HXD1型機車車輪不圓度試驗研究

汪林峰， 陳清明，2， 陳國勝，2， 陳喜紅，2

（1. 中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412001；2. 大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室，湖南株洲 412001）

1 概述

車輪失圓是鐵路系統中較為常見的問題，車輪失圓（尤其是車輪高階多邊形）會引起許多嚴重問題。由車輪失圓所產生的周期性輪軌力會傳遞給列車和軌道部件，引起部件的損壞或失效［1-2]，會顯著降低部件的疲勞強度（如軸箱轉臂）［3]。車輪多邊形還會顯著增加機車車輛運行過程中的振動噪聲。相關研究表明，車輪多邊形是導致HXD1C 型機車運行過程中司機室振動較大的原因；高速列車車輪多邊形引起齒輪箱箱體共振，導致齒輪箱箱體振動劇烈；車輪第20 階多邊形是使高速列車車內振動和噪聲偏大的主要原因；在極端情況下車輪失圓可能會引起安全問題，如1998年德國發生的ICE高速列車脫軌事故，就是由于車輪失圓導致車輪萌生裂紋引起車輪崩裂所致［4-7]。

車輪失圓問題在我國鐵路和城市軌道交通系統運用現場廣泛存在，如直線電機地鐵列車、B 型地鐵列車、25G 客車和HXD1 型機車，均有車輪失圓問題的相關報道［8-9]。我國高速動車組也存在車輪多邊形，通過安裝踏面清掃裝置可有效抑制多邊形的發展［10-11]。目前，在處理車輪失圓問題時普遍采用鏇修的方法。該方法最直接，效果也較明顯，但不可避免會增加機車車輛的運營維護成本。治理車輪失圓問題最根本的辦法就是找到車輪失圓的形成機理和關鍵影響因素，然后采取相應措施。通過對不同型號HXD1 型機車車輪不圓度進行大量的測試和統計分析，為調查車輪失圓的形成機理提供重要的基礎數據。

2 車輪不圓度測試和數據處理方法

車輪不圓度測試采用機械接觸測量方法，測試現場見圖1。為保證測試過程中車輪可繞軸心自由旋轉，采用機務段頂輪檢測專用的液壓千斤頂將輪對頂起，使輪對與鋼軌分離2～3 mm。將不圓度測試專用設備固定于鋼軌上方，位移傳感器與車輪垂直接觸，用于記錄車輪不圓度信息；旋轉傳感器用于測量車輪的周長信息，以便準確記錄位移傳感器所測不圓度的相位信息。

傳感器采集車輪1周的非圓化數據，實際為車輪各相位處的半徑波動量。數據處理時將車輪的平均半徑定義為非圓化幅值的0值，比平均半徑大的位置在非圓化幅值圖上標示為正值，比平均半徑小的位置則為負值，其值的大小代表車輪半徑偏離程度。

圖1 車輪不圓度測試現場

車輪周期性的多邊形見圖2，變化的圓周曲線依次定義為1階（偏心）、2階（橢圓）和3階（三邊形）多邊形，依次類推還有高階多邊形。實際情況下的車輪是非周期性不圓順，即由不同幅值、階次和相位的諧波疊加而成。

圖2 車輪周期性的多邊形

通常采用徑跳值和粗糙度水平作為車輪非圓化的評價指標。車輪徑跳值是指車輪圓周上不同位置處的半徑最大值與最小值之差，用于評價車輪1周上的非圓化程度（見圖3），然而徑跳值不能完全反映車輪多邊形特征。

粗糙度水平可反映每階多邊形的貢獻量，其數值越大說明該階次多邊形所占成分越大。粗糙度水平Lrk定義如下：

式中：rk2為車輪不圓度外形粗糙度r（x）的均方值在1/3倍頻程k中進行量化；rref2為車輪粗糙度的參考值。

在國際標準單位下頻帶中心波長為：

在每個1/3 倍頻程中將所得窄帶頻譜幅值的平方再求和，并除以計算點數即可獲得rk2。在粗糙度的定義中，10 μm 粗糙度的有效幅值（均方根值）對應20 dB的粗糙度等級，而1 μm 的粗糙度幅值則對應0 dB 粗糙度等級。

