邊形同時(shí)存在的車輪，鏇后會(huì)濾出18邊形。

1.2 多邊形車輪鏇修的理論分析

18邊形車輪不圓度如圖2所示。由圖2可見：在車輪與驅(qū)動(dòng)輪接觸位置(距輪背115 mm處)，車輪表現(xiàn)出與名義滾動(dòng)圓(距輪背70 mm處)非常相似的18邊形特征，兩者幅值、相位差別不大。這表明在機(jī)車車輪踏面上18邊形不圓有較寬的橫向分布范圍，車輪與驅(qū)動(dòng)輪接觸位置處的不圓狀態(tài)將對車輪鏇修質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。

車輪鏇修過程中，驅(qū)動(dòng)輪圓心與車刀相對機(jī)架固定，驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。理論上兩驅(qū)動(dòng)輪與車輪在接觸點(diǎn)處應(yīng)保持相切且線速度相同，然而車輪不圓會(huì)使2個(gè)接觸點(diǎn)處車輪半徑Rl和Rr始終處于動(dòng)態(tài)變化之中，這必然造成車輪中心相對于車刀的浮動(dòng)，令車刀切削處車輪半徑無法維持恒定，從而使得鏇床產(chǎn)生仿形效果，影響鏇床的鏇修質(zhì)量。

對多邊形車輪與鏇床驅(qū)動(dòng)輪之間的幾何關(guān)系進(jìn)行理論推導(dǎo)，以深入分析不落輪鏇床仿形作用的影響。車輪和鏇床驅(qū)動(dòng)輪之間的幾何關(guān)系如圖3所示。在車輪鏇修過程中假設(shè)鏇床驅(qū)動(dòng)輪中心固定不動(dòng)，而車輪的中心能夠運(yùn)動(dòng)。以兩驅(qū)動(dòng)輪中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系下驅(qū)動(dòng)輪的外形可表示為

圖2 18邊形車輪踏面不同位置處非圓化狀態(tài)Fig.2 Wheel OOR with 18-order at different positons of tread

式中：xdw和ydw為驅(qū)動(dòng)輪的圓周坐標(biāo)；r為驅(qū)動(dòng)輪的半徑(r=132.5 mm)；d為兩驅(qū)動(dòng)輪圓心間距的一半(d=255 mm)；θ為驅(qū)動(dòng)輪上某點(diǎn)與過驅(qū)動(dòng)輪中心水平線的夾角，θ∈ [0,?2π]。

具有諧波形式的多邊形車輪在圖3所示的坐標(biāo)系中可表示為

式中：xw和yw為車輪圓周上某一點(diǎn)的坐標(biāo)；R為車輪平均半徑；A和n分別為車輪多邊形的幅值和階次；xwi和ywi為車輪圓心坐標(biāo)；φ為車輪上某點(diǎn)與過車輪中心水平線的夾角，φ∈ [0,?2π]。由于車輪是由驅(qū)動(dòng)輪支承，如果在車輪與驅(qū)動(dòng)輪接觸位置存在多邊形，那么，在車輪鏇修過程中車輪中心將會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)車輪與2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的約束關(guān)系，即在接觸點(diǎn)處車輪與驅(qū)動(dòng)輪相切，并且忽略車輪和驅(qū)動(dòng)輪的彈性變形，可以得到如下方程：

式中：Rl和Rr分別為車輪與左右驅(qū)動(dòng)輪接觸點(diǎn)處的實(shí)際半徑。

在車輪鏇修過程中，輪對繞其主軸旋轉(zhuǎn)，Rl和Rr隨時(shí)間變化，其變化規(guī)律可表示為

式中：ω為車輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；α為車輪與兩驅(qū)動(dòng)輪接觸點(diǎn)與車輪圓心連線的夾角，即Rl和Rr之間的夾角(見圖3)。

圖3 車輪和鏇床驅(qū)動(dòng)輪之間的幾何關(guān)系Fig.3 Geometry relationship between wheel and driving wheels

