車輪多邊形磨損對高速線路軌道動態行為影響的試驗研究

江英杰，李 偉，陶功權，溫澤峰，金學松

（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都610031）

隨著我國高速鐵路的運營發展，高速列車車輪多邊形磨損(車輪非圓化磨損或車輪波磨)現象變得越來越普遍[1]。列車在高速行駛時，車輪多邊形磨損會加劇輪軌間相互作用，激勵車輛和軌道系統中的高頻振動，惡化零部件的受力狀態；長期作用下會導致車輛和軌道零部件過早失效，影響列車運行的安全性。

SNYDER 等[2]研究了車輪不圓度與實測車輪沖擊荷載之間關系，發現車輪不圓會產生高頻的振動沖擊，進而影響到軸箱、輪對和軌道零部件的使用壽命，需要及時對車輪鏇修或進行其它維護。QU等[3]對某高速列車由車輪多邊形引起的振動進行了現場測試，發現幅值約為0.2 mm車輪多邊形能導致軸箱振動加速度峰值達到800 g。吳越等[4]建立轉向架系統高頻振動全有限元模型，分析高速列車車輪多邊形磨損對輪軌力和轉向架振動行為的影響，結果表明列車速度、車輪多邊形磨損幅值和階數的提高會使輪軌垂向力波動范圍和轉向架振動響應明顯增大。溫士明等[5]對地鐵車輛進行車輪多邊形磨損測試，并且對比測試了存在多邊形磨損的列車在車輪鏇修前后通過時不同軌道結構零部件的振動加速度，研究地鐵車輪多邊形磨損對軌道振動和減振特性的影響。車輪多邊形除了會顯著增大車輛的振動外，也會可能引起列車或軌道系統某些零部件的共振，加速它們的疲勞失效，如軸箱端蓋螺栓、齒輪箱體、一系垂向止擋和扣件彈條等[6-9]。

高速鐵路運營速度達到300 km/h，甚至350 km/h，為明確車輪存在多邊形磨耗時其對軌道系統振動行為的影響，亟需開展相關的研究，確保軌道系統的運行可靠性。文中針對我國某高鐵線路實際運營過程中出現的車輪多邊形磨損現象，現場測試存在車輪多邊形的列車通過橋梁和隧道段軌道時其零部件的振動加速度，并與車輪鏇修后的振動測試結果進行對比，分析高速列車車輪多邊形對軌道動態行為的影響。

1 輪軌表面不平順測試及分析

對試驗列車車輪不圓度和軌道振動測試斷面附近的鋼軌波磨不平順進行了測試分析。

1.1 高速列車車輪不圓度測試及分析

試驗列車最高運行速度為300 km/h。在車輪鏇修前(距上次鏇修后約運行19萬公里)和鏇修后對車輪不圓度進行了測試，試驗列車所有車輪的不圓度階次測試結果如圖1所示。

圖1 車輪鏇修前后不圓度階次測試結果

由測試結果可知：

(1)試驗列車鏇修前車輪周向不均勻磨損主要表現為偏心、18 邊形和20 邊形。其中18～20 高階多邊形粗糙度水平最高為26.8 dB re 1 mm。

(2)試驗列車鏇修后車輪高階(18～20 階)多邊形磨損不明顯，車輪鏇修后周向圓度狀態良好。

(3)當試驗列車鏇修前以265 km/h～278 km/h運營時，車輪多邊形引起的輪軌振動頻率可由f=v/l計算，其中，v表示列車運行速度，l表示車輪多邊形磨損的邊長(l=周長/階次)。車輪18～20邊形波長范圍為0.13 m～0.16 m，多邊形通過頻率為460 Hz～

594 Hz。

1.2 鋼軌波磨不平順測試及分析

為排除鋼軌波磨對軌道部件振動的影響，在選取軌道振動斷面時特意選取了鋼軌表面狀態良好的區段。圖2為橋梁和隧道軌道振動測點前后25 m范圍內鋼軌表面粗糙度的1/3 倍頻程結果。由結果可知，2 個測點處曲線內軌和外軌表面粗糙度狀態良好，沒有鋼軌波磨現象。

