全自動車輛車輪磨耗研究

路瑤 唐玉強(qiáng)

摘 要：北京市軌道交通燕房線是我國首條自主研發(fā)的全自動運(yùn)行線路，全長14.4 km，因全自動運(yùn)行的科技性備受業(yè)內(nèi)同行關(guān)注，其運(yùn)營安全性、設(shè)備可靠性更需要全力保障。車輪作為地鐵電動客車轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，必須具有極高的可靠性，以保證電動客車在鋼軌上快速、穩(wěn)定、安全行駛。鑒于此，電動客車車輪磨耗的研究，成為保證全自動地鐵線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵?，F(xiàn)結(jié)合燕房線電動客車車輪的磨耗情況，針對運(yùn)行中部分列車噪聲大、異常振動等現(xiàn)象，結(jié)合車輛走行部的檢測數(shù)據(jù)，分析了列車噪聲大、異常振動產(chǎn)生的原因，并提出了降低列車噪聲、消除異常振動的改進(jìn)方法。

關(guān)鍵詞：燕房線;電動客車;車輪;磨耗

0 ? ?引言

近年來，軌道交通行業(yè)快速發(fā)展，對電動客車車輪磨耗的研究也不斷深入。北京、上海、廣州等城市地鐵在運(yùn)營過程中，均存在不同程度的車輪異常磨耗問題，國內(nèi)外對于車輪磨耗問題尚未完全解決。車輪的異常磨耗會導(dǎo)致輪軌接觸狀態(tài)不良，從而影響列車的安全性、平穩(wěn)性及舒適性，因此，分析車輪異常磨耗的原因，制訂有效的改進(jìn)措施非常必要。燕房線自開通以來，電動客車運(yùn)行情況整體平穩(wěn)，個別車輛出現(xiàn)了噪聲大、異常振動等現(xiàn)象，鑒于此，本文跟蹤分析了燕房線電動客車車輪的磨耗情況，分析了列車噪聲大、異常振動產(chǎn)生的原因，并提出了降低列車噪聲、消除異常振動的改進(jìn)方法。

1 ? ?車輪運(yùn)用現(xiàn)狀

燕房線電動客車采用GoA4全自動駕駛方式，須定期對車輪的磨耗情況進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測。車輪磨耗數(shù)據(jù)每半年記錄一次，主要測量輪徑值、徑向跳動、輪緣高、輪緣厚等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

在車輛運(yùn)營期間，車輪會出現(xiàn)不同程度的磨耗，一旦磨耗情況異常，會出現(xiàn)車輛噪聲大、車體異常晃動等現(xiàn)象，從而影響列車的安全性、平穩(wěn)性及舒適性。2018年11月至2019年6月，列車007、列車008反饋Tc車運(yùn)營期間噪聲大、車體振動大，下面從車輪踏面磨耗和車輪多邊形磨耗兩個方面來進(jìn)行研究和分析。

2 ? ?車輪磨耗分析

2.1 ? ?車輪踏面磨耗

2.1.1 ? ?輪軌磨耗

大量研究表明，車輪磨耗主要是由與車輪踏面直接接觸的軌道發(fā)生相對滑動引起的，踏面的磨耗深度隨運(yùn)行里程數(shù)的增加而逐漸增大。

為掌握車輪磨耗的規(guī)律，選取走行里程數(shù)相近的4列電動客車（含列車007和008），對其Tc車的車輪廓形進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。車輛踏面累計磨耗量、磨耗率隨著里程數(shù)的變化如圖1、圖2所示。

由圖1可知，4列電動客車在運(yùn)行至5萬km時，平均磨耗量在1.5 mm左右;運(yùn)行至8萬km時，平均磨耗量在2 mm左右;運(yùn)行至12萬km時，平均磨耗量在2.4 mm左右;運(yùn)行至20萬km時，平均磨耗量在4 mm左右。由圖2可知，選取的4列Tc車的車輪累計磨耗率在0.2 mm/萬km左右。

上述這些數(shù)值都是可接受的，而且隨著運(yùn)行里程數(shù)的遞增，萬千米平均磨耗值還將有所下降。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，可以判定車輪踏面未發(fā)生磨耗過快等異常情況。

