地鐵車輛踏面修形器裂紋原因分析及改進(jìn)措施

宋慶偉，伍安胥，陳 遜，李春來(lái)，相運(yùn)成，任 毅，劉海濤

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062；2.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213000；3.吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130062)

近年來(lái)，在地鐵車輛服役過(guò)程中車輪踏面出現(xiàn)了多邊形磨耗現(xiàn)象，該現(xiàn)象加劇了輪軌動(dòng)態(tài)相互作用，導(dǎo)致車輛和軌道產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)和噪聲，對(duì)車輛和軌道部件造成了破壞[1]。為了有效消除車輪多邊形磨耗，通常在車輛轉(zhuǎn)向架上安裝踏面修形器對(duì)車輪修形(圖1)，進(jìn)而減少后期維修的工作量，提高車輛運(yùn)營(yíng)利用率。

圖1 踏面修形器對(duì)車輪修形

踏面修形器主要由研磨子、氣缸作動(dòng)器和研磨子托組成。研磨子由摩擦體和背板組成，研磨子安裝于研磨子托上，并通過(guò)安裝鉤防止脫落，如圖2所示。踏面修形器的研磨子按照一定的控制邏輯對(duì)車輪踏面持續(xù)施加磨削作用，從而消除車輪踏面多邊形，提高輪軌黏著系數(shù)，延長(zhǎng)車輪旋修周期和車輪使用壽命。由于個(gè)別踏面修形器在使用過(guò)程中背板出現(xiàn)裂紋，影響了車輛運(yùn)用安全，所以，本文將針對(duì)踏面修形器背板裂紋原因進(jìn)行分析，并制定有效措施，延長(zhǎng)其使用壽命，保障車輛安全運(yùn)行。

1 原因分析

圖3為某地鐵車輛在運(yùn)營(yíng)約25萬(wàn)km后研磨子背板出現(xiàn)裂紋，可以看出，裂紋位于背板與安裝鉤配合處。

圖2 踏面修形器結(jié)構(gòu)圖

圖3 踏面修形器背板裂紋

1.1 材料理化分析

對(duì)開(kāi)裂背板進(jìn)行理化檢驗(yàn)分析，分析結(jié)果表明，其化學(xué)成分、金相組織均滿足JIS G 3113：1990《汽車結(jié)構(gòu)用熱軋鋼板、薄板及鋼帶》中對(duì)SAPH400鋼板材料要求。如圖4所示，故障研磨子背板的微觀斷口表現(xiàn)為疲勞斷裂，裂源處可見(jiàn)疲勞貝殼紋，源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)表面均被磨光，瞬斷區(qū)呈韌窩微觀形貌，說(shuō)明背板在運(yùn)用過(guò)程中由于承受橫向彎曲應(yīng)力使其出現(xiàn)疲勞裂紋。

圖4 故障踏面修形器研磨子背板斷口微觀形貌

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，抽取新生產(chǎn)的研磨子背板實(shí)物實(shí)施滲透及磁粉檢測(cè)，結(jié)果顯示，踏面修形器背板未見(jiàn)異常，進(jìn)一步說(shuō)明原始裂紋缺陷出現(xiàn)在運(yùn)用過(guò)程中。

1.2 線路振動(dòng)測(cè)試分析

為了進(jìn)一步分析踏面修形器振動(dòng)情況，在試驗(yàn)車的軸箱和踏面修形器上加裝加速度傳感器，在運(yùn)營(yíng)正線上對(duì)試驗(yàn)車進(jìn)行轉(zhuǎn)向架振動(dòng)測(cè)試[2-3]。測(cè)試前對(duì)車輪多邊形情況進(jìn)行檢查和測(cè)量[4]，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)車存在車輪多邊形磨耗問(wèn)題，以5階多邊形居多，且首尾車的車輪多邊形較為顯著。圖5、圖6分別為試驗(yàn)車6車4軸右側(cè)車輪多邊形極坐標(biāo)圖和試驗(yàn)車車輪多邊形階次圖。

圖5 試驗(yàn)車6車4軸右側(cè)車輪多邊形極坐標(biāo)圖

圖6 試驗(yàn)車車輪多邊形階次圖

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析，結(jié)果顯示，開(kāi)裂的踏面修形器振動(dòng)加速度分別為496 m/s2(垂向)、509 m/s2(橫向)和430 m/s2(縱向)，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于IEC 61373：2010《鐵路應(yīng)用 鐵道車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》中2類要求的限度值(300 m/s2)。圖7為軸箱和踏面修形器振動(dòng)加速度頻域圖，可以看出，6車4軸右軸箱存在45 Hz和400～437 Hz主頻，踏面修形器安裝座僅有45 Hz主頻，而5車4軸右軸箱僅存在400～437 Hz主頻，說(shuō)明踏面修形器疲勞損傷主要是因45 Hz的振動(dòng)產(chǎn)生的，且此主頻振動(dòng)源自于輪軌振動(dòng)[5]。

圖7 軸箱和踏面修形器振動(dòng)加速度頻域圖

為了進(jìn)一步分析45 Hz輪軌振動(dòng)產(chǎn)生的原因，結(jié)合車輛參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，圖8為測(cè)試車輛試驗(yàn)速度曲線圖。

圖8 測(cè)試車輛試驗(yàn)速度曲線圖

測(cè)試區(qū)間車輛速度約為85 km/h，利用式(1)計(jì)算得出：車輪為5階多邊形時(shí)的軸箱主頻f為45 Hz，說(shuō)明軸箱、踏面修形器的主要振動(dòng)能量源自于車輪多邊形激勵(lì)。

(1)