通常車輪多邊形的幅值都是毫米級，遠(yuǎn)小于車輪半徑，因此，Rl和Rr之間的夾角α可認(rèn)為是常數(shù)：

從式(3)可以得出車輪中心的坐標(biāo)為

從式(6)可以看出，當(dāng)xwi≈0，即Rl≈Rr時(shí)，車輪圓心的垂向坐標(biāo)可表示為

此時(shí)車輪將在垂向上以車輪多邊形相同的形式上下波動(dòng)(即鏇床產(chǎn)生了極強(qiáng)仿形效果)。由于車輪鏇修時(shí)車刀在給定的橫向位置其垂向位置都是固定的，并且兩驅(qū)動(dòng)輪間距也是固定的，因此，當(dāng)車輪多邊形波長λ與兩驅(qū)動(dòng)輪與車輪接觸點(diǎn)之間弧長L滿足Nλ≈L(N為正整數(shù))時(shí)，具有特別波長的車輪多邊形將無法通過鏇修得到有效消除。

以18邊形車輪為例。車輪踏面115 mm處名義直徑約為1 245 mm，可得18邊形波長為217.2 mm。車輪與驅(qū)動(dòng)輪2個(gè)接觸點(diǎn)間的弧長為428.7 mm，約為18邊形波長的2倍。根據(jù)上述推導(dǎo)，車輪將在其動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)過程中以18邊形形式在垂直方向上下波動(dòng)。當(dāng)2個(gè)接觸點(diǎn)同時(shí)達(dá)到不圓車輪的波峰時(shí)，車輪處于向上抬升的狀態(tài)，此時(shí)車刀將車輪鏇出一個(gè)新的波峰；當(dāng)2個(gè)接觸點(diǎn)同時(shí)達(dá)到不圓車輪的波谷時(shí)，車輪處于下降的狀態(tài)，此時(shí)車刀將車輪鏇出一個(gè)新的波谷。驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)1周后，車刀在整個(gè)車輪踏面上鏇修出了1個(gè)新的18邊形。這是該鏇床不能通過鏇修消除車輪18邊形的根本原因。

同理，當(dāng)車輪鏇修中若能保證車輪圓心的垂向位置不動(dòng)，即令Δywi≈0時(shí)，車輪多邊形能夠得到有效消除。因此，將該鏇床鏇修定位方式改進(jìn)為軸箱定位對車輪多邊形鏇修質(zhì)量有改善效果(條件允許時(shí)改進(jìn)為車軸中心孔定位[14]其效果會(huì)更顯著)。此外，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)(2N-1)λ≈2L時(shí)，Δywi能夠最大程度地減小。若在車輪鏇修之前能夠獲得車輪多邊形占主導(dǎo)的波長，則通過改變兩驅(qū)動(dòng)輪之間的間距即可使(2N-1)λ≈2L。名義直徑為265 mm，與車輪接觸處距輪背115 mm，兩驅(qū)動(dòng)輪間距為510 mm。

圖4 不落輪鏇床鏇修仿真示意圖Fig.4 Diagram of underfloor wheel turning simulation

2 車輪鏇修仿真模型及驗(yàn)證

2.1 仿真模型

上述幾何關(guān)系推導(dǎo)只針對標(biāo)準(zhǔn)諧波形式多邊形車輪的鏇修效果進(jìn)行了理論分析，實(shí)際車輪多邊形并不是理想標(biāo)準(zhǔn)的諧波形式。因此，為進(jìn)一步探究實(shí)際現(xiàn)場中鏇床不能消除機(jī)車車輪某些階次多邊形和具有鏇修濾波作用的原因，提出相應(yīng)的改善措施，采用SolidWorks Motion對該鏇床鏇修過程進(jìn)行仿真，仿真模型如圖4所示。車輪與鏇床驅(qū)動(dòng)輪尺寸均根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)確定。仿真輪對為帶有大齒輪的機(jī)車輪對，忽略大齒輪的齒數(shù)特征，車輪名義滾動(dòng)圓直徑為1 250 mm。驅(qū)動(dòng)輪

對輪對和驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行裝配，4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪中心位于同一水平面，且施加鉸鏈約束，使其能夠相對于大地旋轉(zhuǎn)。車輪與驅(qū)動(dòng)輪保持相切，確保運(yùn)動(dòng)過程中車輪與驅(qū)動(dòng)輪不會(huì)相互脫離。添加共面約束使鉛垂方向上車輪和驅(qū)動(dòng)輪中心面重合，以取代軸向定位導(dǎo)輪的作用來保證輪對在軸向上固定，同時(shí)避免車輪在鏇修過程中相對驅(qū)動(dòng)輪出現(xiàn)前后錯(cuò)位。裝配完成后進(jìn)入SolidWorks Motion模塊，為仿真環(huán)境添加9 806.65 mm/s2豎直向下的引力，為驅(qū)動(dòng)輪添加勻速的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，并在車輪和驅(qū)動(dòng)輪之間定義實(shí)體接觸及摩擦。