圖2 軌道曲線內外軌波磨不平順等級

2 車輪多邊形對軌道部件振動的影響分析

為分析高速列車車輪多邊形磨損對線路軌道結構動態行為的影響，在試驗列車正常運營線路上選取橋梁和隧道各一個區段進行軌道零部件振動測試。兩區段測點位置均在半徑為10 000 m的圓曲線段上，測點處軌道結構特點見表1。

表1 兩測點處軌道結構特點

加速度傳感器布置在外軌側，軌道各零部件測點加速度傳感器的布置如圖3所示。

圖3 軌道零部件加速度傳感器布置圖示

振動測試的主要部件包括：軌枕上方鋼軌軌腰、跨中鋼軌軌腰、扣件彈條、軌枕和道床板(中部)。測試工況為試驗列車車輪鏇修前后以正常運營速度(265 km/h～278 km/h)通過兩測試斷面。測試時采樣頻率為10 kHz。

圖4和圖5分別為列車通過橋梁區段時軌枕上方鋼軌垂向振動加速度時域結果和各零部件振動加速度有效值統計結果。

圖4 橋梁區段軌道軌枕上方鋼軌垂向振動時域圖

圖5 橋梁區段軌道各零部件振動加速度有效值

列車鏇修后通過橋梁區段時，軌枕上方鋼軌軌腰、跨中鋼軌軌腰、扣件彈條、軌枕和道床板測點的垂向振動加速度有效值分別為5.59 g、5.29 g、5.86 g、0.096 9 g、0.063 3 g。與車輪鏇修后測試結果相比，列車鏇修前通過測試斷面時，各測點的振動加速度有效值分別增大51.2 %、81.4 %、95.0 %、3.2 %、130.6%。車輪多邊形磨損對橋梁區段軌道扣件彈條和道床板垂向振動加速度影響較為顯著。

圖6為橋梁區段軌道鋼軌、扣件彈條、軌枕和道床板垂向振動加速度頻域結果。

圖6 鏇修前、后橋梁區段軌道各部件振動加速度頻域圖

列車鏇修前以278 km/h 通過測點時，鋼軌垂向振動在492 Hz～513 Hz 和574～587 Hz 頻率出現峰值，并且沿軌道結構向下傳遞，在鋼軌以下的軌道零部件中均有表現。該顯著頻帶與車輪多邊形的通過頻率(460 Hz～594 Hz)一致。列車鏇修后通過測點時，各測點垂向振動在特征頻率附近明顯小于鏇修前的結果，并且在492 Hz～513 Hz 和574 Hz～587 Hz頻帶沒有顯著峰值。安裝狀態下W300-1型扣件SKL 15 彈條在500 和570 Hz 附近存在兩個固有頻率[9]，其振型表現為垂向的扭轉和縱向的拉彎。當彈條緊固狀態不同時，彈條的約束模態頻率可能會略有差異。車輪多邊形激勵頻率與彈條固有模態頻率相同，使軌道扣件彈條在其固有頻率附近出現明顯的共振峰值，其振動顯著地高于鋼軌。

圖7和圖8分別為列車通過隧道區段時枕上鋼軌垂向振動加速度時域結果和各零部件振動加速度有效值統計結果。

圖7 隧道區段軌道軌枕上方鋼軌垂向振動時域圖

由測試結果可知：

(1)列車鏇修后通過測點時，軌道軌枕上方鋼軌軌腰、跨中鋼軌軌腰、扣件彈條、軌枕和道床板測點的垂向振動加速度有效值分別為6.92 g、6.97 g、5.29 g、0.052 g、0.016 3 g。與車輪鏇修后測試結果相比，列車鏇修前通過測試斷面時各測點的振動加速度有效值分別增大30.5%、30.9%、127%、5.9%、6.3%。

圖8 隧道區段軌道各零部件振動加速度有效值

(2)車輪多邊形磨損對橋梁區段鋼軌和道床板振動水平的影響比對隧道區段影響顯著，特別是道床板。由于扣件彈條結構固有特性的緣故，車輪多邊形產生的激勵由鋼軌直接傳遞到彈條，該振動特征在彈條上會放大，導致鏇修前扣件彈條振動加速度有效值高于鋼軌。

