地鐵車輪不圓度控制方案分析

李哲豪

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安 710043)

車輪不圓度是指列車在運行過程中,由于車輪所受的非均勻磨耗而造成的車輪多邊形現象。車輪的多邊形現象會導致輪軌接觸過程中出現異常振動[1],異常振動又會使車輪非均勻磨耗加劇,最終,輕則導致列車運行時乘客的乘坐舒適度下降,重則導致列車脫軌,危及乘客生命安全。隨著城市人口不斷增長,地鐵憑借其超高的運量及較高的運營速度,逐漸成為市民出行的主要交通工具,與此同時,車輛振動問題也引起了越來越多的關注,為抑制車輛的異常振動現象,對地鐵車輪不圓度進行控制迫在眉睫[2]。

車輪不圓度的階次表示車輪多邊形的數量,車輪1階不圓度指車輪出現偏心,2階不圓度指車輪出現橢圓,以此類推[3],車輪不圓度階次越高,對應車輪多邊形的邊數越多。本文針對車輪的5～7階不圓度現象,采用“兩刀鏇”方案進行控制,跟蹤測試結果顯示,該控制方案效果良好,為地鐵實際運行時的車輪不圓度控制提供了參考依據[4]。

1 車輛異常振動原因分析

1.1 車輛振動測試及分析

為探究車輛異常振動原因,鏇修前,在車輛的軸箱位置處安裝振動加速度傳感器,測量軸箱振動加速度,傳感器量程±50g。測試過程中,車輛啟動加速至70 km/h,并在勻速行駛一段時間后,減速至停止。在這一過程中,采集軸箱的垂向振動加速度數據,并對采集的振動加速度進行時頻特性分析,即將采集的時域數據按時間區間(時間區間長度取1 s)分成多段,分別對各段數據做傅里葉變換。為防止能量泄漏,在進行傅里葉變換前,對時間信號施加漢寧窗。傅里葉變換后,將加速度在頻域下的幅值乘以幅值修正因子2,最終得到各時間段的振動加速度的頻域數據。將時間和頻率繪制在二維坐標系內,并以色標表示加速度幅值大小,得到如圖1所示的振動加速度時頻特性云圖[5]。軸箱的振動加速度峰值頻率隨時間歷程呈現出增大—保持—減小的趨勢,而試驗車輛沿時間歷程的車速也呈現加速—勻速—減速的趨勢,這表明軸箱振動包含隨車速變化的車輪轉頻成分,車輛異常振動現象是由車輪多階不圓度造成的。

圖1 鏇修前軸箱振動加速度時頻特性

軸箱的振動加速度峰值頻率f與車輪不圓度階次、車輛運行速度和車輪直徑有關,其計算公式為[6]:

(1)

式中:v為車速,km/h;n為車輪不圓度階次;d為車輪直徑,mm。

當列車以70 km/h的速度勻速行駛時,軸箱的振動加速度在35、45、52 Hz頻率處存在峰值。由式(1)可以計算出這些頻率所對應的車輪不圓度階次為5～7階(車輪直徑為840 mm)。

1.2 車輪不圓度測試及分析

利用車輪粗糙度測試儀對軸箱下方的左右兩個車輪進行不圓度測試,傳感器測試精度為0.1 μm,采集間距為1 mm(車輪每轉過1 mm,測試儀采集一個數據點),測試時車輛需處于制動緩解狀態,使用千斤頂同時抬起一個輪對的兩個車輪,并保證兩個車輪抬升高度一致,傳感器與車輪接觸位置位于車輪的名義滾動圓處(距輪緣70 mm處),將一磁座吸附于車輪輪緣位置,測試儀磁感裝置第一次掃過磁座時,測量開始,第二次掃過磁座時,測量結束,以此記錄車輪旋轉一周的不圓度數據。

將車輪不圓度數據直觀地表示在極坐標下,如圖2所示,在車輪不圓度幅值圖上,規定測量起始位置的不圓度幅值為0 μm,測量位置的半徑大于起始位置時不圓度幅值標為正值,小于起始位置時坐標為負值。由圖可以看出,左右兩個車輪的車輪徑跳均較大,左輪為459.7 μm,右輪為 338.9 μm,并且左輪存在明顯的六邊形,右輪存在明顯的五邊形,車輪狀況惡劣[7]。