利用車輪不圓度化數(shù)據(jù)創(chuàng)建車輪不圓外形，對于SolidWorks Motion來說實(shí)質(zhì)上是一個(gè)外形生成問題。傳統(tǒng)的方法是將極坐標(biāo)系下的車輪不圓度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系下進(jìn)行繪圖[16]，相當(dāng)于令“畫筆”繞著車軸中心線既轉(zhuǎn)動(dòng)又平動(dòng)，繪制一個(gè)不圓的車輪外形。該方法操作簡單但耗時(shí)較多，因此，本文從相對運(yùn)動(dòng)的角度考慮，將“畫筆”既轉(zhuǎn)動(dòng)又平動(dòng)的運(yùn)動(dòng)拆分成“畫筆”的平動(dòng)和輪對的轉(zhuǎn)動(dòng)。在Motion中新建1個(gè)由線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的從動(dòng)件(即畫筆)，并向其輸入1組位移數(shù)據(jù)(即車輪不圓度數(shù)據(jù))，同時(shí)添加1個(gè)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)輪對，在輪對的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和從動(dòng)件的直線運(yùn)動(dòng)過程中，跟蹤記錄從動(dòng)件頂點(diǎn)相對于車輪旋轉(zhuǎn)曲面的周向移動(dòng)路徑，由此獲得不圓車輪的外形輪廓。

仿真時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)，并輸出豎直方向上車輪中心的坐標(biāo)跳動(dòng)量，根據(jù)仿真時(shí)間將其截取為輪對剛好旋轉(zhuǎn)1周的數(shù)據(jù)，將該段數(shù)據(jù)減去仿真初始時(shí)車輪中心豎直方向坐標(biāo)即為車輪中心的相對跳動(dòng)量。由于仿真模型中各物體均可視為剛性體，且驅(qū)動(dòng)輪中心固定，車刀位于兩驅(qū)動(dòng)輪中心的中點(diǎn)位置，故車輪中心點(diǎn)鉛垂方向的跳動(dòng)量可視為車輪在車刀切削處的瞬時(shí)跳動(dòng)量。若車輪向上跳動(dòng)，則車刀切削量減小，切削處車輪瞬時(shí)半徑增大，所以，車輪中心跳動(dòng)量即為鏇后車輪的非圓化幅值。將所得車輪非圓化數(shù)據(jù)表示為關(guān)于圓周長度x的函數(shù)f(x)，并對f(x)進(jìn)行階次分析。將第1次鏇修后的車輪中心相對跳動(dòng)量輸入線性馬達(dá)，再次跟蹤記錄從動(dòng)件頂點(diǎn)相對于車輪旋轉(zhuǎn)曲面的周向路徑，即可繪制出鏇后車輪的形狀。

2.2 模型驗(yàn)證

采用上述模型及非圓化車輪對該鏇床的車輪鏇修過程進(jìn)行仿真。為驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性，將仿真結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比。用階次表示的仿真與實(shí)測結(jié)果對比如圖5所示。可見：對于18邊形車輪，鏇后其18邊形并沒有得到消除；對于12～18邊形車輪，鏇后保留了其18邊形特征；對于24邊形車輪，鏇后高階多邊形基本上得到消除。仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果在趨勢上基本相符，尤其對于需要關(guān)注的高階多邊形，吻合度較高，表明該仿真模型是較為可靠的。

圖5 仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果對比Fig.5 Comparison between simulation results and measurement results

仿真與實(shí)測結(jié)果在數(shù)值上并沒有完全相同，這是因?yàn)槟Ｐ蜔o法考慮現(xiàn)場鏇修過程中所有的因素，車輪鏇修的進(jìn)刀量、切削速度以及切削過程中材料的彈性變形等因素會(huì)對鏇床鏇修結(jié)果產(chǎn)生影響，但這些因素并不影響鏇修后車輪多邊形的變化趨勢。