3 車輪不圓度測試結果及分析

從2013年開始對4 種干線HXD1 型機車超過4000 個車輪進行了不圓度測試。機車車型信息見表1，4種機車均采用電制動和輪盤制動。

表1 機車車型匯總

3.1 典型測試結果

在車輪不圓度測試過程中，發現HXD1 和HXD1C 型機車存在明顯的多邊形（見圖4），圖中數字表示測量位置離輪背的距離，如“70”表示距離輪背70 mm 處，即名義滾動圓處車輪不圓度。典型多邊形為18、19 和24 邊形（圖4 僅給出19 邊形測試結果）。18 和19 邊形對應的1/3 倍頻程中心波長為200 mm，24 邊形對應的1/3倍頻程中心波長為160 mm。對個別車輪踏面不同橫向位置的不圓度進行了測量，發現幾乎整個踏面均存在相同形式的失圓。此外，同一輪對左右車輪幾乎表現為相同的多邊形，且相位基本一致。

某車輪采用機加工鏇修時一次進刀鏇修后的車輪踏面狀態見圖5。由于鏇修時進刀量較小，車刀未切削到踏面中部車輪多邊形波谷處的材料，在車輪踏面上留下明顯黑皮，可清晰看出留下的黑皮呈現明顯的波浪形，即該車輪出現明顯的諧波磨耗。

3.2 不同車型對比

3.2.1 國產化HXD1型機車

安康機務段HXD1型機車共測試71臺次，共測試車輪1088 個，測試的機車中鏇后最高運行里程13.33 萬km。小于5 萬km 的車輪共測試912 個，5 萬～10萬km的車輪共測試128個，大于10萬km的車輪共測試48個。

圖4 典型車輪不圓度測試結果

安康機務段HXD1 型機車所有測試車輪徑跳值見圖6。車輪徑跳值離散性較大，并不隨鏇后里程呈線性增加，最大徑跳值接近0.6 mm。當機車鏇后運行里程小于5 萬km 時，64.4%的車輪徑跳值小于0.1 mm，僅2.0%的車輪徑跳值超過0.3 mm；當鏇后運行里程在5 萬～10 萬km 時，徑跳值在0.1～0.2 mm 的車輪占主導，占比41.3%，10.0%的車輪徑跳值超過0.3 mm；當鏇后里程大于10 萬km 時，仍是徑跳值在0.1～0.2 mm的車輪占主導，占比58.3%，8.3%的車輪徑跳值超過0.3 mm；鏇后運行里程超過5 萬km 后出現了徑跳值超過0.5 mm的車輪。

圖5 某車輪鏇修后車輪踏面狀態

圖6 安康機務段HXD1型機車所有測試車輪徑跳值

安康機務段HXD1 型機車高階多邊形統計結果見圖7，統計了16～20 邊形和24 邊形的占比，統計時僅考慮粗糙度水平超過10 dB且存在峰值的多邊形階次。

由圖7可知：

（1）不同運行里程下，18 和19 邊形的占比最高，鏇后運行里程小于5 萬km、5 萬～10 萬km 和大于10 萬km 的18～19 邊形占比分別為62.1%、48.4%和72.9%，即在安康機務段測試的HXD1 型機車車輪中有61.1%的車輪存在18或19邊形。

（2）隨著運行里程的增加車輪多邊形現象越明顯，鏇后運行里程小于5 萬km、5 萬～10 萬km 和大于10 萬km 時高階多邊形（16～20 階和24 階）粗糙度水平高于20 dB 的車輪占出現多邊形車輪的比例分別為30.5%、52.3%和89.6%。

