動車組輪對踏面磨耗淺析及解決構架振動措施研究

姚志偉+徐興濤

摘 要：高速動車組轉向架是車輛重要的走行部位，在高速度、高密度運行一定里程后車輪圓周方向會出現不同程度的剝離進而出現車輪多邊形引發輪、軌系統間的劇烈震動產生較大滾動噪聲，進而影響旅客乘坐舒適性及檢修運用成本，針對車輪多邊形現象提出了相應的解決措施。

關鍵詞：轉向架；輪對踏面；轉臂；鏇修

中圖分類號： TU275.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）32-191-2

1 車輪不圓順測試與分析

隨著高速動車組長線路、高密度的運行，車輛車輪不圓化磨耗現象比較突出。通過現場實測車輪踏面圓周不圓度，分析車輪不圓的分布特征，為研究車輪不圓對車輛動力學性能提供依據。

1.1 車輪不圓度測試

BST車輪多邊形測試儀（或稱軌道車輛車輪粗糙度測量儀）是用于測量軌道車輛車輪的周向不平順，以獲得車輛車輪的平均直徑、車輪徑跳值和車輪不圓特征（即車輪不圓的階次）的儀器。

該儀器采用位移接觸式測量方法進行測量，其滾輪和位移傳感器探針直接與被測車輪踏面垂直接觸；采用USB 接口供電，并傳輸數據；采用專門的軟件進行數據的采集及處理。

車輪粗糙度的測試環境要求車輛靜止在檢修軌道上，輪對處于懸空狀態，可以自由轉動，BST車輪多邊形測試儀要求放在一個固定的平臺上，留出工作電源和試驗人員適當的工作空間。

BST車輪多邊形測試儀測試時，測試點可位于車輪踏面輪緣向外60mm處。

1.2 車輪不圓度測試結果分析

通過對軌道車輛車輪的不圓度測試數據分析得到車輪的階次、車輪徑跳統計值、粗糙度等。通常定義車輪多邊形：車輪多邊形是指車輪圓周方向存在規則的波浪形的形狀，工程常采用階次圖表示。車輪徑跳：車輪徑跳是指車輪一周中最大車輪直徑與最小直徑的差值，通常用其表征車輪不圓化的嚴重程度。

2 輪對多邊形的形成機理

2.1 輪對系統的自激振動頻率

將高速列車車輪動多邊形問題考慮成由輪軌系統間的自激振動引起，車輪多邊形變數N=fz/fω，其中fz為系統自激振動頻率，fω為這輪轉動頻率。

以現場測試發現的多階多邊形為例，當車輛速度分別以200km/h、250km/h和300km/h時，系統自激振動頻率為fz=fω=Nv/（2∏.r）

式中：v=車輛運行速度。

R為車輪滾動圓半徑，當車輪滾動圓半徑為0.43m時，車輪周期性不圓順引起的振動頻率見表1。

2.2 輪軌異常振動機理

當輪軌激勵大，激勵出轉向架固有模態的振動，激勵消失后振動快速衰減；當輪軌持續激勵大且車輪轉速恒定，轉向架會按固有模態頻率持續諧振；車輪旋轉過程中會疊加每秒N（N=車輪旋轉周長/諧振頻率波長）次的規律振動，從而形成車輪的N階多邊形。

通過研究16至21階左右的輪對多邊形所對應的系統自激振動頻率在460-617Hz之間與該轉向架的固有頻率580Hz接近，容易引發共振；同時當輪對與鋼軌之間存在500Hz以上的高頻短時間接觸振動，來不及向上和軌下傳遞，會引起輪軌間的強烈沖擊，是輪對高階多邊形形成的原因之一。

2.3 鋼軌波磨與輪對波長

鋼軌波磨是指鋼軌上表面出現規則的波浪形磨耗，表現為一高一低或一明一暗的光帶，即輪軌表面短波周期不平順

鋼軌測試結果如圖2顯示存在80mm和160mm左右的波長以現場測試發現的20階多邊形為例，當車輛速度分別以200km/h、250km/h和300km/h時，輪對波長=v/f=137mm與鋼軌波磨測試波長相接近。車輪多邊形波長與鋼軌波磨波長相同或相近易引發輪軌高頻共振，進而形成論對多邊形。

3 解決車輪多邊形引發構架系統振動措施

3.1 車輪踏面鏇修對構架振動的緩解（圖3）

車輪踏面鏇修消除多邊形后構架振動明顯減弱，掌握車輪多邊形的演變規律及時鏇修可以有效減緩構架及車體振動。

3.2 波磨鋼軌打磨對構架振動的緩解

車體結構局部或整體模態靠近轉向架蛇行頻率是放大車體高頻振動的重要元素，通過修整振動區段的軌形：降低轉向架蛇行運動幅值和頻率（圖4）

3.3 降低高頻振動的傳遞，減少轉向架內部耦合振動

降低高頻振動的耦合傳遞主要靠一系和二系懸掛裝置，由于現有車輛懸掛參數已經非常適宜于降低高頻振動，所以改進空間較小；但可以采用更換轉臂節點，有效衰減動車輪對-轉臂-構架間異常振動傳遞以耦合，降低車輪多邊形的形成速率。

將動車轉向架轉臂節點換新周期由240萬公里縮短到120萬公里，故障率高發的拖車轉向架轉臂節點同時更換；進一步確定轉向架相關減振部件的合理更換周期

車體結構最低模態頻率對車體抖動的影響很大，應該避免它與轉向架蛇行頻率放生耦合、產生共振。

3.4 軌道系統的剛度應適度

軌道剛度低，列車振動傳至軌下的響應會降低，但車內振動會增大；軌道剛度大，則列車振動傳至軌下的響應會增大，但列車平穩性會較好。減振扣件的使用可以一定程度上緩解軌道結構振動，減小振動，但如果減振扣件的剛度太大，將會引起軌道固有振動頻率降低。如到500Hz左右，有可能與轉向架部件共振，從而導致異常振動發生，增加波磨的產生。應充分重視減振扣件與鋼軌波磨的關系。

3.5 輪對鏇修的優化

將之前車輪一刀0.5mm經濟鏇優化為兩刀0.5+0.5mm鏇修，徹底消除已形成的多邊形；通過改進優化不落輪旋床的定位方式，加裝轉臂支撐裝置，以減少車輪鏇修后的徑跳值同時增加車輪多邊形在線監測功能，有效監控鏇后質量。

通過上述措施有效降低了上線動車組轉向架車輪多邊形高發問題，解決了因輪、軌高頻沖擊造成的部分零部件加速磨損問題，降低了檢修成本。

參 考 文 獻

[1] 孫效杰，周文祥.踏面磨耗及其對輪軌接觸幾何關系的影響[J].鐵道車2輛，2010，07.

[2] 田慶.避免城軌車輛車輪踏面異常磨耗的控制策略探討[J].鐵道車輛，2013，01.

[3] 沈玉飛.軌道輪外形及不圓度檢測研究[D].西南交通大學，2011.