地鐵列車全車車輪不圓度對(duì)比測試分析

遲勝超，劉兵，錢彥平，張厚貴，李明航

地鐵列車全車車輪不圓度對(duì)比測試分析

遲勝超1, 2，劉兵2，錢彥平2，張厚貴3，李明航4

(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. 青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，山東 青島 266000；3. 北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054；4. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

列車車輪表面磨耗會(huì)導(dǎo)致輪軌之間的動(dòng)力相互作用增大，進(jìn)而加劇車輪和鋼軌的損耗，對(duì)車輛運(yùn)營安全和軌道交通環(huán)境振動(dòng)產(chǎn)生不利影響。為定量分析地鐵運(yùn)營列車車輪不圓度，應(yīng)用一種接觸式車輪不圓度的測試方法，詳細(xì)測試青島地鐵2號(hào)線某運(yùn)營列車全部車輪的不圓度。測試結(jié)果顯示：測試列車的車輪多邊形磨耗主要體現(xiàn)為前5階和7-9階；列車右輪的典型特征波長為0.4 m，左輪的具備2個(gè)特征波長，分別為典型特征波長0.4 m和0.25 m；由于車輛服役線路整體呈現(xiàn)半環(huán)狀曲線，左、右輪受力狀態(tài)不同，長期作用下列車左、右輪磨耗狀態(tài)差異顯著。此外，試驗(yàn)證明該方法操作簡單，測量精度高，具有很好的工程應(yīng)用性。

地鐵列車；測試方法；車輪磨耗；車輪不圓度

隨著地鐵列車運(yùn)營時(shí)間的增長，車輪會(huì)發(fā)生不均勻磨耗。車輪不圓度(Out-of-Round，OOR)為車輪踏面滾動(dòng)圓在橫剖面與滾動(dòng)中心距離最大值與最小值的差，是評(píng)價(jià)車輪磨耗的重要指標(biāo)。地鐵車輛的多邊形化是車輪磨耗的主要形式之一，也是地鐵列車運(yùn)行引發(fā)環(huán)境振動(dòng)的主要?jiǎng)討B(tài)激勵(lì)因素。有研究表明，隨著車輛的運(yùn)營里程增加，車輪會(huì)出現(xiàn)不同階次的多邊形磨耗[1]，車輪多邊形磨損不僅對(duì)輪軌力等輪軌動(dòng)態(tài)行為產(chǎn)生影響[2?4]，還會(huì)對(duì)車輛系統(tǒng)的機(jī)車車身、軸箱[5?7]以及軌道系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生不利影響[8]，如列車運(yùn)營的安全性、舒適性降低；線路周邊環(huán)境振動(dòng)增加等問題。車輪扁疤等磨耗形式也會(huì)造成輪軌噪聲與安全等問題[9]，影響地鐵列車的運(yùn)營。因此，通過對(duì)車輪不圓度情況進(jìn)行現(xiàn)場測試，掌握車輪的磨耗情況、識(shí)別車輪不圓度數(shù)據(jù)主要階數(shù)和波長很有必要。目前，車輪不圓度的直接測試方法主要分為接觸式和非接觸式2 類[10]，作為傳統(tǒng)的測量方法，接觸式方法可選儀器種類繁多，測試精度較高，成本較低；非接觸式方法是隨著激光技術(shù)的發(fā)展而新興的測試方法，測量精度目前隨著技術(shù)的發(fā)展逐漸提高，但成本較高。此外，可通過采集輪軌接觸力信息[11]和時(shí)頻分析技術(shù)[12]判別車輪多邊形和扁疤；運(yùn)用波長固定機(jī)理也可判定多邊形階數(shù)[13]，這些方法屬于間接測出車輪多邊形等磨耗形式的方法，無法直接定量反映磨耗程度。本文選擇青島地鐵一列運(yùn)營列車為研究對(duì)象，應(yīng)用接觸式測試方法進(jìn)行整列車車輪不圓度測試。同時(shí)，針對(duì)典型測試數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，探究該線路條件下同一列車不同車輪的磨耗特征。