3 數(shù)值結(jié)果與分析

3.1 進(jìn)刀次數(shù)對多邊形車輪鏇修質(zhì)量的影響

利用所建立的鏇修仿真模型分析進(jìn)刀次數(shù)對多邊形車輪鏇修質(zhì)量的影響。圖6(a)所示為不同進(jìn)刀次數(shù)對18邊形車輪鏇修質(zhì)量的影響。由圖6(a)可知，多次進(jìn)刀可以改善其偏心水平，但對車輪18邊形水平的改善效果不佳，在3次進(jìn)刀后，車輪依然表現(xiàn)為較為突出的18邊形。這與1.2節(jié)理論分析結(jié)果相符合，即2個(gè)接觸點(diǎn)間的弧長與多邊形波長之間的整數(shù)倍關(guān)系導(dǎo)致鏇修仿形效果的增強(qiáng)。

圖6(b)所示為不同進(jìn)刀次數(shù)對12～18邊形車輪鏇修質(zhì)量的影響。由圖6(b)可知，1次進(jìn)刀后濾出了車輪18邊形，其原因是對于12～18邊形車輪，在該驅(qū)動(dòng)輪間距下其他階次的波長并不存在這種整數(shù)倍關(guān)系，因此，該鏇床可以鏇掉12～17邊形，而唯獨(dú)濾出18邊形。2次與3次進(jìn)刀對車輪18邊形水平的改善效果同樣非常有限，在3次進(jìn)刀后車輪仍表現(xiàn)為較為明顯的18邊形。

機(jī)車運(yùn)行的既有線路上，小半徑曲線比例較高，這導(dǎo)致車輪多邊形在整個(gè)踏面上有較寬的分布范圍。鏇修時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪與車輪踏面距輪背115 mm附近相接觸，為產(chǎn)生仿形作用提供前提條件。當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪間距設(shè)置不合理時(shí)，鏇床仿形效果變強(qiáng)，即使增加進(jìn)刀次數(shù)，仍會(huì)在上次鏇修的基礎(chǔ)上仿形出相似的高階多邊形。

3.2 驅(qū)動(dòng)輪間距對多邊形車輪鏇修質(zhì)量的影響

根據(jù)上述幾何關(guān)系推導(dǎo)已找出采用驅(qū)動(dòng)輪定位鏇修時(shí)車輪多邊形無法消除的原因。從本質(zhì)上解決該問題需要使輪心垂向位置盡量保持恒定，除了可以通過改善輪對鏇修定位的方式來限制輪心在鏇修過程中的垂向位移外，還可從驅(qū)動(dòng)輪間距入手，研究驅(qū)動(dòng)輪間距對多邊形車輪鏇修質(zhì)量的影響。

圖6 不同進(jìn)刀次數(shù)鏇修效果對比Fig.6 Comparison of turning effects with different numbers of feeding

以30 mm為步長，仿真驅(qū)動(dòng)輪間距為510～630 mm時(shí)18邊形車輪鏇修效果，仿真結(jié)果如圖7所示。間距630 mm時(shí)，2個(gè)接觸點(diǎn)間的弧長為535.6 mm，約為車輪18邊形波長的2.5倍。由圖7可知：隨著驅(qū)動(dòng)輪間距增加，鏇后18邊形的粗糙度水平逐漸降低，由30 dB降至10 dB左右。

以30 mm為步長，仿真驅(qū)動(dòng)輪間距為630～750 mm時(shí)18邊形車輪鏇修效果，仿真結(jié)果如圖8所示。當(dāng)間距為750 mm時(shí)，兩接觸點(diǎn)間的弧長為646.8 mm，約為車輪18邊形波長的3倍。由圖8可知：隨著驅(qū)動(dòng)輪間距的增加鏇后18邊形粗糙度水平又逐漸上升，最終回升至與間距510 mm時(shí)的相當(dāng)。這是因?yàn)?個(gè)接觸點(diǎn)間的弧長約為多邊形波長的3倍時(shí)，鏇床同樣具有較強(qiáng)的仿形效果(根據(jù)1.2節(jié)理論推導(dǎo))，驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)1周后車刀仍會(huì)仿形出新的18邊形。

圖7 510～630 mm驅(qū)動(dòng)輪間距對多邊形車輪鏇修效果影響Fig.7 Influence of driving wheel distance of 510-630 mm on turning effects of polygonal wheel