2.1.2 ? ?制動力分配

電動客車制動系統(tǒng)采用電制動和空氣制動，電制動力應(yīng)能單獨(dú)滿足常用制動的要求，當(dāng)運(yùn)行速度低于電制動臨界消失速度時，由空氣制動力進(jìn)行補(bǔ)充[1]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，噪聲大、異常振動等現(xiàn)象多發(fā)生在Tc車上，M車很少產(chǎn)生。這種狀況的出現(xiàn)主要是因為列車在制動時首先采用電制動，電制動力不足才由Tc車空氣制動進(jìn)行補(bǔ)充。當(dāng)Tc車實施空氣制動后仍不滿足制動要求時，M車才會在電制動的基礎(chǔ)上實施空氣制動，此時施加的空氣制動力較小，不會造成M車踏面過度磨耗，而Tc車實施空氣制動相對頻繁，因此，制動力分配原則是造成Tc車車輪踏面磨耗的原因之一。

2.2 ? ?車輪多邊形磨耗

車輪多邊形磨耗是指軌道車輛車輪名義滾動圓周向出現(xiàn)不均勻磨損的現(xiàn)象。大量研究表明，引起車輪多邊形化的原因是多方面的，線路條件、運(yùn)行工況、車輛狀態(tài)等都是重要因素[2]。

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(jī)激勵響應(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(jī)響應(yīng)的程度，具有向共振發(fā)展的趨勢時，將有可能與車輪多邊形化發(fā)生關(guān)聯(lián)[3]。下面主要從輪對自身振動及軌道激擾兩個方面進(jìn)行分析。

2.2.1 ? ?輪對自身振動

輪對的自振頻率是固有屬性，由其質(zhì)量、材料、結(jié)構(gòu)形式等決定[4]。車輛運(yùn)行時，輪對的一階彎曲共振導(dǎo)致輪對在垂向平面彎曲變形，輪對一階彎曲振動引起輪軌接觸區(qū)車輪相對鋼軌橫向滑動，輪對一階彎曲振動導(dǎo)致的變形較小，輪軌相互滑動較小，其稱為“輪軌間橫向蠕滑率”。在車輪長時間運(yùn)行過程中，輪軌間橫向蠕滑率的周期性變化導(dǎo)致車輪多邊形磨損過程逐漸形成。輪軌間橫向蠕滑率變化周期與輪軌彎曲共振相同，激發(fā)出輪對一階彎曲共振，導(dǎo)致車輪多邊形產(chǎn)生。

若輪對的一階模態(tài)被激勵，則其共振將導(dǎo)致車輪踏面出現(xiàn)諧波磨損（即車輪多邊形磨損），波長可由式（1）計算得出：

式中：λ為波長（mm）;v為車輛運(yùn)行速度（km/h）;f為輪對的模態(tài)頻率（Hz）。

根據(jù)車輪測試結(jié)構(gòu)，燕房線車輪對應(yīng)的波長為200～300 mm。燕房線車輛運(yùn)行速度為50～80 km/h，則由式（1）計算出輪對一階共振頻率為69.4～74 Hz。由于未對輪對模態(tài)進(jìn)行有限元分析及敲擊測試，車輪多邊形是否是由輪對一階彎曲頻率引起在本文未驗證。

2.2.2 ? ?軌道激擾

在確定的速度v下，由式（2）可計算得出每秒鐘車輪轉(zhuǎn)動的周數(shù)：

式中：n為每秒鐘車輪轉(zhuǎn)動的周數(shù);v為車輛運(yùn)行速度（km/h）;R為車輪半徑（m）。

根據(jù)燕房線車輛技術(shù)規(guī)格書，v=50～80 km/h，為與測試結(jié)果進(jìn)行對比，這里取v=55～70 km/h，R=0.42 m，計算得到n=5.79～7.37，即當(dāng)速度為55～70 km/h時，每秒鐘車輪轉(zhuǎn)動5.79～7.37周。假定該速度下輪軌垂向力主導(dǎo)頻率為f，則相鄰峰值頂點(diǎn)的理論相位角為p，p=360°×（1/f）×n。以九邊形來說，其相位角為40°，因而車輪若要形成九邊形，則其輪軌垂向力主導(dǎo)頻率需要滿足f=9n。

如果假設(shè)車輪多邊形化是由車輪滾動一周的振動所形成的，根據(jù)公式f=9n，當(dāng)速度取55～70 km/h時，需要其具有主頻率為52.11～66.33 Hz的振動。

