踏面清掃裝置抑制車輪多邊形現(xiàn)象的試驗(yàn)研究

馮 暢 陳 遜 伍安旭 吳 波 汪冬冬

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

機(jī)車輪軸驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)可模擬不同工況進(jìn)行輪驅(qū)系統(tǒng)型式試驗(yàn)，從而驗(yàn)證車輛輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，但是隨著試驗(yàn)速度的不斷提高，試驗(yàn)臺(tái)面臨的車輪周期性多邊形磨耗也日益明顯。周期性的車輪多邊形磨耗使得車輪和軌道輪間作用力急劇增大，導(dǎo)致輪軌之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和輻射噪聲，嚴(yán)重影響試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行品質(zhì)和安全[1]。踏面清掃裝置是高速動(dòng)車組和盤形制動(dòng)城軌車輛配置的固體車輪踏面摩擦控制裝置[2]，通過(guò)風(fēng)壓控制踏面清掃裝置前端摩擦材料(研磨塊)以一定壓力壓附車輪踏面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪踏面的摩擦作用，達(dá)到穩(wěn)定輪軌黏著、修整踏面和清掃雜質(zhì)的作用[3]。

1 試驗(yàn)臺(tái)車輪多邊形磨耗

被試輪軸系統(tǒng)在一定軸重下安裝在輪軸試驗(yàn)臺(tái)軌道輪上，試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)下方軌道輪滾動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)被試輪軸系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示。

由于整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中輪對(duì)關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定，導(dǎo)致車輪踏面持續(xù)在滾動(dòng)圓處產(chǎn)生磨損，且未實(shí)時(shí)采取對(duì)車輪踏面的鏇修，在某些振動(dòng)頻率的影響下，車輪極易出現(xiàn)周期性車輪不圓，具體表現(xiàn)為車輪周向方向上31階車輪多邊形磨耗突出，如圖2所示。當(dāng)車輪線速度保持在160 km/h時(shí)，該31階車輪多邊形產(chǎn)生的頻率約為410 Hz。經(jīng)測(cè)試，軸端垂向加速度有效值達(dá)4.3g，輻射噪聲達(dá)100 dB。

圖1 輪軸驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

圖2 車輪狀態(tài)

2 踏面清掃裝置

踏面清掃裝置為氣動(dòng)式結(jié)構(gòu)，本文所述的研磨塊為復(fù)合材料，設(shè)計(jì)有樹脂、纖維和填料等成分，通過(guò)壓制燒結(jié)而成。踏面清掃裝置通過(guò)研磨塊摩擦車輪踏面，改善車輪踏面滾動(dòng)接觸疲勞，去除微小裂紋和剝離層，抑制車輪局部不圓發(fā)展。同時(shí)，通過(guò)研磨塊拋光車輪，實(shí)現(xiàn)消除或抑制周期性車輪多邊形[4]。

為使研磨塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車輪踏面的均勻磨損和匹配，設(shè)計(jì)了踏面清掃裝置安裝座，在保證不偏磨的情況下，實(shí)現(xiàn)研磨塊完全覆蓋車輪踏面滾動(dòng)接觸圓處，并且不會(huì)對(duì)車輪踏面輪緣產(chǎn)生任何影響，如圖3所示。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)踏面清掃裝置動(dòng)作模式的可控性，設(shè)計(jì)了如圖4所示的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)踏面清掃裝置進(jìn)風(fēng)壓力、動(dòng)作次數(shù)、動(dòng)作節(jié)拍的調(diào)節(jié)。

圖3 踏面清掃裝置圖4 控制系統(tǒng)

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案

為掌握輪軸臺(tái)車輪異常磨耗的變化規(guī)律，確定研磨塊對(duì)輪軸臺(tái)車輪異常磨耗的改善效果，開展了輪軸臺(tái)車輪多邊形、振動(dòng)和噪音的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)方案主要分為下述兩個(gè)階段：(1)不施加研磨子，跟蹤輪軸臺(tái)和研磨塊狀態(tài)；(2)施加研磨子，跟蹤輪軸臺(tái)和研磨塊狀態(tài)。

由于車輪多邊形磨耗將直接影響軸箱振動(dòng)，試驗(yàn)中采取單軸加速度傳感器，全程捕捉試驗(yàn)臺(tái)軸箱振動(dòng)。考慮到輪軌間劇烈振動(dòng)將輻射噪音，試驗(yàn)中在試驗(yàn)臺(tái)四角(距離輪軌約1 m)安裝了聲壓探頭，通過(guò)NI數(shù)采系統(tǒng)全程捕捉試驗(yàn)臺(tái)噪音變化。同時(shí)，間隔對(duì)車輪多邊形、車輪廓形和研磨子磨耗進(jìn)行測(cè)試分析。

試驗(yàn)過(guò)程中車輪線速度保持在160 km/h，踏面清掃裝置進(jìn)風(fēng)壓力保持在0.5 MPa，動(dòng)作模式為間歇式動(dòng)作。

3.2 軸箱振動(dòng)