驅(qū)動(dòng)輪間距對18邊形車輪鏇修質(zhì)量的影響如圖9所示。

由圖9(a)可見：鏇后車輪18邊形粗糙度水平隨著驅(qū)動(dòng)輪間距變大呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢，結(jié)合圖9(b)驅(qū)動(dòng)輪間距從510 mm增至630 mm再增至750 mm的過程進(jìn)行分析可見：當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪間距為630 mm時(shí)鏇修效果最佳，18邊形粗糙度水平降低幅度可達(dá)57.8%。因?yàn)樵诖碎g距下，2個(gè)接觸點(diǎn)間的弧長為18邊形波長的2.5倍，避免了實(shí)際鏇修過程中車輪在垂向上發(fā)生大幅度起伏。由此可見：在實(shí)際鏇修時(shí)，為了盡量減輕仿形作用的影響，需避免接觸點(diǎn)弧長與高階多邊形波長產(chǎn)生整數(shù)倍關(guān)系。

3.3 針對機(jī)車車輪多邊形特征的鏇修改進(jìn)措施

將不落輪鏇床的驅(qū)動(dòng)輪間距改進(jìn)為630 mm可改善機(jī)車18邊形車輪的鏇修質(zhì)量，但也會(huì)影響其他階次多邊形車輪的鏇修質(zhì)量。

圖8 630～750 mm驅(qū)動(dòng)輪間距對多邊形車輪鏇修效果影響Fig.8 Influence of driving wheel distance of 630-750 mm on turning effects of polygonal wheel

經(jīng)計(jì)算，車輪踏面115 mm處14邊形車輪波長為279.2 mm，15邊形車輪波長為260.6 mm，630 mm驅(qū)動(dòng)輪間距下2個(gè)接觸點(diǎn)間的弧長約為14邊形和15邊形車輪波長的2倍，會(huì)使鏇床在鏇修14邊形和15邊形車輪時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的仿形效果。以12～18邊形為例，在630 mm驅(qū)動(dòng)輪間距下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖10所示。仿真結(jié)果表明：由于強(qiáng)仿形性，鏇后車輪仍表現(xiàn)為明顯的14邊形和15邊形，這不利于保證乘坐舒適性和運(yùn)行安全性。因此，針對包含14邊形和15邊形的車輪，可以采用變間距兩刀鏇的方案，第1刀采取510 mm間距以消除14邊形和15邊形，第2刀采取630 mm間距以消除18邊形，經(jīng)過2刀鏇修后車輪的高階多邊形得到了明顯的消除。

因此，針對所調(diào)研機(jī)車的車輪多邊形特征和不落輪鏇床出現(xiàn)的問題，建議對鏇床進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得驅(qū)動(dòng)輪間距可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。此外，建議在鏇修前將車輪不圓列為測試項(xiàng)，根據(jù)不圓狀態(tài)選取合適的驅(qū)動(dòng)輪間距。

圖9 驅(qū)動(dòng)輪間距對18邊形車輪鏇修質(zhì)量的影響Fig.9 Effects of driving wheel distance on turning quality for polygonal wheel with 18-order

圖10 12～18邊形車輪的鏇修方案對比Fig.10 Comparison of wheel turning strategy for polygonal wheel with 12-18-order

4 結(jié)論

1)當(dāng)車輪與鏇床驅(qū)動(dòng)輪接觸點(diǎn)間的弧長約為車輪多邊形波長的整數(shù)倍時(shí)，采用驅(qū)動(dòng)輪定位鏇修將產(chǎn)生極強(qiáng)的仿形效果，因此，某些階次的多邊形磨耗無法通過鏇修得到有效消除。

2)當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪間距為510 mm時(shí)，多次進(jìn)刀對機(jī)車車輪18邊形鏇修質(zhì)量的改善效果非常有限，仍會(huì)在上次鏇修的基礎(chǔ)上仿形出1個(gè)相似的高階多邊形。

3)改變驅(qū)動(dòng)輪間距可有效改善車輪多邊形的鏇修質(zhì)量。針對18邊形車輪，建議驅(qū)動(dòng)輪間距采取630 mm進(jìn)行鏇修。對包含14邊形和15邊形的車輪，建議采取變間距兩刀鏇的方案，第1刀驅(qū)動(dòng)輪間距采取510 mm，第2刀驅(qū)動(dòng)輪間距采取630 mm。

4)建議對鏇床進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得驅(qū)動(dòng)輪間距可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，或采用軸箱定位甚至車軸中心孔定位。同時(shí)建議在鏇修前將車輪不圓列為測試項(xiàng)。