地鐵車輛輪對多邊形形成原因及處理方式探析

羅超勇 陳 博 程 兵

武漢地鐵運營有限公司 湖北武漢 430000

1 輪對多邊形介紹及其危害

輪對多邊形是指軌道列車車輪踏面沿圓周方向出現的規則波浪形磨耗，通常來說就是車輪失圓，車輪沿圓周方向的極坐標圖能夠反映車輪的多邊形狀態，分為1階不圓表現為偏心、2階不圓表現為橢圓、3階不圓表現為三角形、4階不圓表現為四邊形，根據車輪磨耗情況依次類推為更高階多邊形，詳見圖1。

圖1 車輪多邊形形態

輪對多邊形已成為地鐵列車常見的車輪問題之一，如不能有效控制，會導致車輛在運行過程中出現異常振動和噪聲，多邊形階數越高，輪軌垂向力越大，噪聲越明顯，速度越快，輪軌垂向力越大，噪聲越明顯，進而給乘客帶來不適的乘車體驗，更為嚴重的是因輪對多邊形引起的振動沖擊會導致列車各系統部件受到疲勞損傷，進而影響列車壽命，增大車輛維護成本[1-2]。因此，為了提高乘客的乘坐舒適性，降低車輛的維護成本，本文在總結行業內對輪對多邊形問題的研究基礎上，對輪對多邊形的可能形成原因進行了歸納，對輪對多邊形的抑制或消除措施進行探討。

2 輪對多邊形原因

2.1 輪對情況

地鐵列車F04在正線運行時，隨車機械工程師發現車輛存在明顯抖動現象，并伴隨有規律的異響聲，列車回庫后檢查發現3車2軸的車輪存在明顯的多邊形磨耗，測量輪對多邊形的波長在120～140mm之間，磨耗深度在0.15～0.24mm之間，輪對多邊形如圖2所示。

圖2 輪對多邊形實物圖

結合列車裝備的走行部診斷系統數據信息，可以看出該輪對的振動單樣本存在失圓現象，輪對失圓特征波形明顯，詳見圖3。

圖3 輪對多邊形失圓信息波形圖

2.2 原因分析

為了探尋輪對多邊形的產生機理，更好地解決這一問題，查閱了大量文獻資料，對輪對多邊形可能的形成原因進行了歸納，主要有如下觀點：

(1)車輪多邊形化是由車輪滾動多周的規則振動所形成的[3]。

(2)摩擦自激振動是導致列車車輪多邊形的重要原因，當高速列車在運行過程中調速制動時，極易造成輪軌間的蠕滑力飽和，進而引起輪軌摩擦自激振動[4]。

(3)車輪硬度偏低和車輪圓周方向硬度不均是多邊形產生和發展的主要影響因素[5]。

(4)線路不平順對輪對多邊形的產生也有積極影響[6]。

(5)車輪在垂向方向的振動頻率與直線電機垂向固有頻率接近時會導致輪對與電機發生共振，進一步加劇了車輪多邊形惡化[7]。

(6)車輛運行時，激勵輪對的一階彎曲共振是導致車輪多邊形磨損的主要原因[8]。

從以上觀點可知，輪對多邊形的產生原因是多方面的，是一個極度復雜的問題，目前還未有統一的定論。結合文獻資料，本文對地鐵車輛輪對多邊形可能的形成原因進行了如下求證工作。

(1)對多邊形輪對進行硬度測試，聯系專業檢測機構對產生多邊形磨耗的輪對進行硬度檢測，檢測結果表明輪對硬度值介于289～305HB之間，均在標準范圍內(標準值：265～311HB)，可以排除車輪硬度偏低造成多邊形磨耗的可能，檢測方式見圖4。

圖4 輪對硬度檢測

(2)前期列車在制動時存在沖擊率較大的情況，考慮到乘客的乘坐舒適性，已對列車的牽引制動程序進行優化，降低列車的沖擊率，可以排除輪軌摩擦自激振動造成多邊形磨耗的可能。

(3)對輪對進行模態分析，得出動車輪對的彎曲固有振動頻率為97Hz，托車輪對的彎曲固有振動頻率為96Hz，如圖5所示，而電機的固有振動頻率為70Hz，二者相差較大，可以排除輪對與電機共振的影響。

圖5 輪對模態分析

(4)為了探究輪對多邊形與軌道的關系，實地踏勘正線區間，發現在小半徑曲線區間的軌道存在波磨現象，在直線段軌道未發現軌道波磨，經現場測量，軌道波磨與輪對多邊形波長基本吻合，波長在130mm左右，如圖6所示。通過列車走行部診斷系統檢測到琴臺至武勝路小半徑曲線區間頻譜瀑布圖，根據公里標信息、行車速度信息、振動頻率分布與振動幅值強度共同繪圖，可以發現該區段存在明顯的波磨特征，詳見圖7。

圖6 琴臺至武勝路小半徑曲線段軌道波磨情況

圖7 琴臺至武勝路軌道頻譜瀑布圖

經以上調查，可以初步判定武漢6號線輪對多邊形的產生與正線軌道有密切關系，特別是列車通過小半徑曲線線路時，在輪軌力的作用下，車輪和鋼軌均出現了異常磨耗，時間越長，影響越明顯，可以認定是導致鋼軌波磨與輪對多邊形產生的主要原因。

3 處理方式

3.1 抑制措施

通過前文對輪對多邊形產生原因的分析，結合實際經驗，要有效抑制輪對多邊形的產生，筆者認為應從以下幾方面著手。

(1)在新線設計時，應盡量減少正線軌道線路的小半徑曲線設計，降低軌道線路不平順帶來的影響，優化列車運行的線路條件。

(2)合理控制車輪輪緣潤滑系統，保證列車過彎時輪軌之間的潤滑效果，避免輪軌間發生異常磨損，提高列車的曲線通過性能。

(3)優化信號系統控制邏輯設計，減少車輛在運行過程中的非必要制動，降低輪對因輪軌摩擦自激振動而產生多邊形的概率。

(4)車輛設備選型時，將牽引電動機的垂向振動頻率與輪對的彎曲固有振動頻率錯開，避免二者產生共振。

(5)在輪對生產時，提高輪對硬度，硬度越高，產生多邊形磨耗的可能性越低，并使其在圓周方向的硬度均勻。

(6)定期對輪對進行檢測，及時掌握輪對的狀態，有條件情況下可以加裝走行部診斷裝置，可對輪對的狀態進行實時監控，一有輪對多邊形磨耗趨勢，立即安排鏇修。

3.2 修復措施

如輪對多邊形磨耗已經初步顯現或已發生，應從以下兩方面開展修復工作。

(1)對產生輪對多邊形的輪對采取立即鏇輪，要測量多邊形磨耗的深度，確定好鏇修方案，輪對修復要徹底，鏇修時嚴格把控質量，確保鏇修精度，并定期進行復測，加大鏇輪頻次。

(2)優化線路條件，定期進行軌道維護，對存在軌道波磨或其他病害的線路進行鋼軌打磨，優化軌道接縫，消除軌道波磨、三角坑等病害，確保軌道超高、軌距等參數正常。

3.3 效果跟蹤

通過采取以上措施，經過一年多的跟蹤觀察，之前產生過輪對多邊形的車輪均未再次發生輪對多邊形現象，其他正常輪對亦未產生輪對多邊形現象。

結語

車輛在運用時應及時關注輪對的狀態，加大檢修力度，提高輪對的鏇修頻次及鏇輪驗收標準，同時加強線路鋼軌的檢修與維護，及時消除軌道病害，可有效抑制輪對多邊形的產生。