1 測試概況

測試地鐵列車為B型車6節(jié)編組(4動(dòng)車+2拖車)，累計(jì)運(yùn)營11.3萬km，測試時(shí)尚未進(jìn)行過車輪鏇修作業(yè)。車輛編組與車輪編號(hào)如圖1所示，1號(hào)車廂為行駛車頭。

1.1 測試設(shè)備

車輪不圓度測試設(shè)備采用TriTops儀器(圖2(a))，該儀器具備操作便捷、測量精度高、數(shù)據(jù)可視化等優(yōu)勢。測量過程中，該儀器通過電磁鐵固定在鋼軌上，3個(gè)等距測量探針可同時(shí)測量3個(gè)車輪踏面位置的不圓度(圖2(b))。通過傳感器前方的導(dǎo)輪，可識(shí)別車輪圓周數(shù)，完成設(shè)定采樣周數(shù)后自動(dòng)結(jié)束測量。

圖1 地鐵車輛編組與車輪編號(hào)

1.2 測試步驟

整個(gè)測試程序共分為3個(gè)核心步驟，如圖3所示。首先，選用2個(gè)量程相同的千斤頂，分別置于同一車輪左、右兩側(cè)軸箱正下方將輪對(duì)頂升脫離鋼軌表面，隨后通過人工轉(zhuǎn)動(dòng)車輪清理車輪表面油污、銹跡，防止其影響測量精度。其次，將儀器上固定在的鋼軌表面適當(dāng)位置，通過調(diào)整儀器上的滑塊鎖、導(dǎo)輪滑塊鎖、橫向滑塊鎖等，使得中間測量探針接觸到車輪踏面距離輪緣70 mm處的車輪名義滾動(dòng)圓上，調(diào)整滑塊螺母對(duì)傳感器沿車輪徑向位置微調(diào)，將測試數(shù)據(jù)歸零處理，保證傳感器感應(yīng)數(shù)值在0左右。最后，通過手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)車輪4周，進(jìn)行車輪踏面不圓度數(shù)據(jù)的實(shí)測。此時(shí)可以借助計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，初步判斷測試數(shù)據(jù)是否有效。測試結(jié)束后拆卸儀器，同步拆卸2個(gè)千斤頂，準(zhǔn)備下一組輪對(duì)測試。

(a) 儀器示意圖；(b) 測點(diǎn)位置示意圖

圖3 測試儀器使用流程

2 測試結(jié)果

2.1 典型測試數(shù)據(jù)

由于動(dòng)車及拖車動(dòng)力參數(shù)差別較大，本文分別選取拖車1號(hào)車廂1號(hào)輪、2號(hào)輪及動(dòng)車2號(hào)車廂1號(hào)輪、2號(hào)輪進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4及圖5中分別給出了4個(gè)典型車輪不圓度的原始數(shù)據(jù)笛卡爾坐標(biāo)及極坐標(biāo)表達(dá)。將車輪的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行取均值處理后，在極坐標(biāo)中呈現(xiàn)出來，可以直觀的看到車輪圓周的磨耗情況。在圖5中，縱坐標(biāo)表示車輪的磨耗程度，值越大表示磨耗 越大。

2.2 測試誤差分析

圖6(a)和6(b)分別給出了1-1輪、1-2輪多次測試的粗糙度級(jí)結(jié)果(基準(zhǔn)值為1 μm)。其中，對(duì)于1-1輪，中間測點(diǎn)距離輪緣70 mm，但3次測試測點(diǎn)起始位置改變，在全波長范圍內(nèi)粗糙度級(jí)計(jì)算結(jié)果基本完全重合；對(duì)于1-2輪，前3次測試中間測點(diǎn)距離輪緣70 mm，測量結(jié)果基本完全重合，但第5，6和7次為測點(diǎn)向遠(yuǎn)離輪緣側(cè)偏移，導(dǎo)致12.5~200 mm波長范圍內(nèi)的測量結(jié)果變化較大。

因此，在測點(diǎn)與輪緣位置固定的條件下，本文推薦測試方法測量結(jié)果可重復(fù)，測試誤差可忽略不計(jì)，測點(diǎn)與輪緣相對(duì)位置關(guān)系對(duì)較短波長測量結(jié)果影響顯著。

(a) 拖車車輪原始數(shù)據(jù)；(b) 動(dòng)車車輪原始數(shù)據(jù)