圖7 安康機務段HXD1型機車高階多邊形統計結果

3.2.2 西門子原型HXD1型機車

在湖東機務段測試了6 臺西門子原型HXD1 型機車部分車輪的不圓度，共測試了44個車輪。

以HXD10017 機車車輪不圓度測試結果為例進行說明（見圖8）?？梢姡m然車輪的粗糙度水平較高，但未出現明顯突出的多邊形階次。

湖東機務段HXD1 型機車各測試車輪的徑跳值統計見圖9。可見，車輪徑跳值普遍低于0.4 mm，最大徑跳值接近0.5 mm。

圖8 湖東機務段HXD10017機車車輪不圓度階次

3.2.3 神華號HXD1型機車

在國家能源集團大準機務段對4 臺神華號HXD1 型機車進行了車輪不圓度測試，測試結果顯示：

（1）測試的4 臺機車均出現非常明顯的17～19 邊形，其中3臺機車幾乎每個車輪均出現明顯的多邊形。

（2）車輪的徑跳值普遍在0.20 mm以內，最大徑跳值接近0.38 mm。

3.2.4 HXD1B型機車

在機車不圓度調查過程中，僅在向塘機務段測試了3 臺HXD1B 型機車的不圓度，分別為HXD1B0180、HXD1B0188和HXD1B0556機車，測試時3臺機車總運行里程分別為24.3 萬、92.9 萬和41.6 萬km。不圓度階次和徑跳值見圖10和圖11。由測試結果可知：

（1）測試的3臺HXD1B型機車未出現明顯的高階多邊形，僅HXD1B0556機車出現輕微的24邊形；

（2）機車主要表現為偏心和低階多邊形磨損，如4～8階，可能由車輪擦傷所致；

（3）個別車輪可能存在擦傷，車輪徑跳值非常大，約為1.3 mm。

圖10 HXD1B0556機車車輪不圓度階次

圖11 HXD1B型機車車輪不圓度徑跳值統計

3.2.5 HXD1C型機車

2016年在株洲機務段、嘉峪關機務段和西寧機務段對HXD1C 型機車進行了車輪不圓度測試，分別測試了3臺、2臺和2臺。由測試結果可知，7臺機車的圓度狀態非常好，無高階多邊形，主要為偏心磨損。但2013年在西寧機務段對HXD1C 型機車進行測試時，發現當時HXD1C 型機車與安康機務段HXD1 型機車類似，存在明顯的車輪多邊形現象。

3.2.6 HXD1D型機車

2016年在武昌南機務段對HXD1D0004 和HXD1D0007 機車進行了車輪不圓度測試。此外，對蘭州機務段HXD1D0093 機車（總走行里程36.60 萬km，未鏇過輪）和西寧機務段HXD1D0328 機車（總走行里程16.25萬km，未鏇過輪）也進行了不圓度測試。測試結果顯示：

（1）測試的4 臺HXD1D 型機車未出現明顯的高階多邊形，僅HXD1D0004機車6軸右輪出現明顯8邊形；

（2）機車主要表現為偏心和低階多邊形磨損，如4～8階，可能由車輪擦傷所致；

（3）個別車輪可能存在擦傷，車輪徑跳值非常大，約為1.7 mm。

3.3 制動系統影響研究

安康機務段HXD11201—1216 機車采用克諾爾制動系統，其他HXD1 型機車采用DK2 制動系統。所有測試的克諾爾制動系統機車鏇后運行里程均小于5 萬km。2 種制動系統機車的徑跳值和高階多邊形見圖12 和圖13。由統計結果可知，采用克諾爾和DK2 制動系統的機車均出現了相同形式的多邊形，鏇后運行里程小于5萬km時，均有約60%的車輪出現18或19邊形，可見，HXD1型機車車輪多邊形與制動系統無關。