圖9為隧道區段軌道鋼軌、扣件彈條、軌枕和道床板垂向振動加速度頻域結果。列車鏇修前以265 km/h 通過測點時，鋼軌垂向振動在465 Hz～478 Hz和546 Hz～560 Hz 頻率出現峰值，該顯著頻帶與車輪多邊形的通過頻率(460 Hz～594 Hz)一致。

列車鏇修后通過測點時，各測點垂向振動水平在特征頻率附近明顯小于鏇修前，并且在465 Hz～478 Hz和546 Hz～560 Hz頻帶沒有顯著峰值。扣件彈條出現的共振峰值在579 Hz左右，兩測試區段扣件彈條共振頻率不同，可能是由于扣件彈條緊固扭矩不同導致。

3 車輪多邊形激勵下軌道振動衰減性能分析

圖9 鏇修前、后橋隧道段軌道各部件振動加速度頻域圖

在上文中發現鏇修前后橋梁段道床板振動加速度變化明顯，而隧道段振動加速度變化不大，并且車輪多邊形激勵頻率在橋梁段道床板振動加速度中有所體現，但在隧道段表現不明顯。可能的原因是由于橋梁與隧道區段道床板及以下軌道結構的不同，導致軌道振動衰減性能存在差異。為分析車輪多邊形激勵對不同軌道結構振動的影響，采用道床板垂向加速度振級作為評價指標。數據處理方法按照ISO2631/1-1997 標準規定的1/3 倍頻程中心頻率Z計權因子處理，評價的頻率范圍為4 Hz～200 Hz，對應車輪多邊形階次為1(偏心)～8 階，其中垂向加速度Z振級具體計算公式如下[10]

式中：VLZ為振級；n為1/3 倍頻程中心頻率的個數，這里取n=18，VALi為1/3倍頻程第i個中心頻率上未計權分頻振動加速度級；Ci為1/3 倍頻程第i個中心頻率對應的加權因子。

列車鏇修前后通過測試點時道床板4 Hz～200 Hz垂向1/3倍頻程各中心頻率上Z計權分頻振級見圖10。

圖10 道床板振動加速度1/3倍頻程頻譜圖

測試結果表明：隧道段道床板垂向加速度加權振級在4 Hz～200 Hz頻率范圍內都小于橋梁段。鏇修前，橋梁和隧道道床板垂向加速度Z 振級為104.75 dB、85.23 dB；鏇修后為94.59 dB、79.30 dB。

考慮到高階車輪多邊形的通過頻率較高，現目前并沒有合適的計權標準。因此選擇列車通過橋梁段和隧道段時道床板垂向加速度未計權分頻振級做對比，分析高階車輪多邊形對橋梁段和隧道段軌道振動的影響。道床板垂向1/3 倍頻程各中心頻率未計權分頻振級見圖11。

由結果表明：在400 Hz～650 Hz范圍內，隧道段道床板垂向振動1/3 倍頻程中心頻率未加權分頻振級明顯小于橋梁區段；鏇修后，橋梁段和隧道段道床板垂向加速度分頻振級平均下降9.2 dB 和3.2 dB。隧道段軌道結構相比橋梁段具有更好的振動衰減性能，并且車輪多邊形的存在對隧道段軌道振動衰減影響更小。

圖11 道床板垂向1/3倍頻程未計權分頻振級

4 結語

(1)高速試驗列車具有明顯車輪多邊形磨損，其中典型高階多邊形為18～20階，鏇修后車輪圓度狀態良好。

(2)與鏇修后相比，列車鏇修前通過橋梁段軌道時枕上鋼軌軌腰、扣件彈條、軌枕和道床板垂向加速度有效值顯著增大。鏇修前車輪多邊形的通過頻率在軌道各零部件振動加速度中均有體現；鏇修后主波長頻率附近的振動加速度峰值消失。

(3)車輪多邊形磨損激勵引起的振動傳遞至扣件彈條，激發了彈條某些固有振動頻率，導致彈條振動較大。

(4)隧道段軌道具有更好的振動衰減性能，且車輪多邊形對隧道段軌道振動衰減影響更小。