試驗(yàn)階段一和階段二過(guò)程中左、右軸箱垂向振動(dòng)加速度的變化情況如圖5所示。

未施加踏面清掃裝置時(shí)，隨著試驗(yàn)臺(tái)跑合公里數(shù)的增加，右軸箱垂向振動(dòng)加速度急劇增加，跑合約450 km時(shí)，右軸箱振動(dòng)加速度達(dá)24.2 m/s2(見表1)。左軸箱垂向振動(dòng)初始時(shí)未有明顯變化，當(dāng)跑合約390 km時(shí)，振動(dòng)開始逐漸增加，跑合約450 km時(shí)，左軸箱振動(dòng)加速度達(dá)24.2 m/s2。這是由于車輪和軌道輪持續(xù)作用，車輪沿周向方向發(fā)生一定磨損，磨損處輪軌作用激烈，導(dǎo)致軸箱振動(dòng)加大。

施加踏面清掃裝置后，隨著研磨塊的研磨，對(duì)車輪踏面進(jìn)行持續(xù)“拋光”作用，左、右軸箱振動(dòng)有明顯下降趨勢(shì)，踏面清掃施加約390 km后，右軸箱振動(dòng)加速度下降約1.3 m/s2，左軸箱振動(dòng)加速度下降約2.93 m/s2，降幅約11.5%。

圖5 左、右軸箱垂向振動(dòng)曲線

表1 左、右軸箱垂向振動(dòng)加速度/(m·s-1)

3.3 噪音

試驗(yàn)階段一和階段二過(guò)程中輪軌附近噪音變化情況如圖6所示。對(duì)比施加踏面清掃裝置前后，S和W處噪音值有明顯下降趨勢(shì)，約降低0.35 dBA，考慮到T和W處靠近墻體和護(hù)欄，其噪音值波動(dòng)較大。表2為每個(gè)階段最終噪音值，施加踏面清掃裝置一段時(shí)間后，4個(gè)方向噪音值均有所下降。

圖6 4個(gè)方位噪音變化曲線

表2 4個(gè)方位噪音均值/dBA

3.4 車輪多邊形

初始和每個(gè)階段結(jié)束后，均采用接觸式車輪粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)試車輪周向多邊形磨耗、采用接觸式車輪廓形測(cè)量?jī)x測(cè)試車輪橫向踏面磨耗，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖片如圖7所示。

圖7 車輪不圓和廓形測(cè)量示意圖

未施加踏面清掃裝置，試驗(yàn)臺(tái)跑合一段時(shí)間后，車輪表現(xiàn)為明顯的31階多邊形，車輪多邊形狀態(tài)如圖8極坐標(biāo)所示。

圖8 右、左車輪狀態(tài)極坐標(biāo)表示

如圖9所示，以測(cè)量右車輪為例，試驗(yàn)一階段結(jié)束后，車輪31階多邊形dB值從14.4 dB上升至16.2 dB，當(dāng)施加踏面清掃裝置一段時(shí)間后，車輪31階多邊形dB值降至13.28 dB，降幅達(dá)18.4%，直接表現(xiàn)為輪軸右軸箱垂向加速度振動(dòng)減弱。

圖9 采用階次表示的右車輪多邊形情況

表3 右車輪狀態(tài)

3.5 車輪踏面磨耗

將所測(cè)車輪廓形與標(biāo)準(zhǔn)LM車輪踏面廓形進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算其滾動(dòng)圓處的車輪磨耗，結(jié)果如表4所示。研磨子通過(guò)硬質(zhì)顆粒物的摩擦作用對(duì)車輪踏面產(chǎn)生輕量磨損，增加車輪踏面的磨耗量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪多邊形峰值點(diǎn)的消除，降低車輪多邊形粗糙度幅值或抑制車輪多邊形的發(fā)展。該種研磨子在本次試驗(yàn)工況下每1 000 km持續(xù)作用對(duì)車輪踏面的磨耗量約為0.052 mm，實(shí)際車輪磨耗量如表4所示。

表4 車輪踏面磨耗狀態(tài) /mm

研磨子可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪踏面的均勻磨損，避免車輪踏面出現(xiàn)凹坑形磨耗，改善輪軌等效錐度，保證車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的平穩(wěn)性。施加踏面清掃后，車輪和標(biāo)準(zhǔn)60 N鋼軌的接觸點(diǎn)對(duì)圖如圖10所示，輪軌接觸狀態(tài)良好，如圖11所示，輪對(duì)等效錐度未見明顯變化。

圖10 右、左車輪與軌道接觸點(diǎn)對(duì)圖

圖11 等效錐度

4 總結(jié)

本文基于輪軸試驗(yàn)臺(tái)跑合過(guò)程中出現(xiàn)的車輪多邊形磨耗、異常振動(dòng)和噪音等問(wèn)題，提出了基于踏面清掃裝置的解決措施，針對(duì)振動(dòng)、噪音、車輪多邊形和踏面磨耗等關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)開展了對(duì)比研究性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)踏面清掃裝置可有效抑制輪軸臺(tái)車輪多邊形的發(fā)展；(2)踏面清掃裝置通過(guò)消除或抑制車輪多邊形的發(fā)展可有效降低軸箱異常振動(dòng)及輻射噪音；(3)踏面清掃裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪踏面的均勻磨損，抑制輪對(duì)等效錐度的增長(zhǎng)。