軌道測試結(jié)果顯示，車輛運(yùn)行速度為55～70 km/h時，250～350 mm波磨導(dǎo)致的通過頻率（速度/波長）為61.1～77.8 Hz，與車輪形成九邊形需要的振動主頻（52.11～66.33 Hz）部分重合，因此軌道激擾即鋼軌波磨后產(chǎn)生的振動頻率是導(dǎo)致車輪多邊形的原因之一。

2.2.3 ? ?車輪鏇修誤差

車輪鏇修時，若車軸中心線始終保持恒定，則車輪多邊形可消除。但由于不落輪鏇床的結(jié)構(gòu)，當(dāng)鏇修具有多邊形的車輪時，車軸中心線會隨車輪轉(zhuǎn)動而不規(guī)則移動，同時鏇床刀頭的位置和切削量是固定值，因此鏇修后車輪仍為多邊形。

3 ? ?改進(jìn)建議

綜合上述分析，提出了改善車輪異常磨耗的建議。

3.1 ? ?增加鏇修踏面曲線

改變車輪踏面形狀將直接改變輪軌接觸幾何關(guān)系[5]，進(jìn)而改變車輪磨耗，因此可在鏇修時根據(jù)輪軌磨耗狀況，合理優(yōu)化車輪踏面形狀，采用非標(biāo)準(zhǔn)LM踏面進(jìn)行鏇修，在保證車輛動力學(xué)性能的基礎(chǔ)上減緩踏面磨耗。目前已新增加了兩種車輪鏇修踏面曲線，后期將從廓形、應(yīng)用情況、動力、參數(shù)、動力學(xué)性能等方面進(jìn)行對比，確定最終使用的鏇修曲線。

3.2 ? ?改造鏇修設(shè)備

由于不落輪鏇床的固定方式是卡鉗式，車輪鏇修時車軸中心線會隨車輪轉(zhuǎn)動，不能徹底消除多邊形。目前鏇修設(shè)備軸端為雙爪固定式，計劃改造為四爪固定式，且增加軸箱支撐裝置，這樣可以提高車輪鏇修時軸端固定的穩(wěn)定性，控制驅(qū)動輪工作時車輪的徑跳值，可以有效改善車輪多邊形磨損現(xiàn)象。

3.3 ? ?設(shè)計曲線選擇

地鐵線路曲線運(yùn)行必然會產(chǎn)生輪軌磨耗，內(nèi)側(cè)鋼軌比外側(cè)鋼軌短，車輛的車輪剛性固定在車軸上，即沿曲線運(yùn)行時不能獨(dú)立地轉(zhuǎn)動。車輪沿著鋼軌滾動，不可避免地會發(fā)生輪軌接觸表面的縱向滑動，當(dāng)車輪滾動時輪緣在鋼軌軌頭側(cè)面產(chǎn)生滑動，使接觸點(diǎn)的塑性部分和彈性部分的過渡區(qū)間出現(xiàn)變形，形成了車輪磨耗。因此，在地鐵線路設(shè)計階段，盡量加大曲線半徑，對于改善車輪磨耗具有很大的作用。

4 ? ?結(jié)論

本文分析了燕房線車輪磨耗的發(fā)展趨勢，并針對車輪異常磨耗情況分析了形成原因。

（1）根據(jù)燕房線電動客車制動力分配原則，Tc車實施空氣制動比M車更頻繁，且Tc車凹形磨耗更加嚴(yán)重。因此，制動力分配原則是造成Tc車車輪凹形磨耗的原因之一。

（2）車輛運(yùn)行速度為55～70 km/h時，250～350 mm波磨導(dǎo)致的通過頻率（速度/波長）為61.1～77.8 Hz，與車輪形成多邊形需要的振動主頻（52.11～66.33 Hz）部分重合，因此軌道激擾即鋼軌波磨后產(chǎn)生的振動頻率是導(dǎo)致車輪多邊形的原因之一。

（3）由于不落輪鏇床的結(jié)構(gòu)限制，車輪鏇修時，車軸中心線會隨車輪轉(zhuǎn)動而不規(guī)則移動，造成車輪多邊形的情況在鏇輪后可以緩解但不能徹底消除。

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[4] 嚴(yán)雋耄，傅茂海.車輛工程[M].3版.北京：中國鐵道出版社，2008.

[5] 任尊松.車輛系統(tǒng)動力學(xué)[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

收稿日期：2021-09-02

作者簡介：路瑤（1987—），男，河北赤城人，工程師，研究方向：軌道交通車輛。