(a) 拖車車輪極坐標(biāo)圖；(b) 動(dòng)車車輪極坐標(biāo)圖

(a) 1-1輪；(b) 1-2輪

3 結(jié)果分析

3.1 車輪表面粗糙度級(jí)分析

車輪多邊形粗糙度級(jí)是車輪不圓度測試結(jié)果的一種定量表示方式，計(jì)算如式(1)所示。

式中：為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；為車輪不圓度實(shí)測數(shù)據(jù)的值。ISO3095—2013給出了車輪表面粗糙度級(jí)的限值。

圖7給出了4個(gè)典型車輪表面粗糙度級(jí)。ISO3095—2013規(guī)定，如果同時(shí)出現(xiàn)以下2種情況時(shí)，即可認(rèn)為車輪粗糙度級(jí)超限：在10~80 mm波長范圍內(nèi)，單波長粗糙度級(jí)超過規(guī)范限值6 dB，且至少連續(xù)3個(gè)波長帶的粗糙度級(jí)超過基準(zhǔn)限值3 dB。因此，圖7中的1車1號(hào)輪，2車1號(hào)和2號(hào)輪表面粗糙度級(jí)均未超限；1車2號(hào)輪表面粗糙度級(jí)超限。

(a) 拖車車輪粗糙度；(b) 動(dòng)車車輪粗糙度

(a) 拖車右輪粗糙度級(jí)；(b) 動(dòng)車右輪粗糙度級(jí)；(c) 拖車左輪粗糙度級(jí)；(d) 動(dòng)車左輪粗糙度級(jí)

圖8給出了整列車動(dòng)車、拖車所有車輪的表面粗糙度級(jí)。圖8顯示，整列車右輪的特征波長為0.4 m，而列車左輪的具備2個(gè)特征波長，分別為0.4 m和0.25 m。列車的左輪和右輪在特征波長存在較大的差異。同時(shí)對(duì)比分析圖8(a)，8(b)，8(c)和8(d)發(fā)現(xiàn)，拖車各車輪的峰值比動(dòng)車峰值在圖中顯示的更明顯，離散性更小。

圖9(a)和9(b) 分別給出了拖車、動(dòng)車同一軸左、右輪粗糙度級(jí)差值的計(jì)算結(jié)果。對(duì)比可知在20 mm以上波長范圍內(nèi)，左輪的粗糙度水平遠(yuǎn)高于右輪；20 mm以下波長范圍左輪、右輪的粗糙度度平均值基本一致。

(a) 拖車；(b) 動(dòng)車

3.2 車輪多邊形磨耗階數(shù)分析

通過車輪階數(shù)圖可直觀反映車輪各階多邊形磨耗的發(fā)展程度，對(duì)比分析主要多邊形階數(shù)及幅值。計(jì)算公式如式(3)所示。

各階數(shù)下多邊形占據(jù)實(shí)測車輪多邊形曲線的幅值c則用式(4)表達(dá)。

圖10給出了4個(gè)典型車輪前25階多邊形幅值。從圖中可以看出，車輪多邊形主要階數(shù)為1-5階及7-9階。車輛的左、右輪有的差異，拖車和動(dòng)車的右輪磨耗更大，尤其是14階左右。

(a) 拖車車輪多邊形階數(shù)；(b) 動(dòng)車車輪多邊形階數(shù)

圖10 車輪多邊形階數(shù)

Fig. 10 Order diagram of wheel polygon

將測試地鐵列車左右兩側(cè)的車輪多邊形階數(shù)進(jìn)行取均值處理，對(duì)比分析列車的左輪和右輪不同階數(shù)的幅值統(tǒng)計(jì)性特點(diǎn)。從圖11中可以看出，所有車輪的首階多邊形磨耗最為顯著，這與車輪自身的偏心直接相關(guān)；此外，第7，8和9階多邊形磨耗也較為突出。

圖11 地鐵列車左右輪多邊形階數(shù)