圖122 種制動系統機車徑跳值統計

3.4 制動方式影響研究

機車在制動過程中存在電制動和空氣制動2種制動模式。通常情況下機車主要采用電制動，僅在減速停車時施加空氣制動。為了調查制動方式對車輪多邊形發展的影響，在安康機務段選取了HXD11076 和HXD11191 機車，鏇輪后進行空電聯合切除試驗，將原本優先采用的電制動的制動力換算成空氣制動力，因此切除試驗后的制動方式是全部改用空氣制動，不用電制動。

對試驗機車進行了2個多月的跟蹤測試，測試結果見圖14。可見：改變制動方式后，鏇修后殘留的多邊形照常發展，改變制動控制方式并不能有效抑制車輪多邊形的發展，即制動方式不是影響車輪多邊形發展的關鍵因素。

圖132 種制動系統機車高階多邊形統計

圖14 制動方式對車輪徑跳值發展的影響（1076#機車）

3.5 結果討論

由以上測試結果可知，HXD1 和HXD1C 型機車在個別機務段出現明顯車輪多邊形現象，而HXD1B 和HXD1D 型機車車輪圓度狀態較好。通過進一步調查發現，出現明顯多邊形現象的機車主要出現在裝備某老式不落輪鏇床的機務段，如安康、大準、迎水橋、蘭州等機務段。該型鏇床采用車輪踏面定位鏇修。由圖4測試結果可知，如果車輪存在多邊形，在車輪踏面整個接觸光帶內均存在相同形式的多邊形。如果采用踏面定位鏇修，在定位點處車輪存在多邊形，由于車輪鏇修的仿形作用，將會導致車輪鏇修后殘留明顯的多邊形，這對多邊形的發展極為不利。

2013年在西寧機務段調研測試時（裝備某老式不落輪鏇床），車輪多邊形非常明顯，主要表現為18 或19 邊形，且鏇修后車輪多邊形特征幾乎不變，僅徑跳值略有降低。車輪鏇修后運行不久機務段即反映機車出現異常振動現象。2014年后西寧機務段裝備了采用軸箱定位鏇修的某新式不落輪鏇床，采用該鏇床鏇修后車輪圓度狀態較好，之后未再反映異常振動問題。2016年再次去西寧機務段進行調研測試時，車輪圓度狀態良好，所測試的2臺機車均未出現多邊形現象。

安康機務段與西寧機務段類似，2016年前也是采用某老式不落輪鏇床進行鏇修，經常反映異常振動問題，車輪同樣出現明顯多邊形。2016年初裝備了某新式不落輪鏇床，之后幾乎沒再反映異常振動問題，后期車輪不圓度測試結果也表明該機務段車輪圓度狀態良好。

從以上2 個機務段HXD1C 和HXD1 型機車運用情況來看，在使用某老式不落輪鏇床鏇修時車輪多邊形明顯，且經常反映異常振動問題，改用新式不落輪鏇床鏇修后這些問題幾乎沒再反映。因此，車輪鏇修方式對車輪多邊形的形成和發展具有重要作用，采用軸箱定位鏇修的車輪圓度狀態明顯好于采用踏面定位鏇修的車輪。

此外，HXD1 和HXD1C 型機車分別為2 軸和3 軸轉向架機車，轉向架結構完全不同，但車輪多邊形表現形式幾乎一樣。值得注意的是，這2個型號的機車驅動裝置一樣。車輪多邊形磨耗的形成是否與驅動裝置相關還有待進一步研究。

4 結束語

通過一系列試驗，對4 種干線HXD1 型機車車輪不圓度進行了測量，并研究了制動系統、制動方式對車輪多邊形的影響，得到以下結論：

（1）HXD1 和HXD1C 型機車車輪存在明顯的17～19邊形。

（2）HXD1B、HXD1D型機車未發現明顯多邊形，但個別車輪由于存在較嚴重擦傷，導致車輪的徑跳值較大。

（3）HXD1 型機車車輪多邊形與制動系統和制動控制方式關系不大。

（4）車輪鏇修時的定位方式對車輪多邊形磨耗的形成和發展具有重要影響，改善車輪鏇修方式能有效控制車輪多邊形磨耗的形成和發展。