式中：v——車輛試驗(yàn)速度，取v=85 km/h；

D——車輪直徑，取D=835 mm；

n——車輪多邊形階次，取5。

可見(jiàn)，踏面修形器背板早期疲勞裂紋主要是車輪5階多邊形導(dǎo)致的。輪軌振動(dòng)使踏面修形器存在45 Hz的主頻，振動(dòng)能量較大，致使踏面修形器背板出現(xiàn)早期疲勞裂紋。

2 優(yōu)化方案

基于上述裂紋分析結(jié)果對(duì)用戶現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)由于地鐵公司不具備車輪旋修條件，地鐵車輛運(yùn)營(yíng)近3年未實(shí)施過(guò)車輪旋修。同時(shí)，考慮到后期維護(hù)成本，踏面修形器控制邏輯僅在車輪滑行時(shí)動(dòng)作，致使前期車輪就出現(xiàn)多邊形問(wèn)題，且未即時(shí)消除。因此，為了解決踏面修形器45 Hz異常振動(dòng)問(wèn)題，并兼顧踏面修形器維護(hù)經(jīng)濟(jì)性，本文通過(guò)優(yōu)化研磨子配方和踏面修形器控制邏輯兩方面來(lái)消除車輪多邊形，并針對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行持續(xù)1年的跟蹤試驗(yàn)，最終通過(guò)車輪多邊形擴(kuò)展趨勢(shì)和研磨子磨損情況確定最優(yōu)方案。

2.1 研磨子配方優(yōu)化

鑒于現(xiàn)車車輪及產(chǎn)品狀態(tài)，選用2種配方研磨子開(kāi)展跟蹤試驗(yàn)：

(1) QSA01配方。為現(xiàn)車配方，為車輪增黏而研發(fā)，質(zhì)量大(約2 kg)，含少量銅元素；

(2) QSB02配方。為新配方，為車輪修形而研發(fā)，質(zhì)量小(約1.1 kg)，綠色環(huán)保。

2.2 修形器控制邏輯優(yōu)化

由于目前車輪已存在多邊形問(wèn)題，控制邏輯不僅要對(duì)多邊形進(jìn)行抑制，還需要對(duì)現(xiàn)車多邊形進(jìn)行修復(fù)，特制訂4種優(yōu)化控制邏輯，如表1所示。

表1 4種優(yōu)化控制邏輯

2.3 跟蹤試驗(yàn)結(jié)果

按照優(yōu)化后的研磨子配方和控制邏輯對(duì)4列車進(jìn)行了運(yùn)營(yíng)跟蹤試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 運(yùn)營(yíng)跟蹤試驗(yàn)方案

2.3.1 模式1

模式1的實(shí)施條件是車輪未旋修。在模式1條件下，踏面修形器單程動(dòng)作54次，作用里程占比為43%，踏面修形器使用壽命約為6.7萬(wàn)km。模式1試驗(yàn)的車輪多邊形改善情況如圖9所示，可以看出采用QSB02配方的車輛車輪多邊形磨耗改善效果優(yōu)于QSA01配方。

2.3.2 模式2

模式2的實(shí)施條件是車輪未旋修。在模式2條件下，踏面修形器單程動(dòng)作46次，作用里程占比為42.8%，踏面修形器使用壽命約為7.6萬(wàn)km。模式2試驗(yàn)的車輪多邊形改善情況如圖10所示，可以看出，采用QSB02配方的車輛車輪多邊形磨耗改善效果優(yōu)于QSA01配方。

圖9 模式1試驗(yàn)結(jié)果

圖10 模式2試驗(yàn)結(jié)果

2.3.3 模式3

模式3實(shí)施條件是車輪未旋修。在模式3條件下，踏面修形器單程動(dòng)作30次，作用里程占比為36.2%，踏面修形器使用壽命約為6.7萬(wàn)km。模式3試驗(yàn)的車輪多邊形改善情況如圖11所示，可以看出，采用QSA01配方的車輛車輪多邊形磨耗改善不明顯。

2.3.4 模式4

模式4的實(shí)施條件是車輪旋修。在模式4條件下，踏面修形器單程動(dòng)作18次，作用里程占比為20%，試驗(yàn)運(yùn)行里程為5.5萬(wàn)km，按照研磨子磨損量推測(cè)其使用壽命約為15萬(wàn)km。試驗(yàn)結(jié)果及車輪多邊形改善情況如圖12所示，可以看出，2個(gè)配方均可對(duì)車輪多邊形起到抑制作用，但采用QSB02配方的車輛車輪多邊形磨耗改善效果優(yōu)于QSA01配方。

圖11 模式3試驗(yàn)結(jié)果

圖12 模式4試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)車輪踏面修形器裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，證實(shí)了地鐵車輛車輪引起踏面修形器產(chǎn)生45 Hz的高頻振動(dòng)，由于沖擊振動(dòng)能量較大，導(dǎo)致其出現(xiàn)早期疲勞裂紋。通過(guò)優(yōu)化研磨子配方和踏面修形器控制邏輯，可有效消除車輪多邊形，解決研磨子背板產(chǎn)生的疲勞裂紋問(wèn)題。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)未旋修的車輛，車輪已存在多邊形磨耗情況，宜采用控制邏輯模式2+QSB02配方研磨子方式；對(duì)于已旋修或新造車輛，車輪初始狀態(tài)較好，宜采用控制模式4+QSB02配方研磨子方式。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)車輛維修要求，定期對(duì)車輪踏面進(jìn)行維護(hù)，可消除異常振動(dòng)。建議結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)車輛維修策略進(jìn)一步優(yōu)化控制邏輯，提高車輪踏面修形器的經(jīng)濟(jì)性。