綜上，對(duì)比左、右輪磨耗均值，發(fā)現(xiàn)車輪的左側(cè)車輪整體磨耗程度高于右側(cè)。該現(xiàn)象的產(chǎn)生與青島地鐵2號(hào)線線路整體呈現(xiàn)半圓環(huán)狀有關(guān)。運(yùn)營過程中列車左側(cè)輪多處于外軌、右輪多處于內(nèi)軌，使得左、右輪與鋼軌接觸及受力狀態(tài)不同，長期作用下導(dǎo)致列車左、右輪磨耗狀態(tài)差異顯著；且由于線路整體為欠超高設(shè)計(jì)，造成左側(cè)車輪的磨耗程度高于右輪。

3.3 車輪不圓度擬合公式

將車輪不圓度考慮為一系列可以反映典型多邊形階數(shù)的周期性疊加函數(shù)：

式(5)中：0與測試位置有關(guān)，位于名義滾動(dòng)輪時(shí)0=0 m；n為典型多邊形磨耗階數(shù)；A為第n階多邊形磨耗幅值；為車輪半徑；為選擇典型多邊形磨耗的階數(shù)。

結(jié)合車輪不同階數(shù)多邊形幅值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，考慮前2階及7，8和9階，給出測試列車左、右輪的參數(shù)擬合結(jié)果見表1。

圖12給出了通過擬合公式獲得的直角坐標(biāo)擬合結(jié)果及多邊形磨耗擬合結(jié)果，證明通過式(5)可獲得能夠反映典型多邊形磨耗特征的車輪不圓度數(shù)據(jù)。

表1 測試列車左、右輪參數(shù)擬合結(jié)果

圖12 擬合公式準(zhǔn)確性驗(yàn)證

4 結(jié)論

1) 青島地鐵2號(hào)線列車的車輪多邊形磨耗主要體現(xiàn)為前5階和7-9階多邊形；列車右輪的典型特征波長為0.4 m，左輪的具備2個(gè)特征波長，分別為0.4 m和0.25 m。

2) 由于2號(hào)線線路整體呈現(xiàn)半環(huán)狀曲線，左、右輪受力狀態(tài)不同，長期作用下列車左、右輪磨耗狀態(tài)差異顯著。

3) 結(jié)合測試結(jié)果給出了車輪不圓度的經(jīng)驗(yàn)擬合公式。

4) 采用接觸式車輪不圓度測試方法，操作簡單，測量精度高，可以同于車輪不圓度磨耗情況的精細(xì)化測量，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用性。

[1] Nielsen J C O, Johansson A. Out-of-round railway wheels-a literature survey[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F-Journal of Rail and Rapid Transit, 2000, 214(2): 79?91.

[2] 崔大賓, 梁樹林, 宋春元, 等. 高速車輪非圓化現(xiàn)象及其對(duì)輪軌行為的影響[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2013, 49(18): 8?16. CUI Dabin, LIANG Shulin, SONG Chunyuan, et al. Out of round high-speed wheel and its influence on wheel/rail behavior[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49(18): 8?16.

[3] Johansson A, Nielsen J C O. Out-of-round railway wheels-wheel-rail contact forces and track response numerical simulations[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F-Journal of Rail and Rapid Transit, 2003, 217(2): 135?146.

[4] 崔瀟, 姚建偉, 孫麗霞. 基于柔性旋轉(zhuǎn)輪對(duì)的車輪多邊形磨耗對(duì)輪軌力的影響分析[J]. 鐵道建筑, 2019, 59(6): 140?145. CUI Xiao, YAO Jianwei, SUN Lixia. Analysis on Influence of wheel polygon wear on wheel-rail force based on flexible rotating wheelset[J]. Railway Engineering, 2019, 59(6): 140?145.

[5] 吳越, 韓健, 劉佳, 等. 高速列車車輪多邊形磨耗對(duì)輪軌力和轉(zhuǎn)向架振動(dòng)行為的影響[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2018, 54(4): 37?46. WU Yue, HAN Jian, LIU Jia, et al. High-speed train polygonal wheels on wheel/rail contact force and bogie vibration[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2018, 54(4): 37?46.

[6] 戚瀟月, 宋冬利, 張衛(wèi)華. 車輪多邊形對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的影響分析及在線診斷方法研究[J]. 鐵道機(jī)車車輛, 2018, 38(4): 10?17. QI Xiaoyue, SONG Dongli, ZHANG Weihua. Analysis Influence of wheel polygonalization on vehicle dynamics and research on online diagnosis[J]. Railway Locomotive & Car, 2018, 38(4): 10?17.

[7] 張富兵, 鄔平波, 吳興文, 等. 高速列車車輪多邊形對(duì)軸箱的影響分析[J]. 振動(dòng), 測試與診斷, 2018, 38(5): 1063?1068, 1088. ZHANG Fubing, WU Pingbo, WU Xingwen, et al. Effects of wheel polygonalization on axle box for high speed train[J]. Journal of Vibration, Measurement＆Diagnosis, 2018, 38(5): 1063?1068, 1088.

[8] 溫士明, 李偉, 朱強(qiáng)強(qiáng), 等. 地鐵車輪多邊形磨損對(duì)浮置板軌道振動(dòng)特性的影響[J]. 噪聲與振動(dòng)控制, 2018, 38(4): 116?122. WEN Shiming, LI Wei, ZHU Qiangqiang, et al. Influence of polygonal wear of metro wheels on vibration characteristics of floating slab tracks[J]. Noise and Vibration Control, 2018, 38(4): 116?122.

[9] 劉國云, 曾京, 鄔平波, 等. 車輪扁疤所引起的車輛系統(tǒng)振動(dòng)特性分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2019, 55(17): 1?8. LIU Guoyun, ZENG Jing, WU Pingbo, et al. Vibration characteristic analysis of vehicle systems due to wheel flat[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(17): 1?8.

[10] TAO Gongquan, WANG Linfeng, WEN Zefeng, et al. Measurement and assessment of out-of-round electric locomotive wheels[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F-Journal of Rail and Rapid Transit, 2016, 232(1): 275?287.

[11] LIU Xiaoyuan, ZHAI Wanming. Analysis of vertical dynamic wheel/rail interaction caused by polygonal wheels on high-speed trains[J]. Wear, 2014, 314(1/2): 282?290.

[12] LIANG B, Iwnicki S D, ZHAO Y, et al. Railway wheel-flat and rail surface defect modelling and analysis by time–frequency techniques[J]. Vehicle System Dynamics, 2013, 51(9): 1403?1421.

[13] 孫琦, 張兵, 李艷萍, 等. 一種波長固定的車輪多邊形在線故障檢測方法[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2018, 15(9): 2343?2348. SUN Qi, ZHANG Bing, LI Yanping, et al. Wavelength- fixing mechanisms for detecting the wheel polygon- shaped fault onsite[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2018, 15(9): 2343?2348.

Comparison test and analysis of wheel out-of-roundness of metro train

CHI Shengchao1, 2, LIUBing2, QIAN Yanping2, ZHANG Hougui3, LI Minghang4

(1. State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. Operation Branch of Qindao Subway Group Co., Ltd, Qindao 266000, China;3. Beijing Municipal Institute of Labour Protection, Beijing 100054, China;4. Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

The wear of train wheels will lead to an increase in the dynamic interaction force between the wheels and rails, which in turn will aggravate the loss of wheels and rails, which will adversely affect the safety of vehicle operation and the vibration of the rail transit environment. In order to quantitatively analyze the degree of the out-of-roundness of metro train wheels, a contact measurement method for out-of-roundness, and detailed tests was performed for all wheels of an operation train serving on Qingdao Metro Line 2. The test results showed that the wheel polygon wear of the tested train was mainly the first 5th and 7-9th orders; the typical characteristic wavelength of the right wheels of the train was 0.4 m, and the left wheels had two characteristic wavelengths, which are respectively 0.4 m and 0.25 m. Because the Qingdao Metro Line 2 showed a semi-circular curve, the left and right wheels were in different contact states with rails inducing that the left and right wheel wear states were significantly different after long-term operating. In addition, the test data proves that the method is easy to operate, and has high measurement accuracy and good engineering applicability.

metro train; test method; wheel wear; out-of-round

U231+.94；X593

A

1672 ? 7029(2020)08 ? 2093 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20191001

2019?11?15

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(3184047)；北京市財(cái)政項(xiàng)目(PXM2018-178304_000007)

張厚貴(1982?)，男，貴州安順人，副研究員，博士，從事城市軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)問題研究；E?mail：zhanghougui@bmilp.com

(編輯 陽麗霞)