圖2 鏇修前車輪不圓度幅值圖

為更準確地判斷車輪不圓度階次,通過希爾伯特-黃變換,同時參考輪軌接觸濾波[8],將車輪不圓度數據換算到波數域上,得到如圖3所示的車輪不圓度階次圖,圖中縱坐標用對數形式來表示車輪的不圓度幅值,參考值取1 μm。

圖3 鏇修前車輪不圓度階次圖

由圖可以看出左輪和右輪5～7階不圓度階次的幅值較大,這與軸箱振動測試結果相符,故針對車輪的不圓度問題,提出了“兩刀鏇”的控制方案[9],試圖通過增大鏇修深度消除車輪的5～7階不圓度現象。

1.3 二次鏇修車輛測試分析

對二次鏇修后的車輛,進行相同工況下相同軸箱位置處的振動加速度對比測試。對軸箱測點處采集到的振動加速度進行時頻特性分析,得到如圖4所示的振動加速度時頻特性云圖,為了方便與鏇輪前的振動加速度時頻特性云圖進行對比,云圖的色標采用相同的量程(0～20 m/s2)。結果表明,軸箱的振動加速度在35、45、52 Hz頻率處的幅值較鏇輪前明顯下降。觀察圖5所示的車輪不圓度階次圖,發現車輪的5～7階不圓度幅值明顯下降,這表明通過對車輪的二次鏇修,有效地抑制了車輪的5～7階不圓度現象,從而抑制了車輛的異常振動現象[10]。

圖4 鏇修后軸箱振動加速度時頻特性

圖5 鏇修后車輪不圓度階次圖

2 鏇修后車輛跟蹤測試及對比

為了驗證二次鏇修控制方案的效果,對二次鏇修車輛(記為A車)的車輪進行了車輪不圓度的跟蹤測試,并與B車和C車的車輪不圓度數據進行對比。其中B車僅進行了一次鏇修,并且在每次進出車庫時司機均會采用緊急制動的措施,即每次車輛進出車庫時都通過閘瓦磨削車輪踏面來實現對車輪的打磨調整。C車僅進行了一次鏇修,不作其他處理。6次跟蹤測試車輛運行的里程數見表1。由表可知,第3次試驗中A車和C車的鏇修后運行里程和第4次試驗中B車的鏇修后運行里程均達到了45 000 km左右,因此選擇第3次試驗A車和C車的車輪不圓度數據,以及第4次試驗B車的車輪不圓度數據作為對比數據。為了更好地驗證“兩刀鏇”的效果,車輪不圓度的分析對象從所測軸箱下方的左右兩個車輪擴展到整節車輛全部的8個輪子。

表1 跟蹤測試車輛運行里程表

表2為A、B、C三車車輪徑跳數據的統計表,由表可以看出,A車和B車的整體車輪徑跳水平相當,范圍為50～300 μm,C車整體車輪徑跳水平高于A車和B車,范圍為100～550 μm,可見每次進出車庫時所采用的緊急制動措施有效抑制了車輪徑跳發展。

表2 車輪徑跳數據統計

根據1.1節和1.2節的分析可知,軸箱在35、45、52 Hz頻率處的較高振動能量是由5～7階車輪不圓度導致的,車輛異常振動現象與5～7階車輪不圓度有關,圖6～圖8列出了三車5～7階車輪不圓度幅值的對比情況,由圖可以看出,A車8個車輪5～7階不圓度的幅值圖線整體上位于B車和C車的下方,這也表明A車5～7階車輪不圓度的幅值整體上小于B車和C車,結合前一章的分析內容可知,A車所采用的“兩刀鏇”方案可以保證車輛在更長的運行里程中保持較好的運行品質。

圖6 第5階不圓度幅值對比

圖7 第6階不圓度幅值對比

圖8 第7階不圓度幅值對比

綜合比較三車車輪徑跳水平和5～7階車輪不圓度幅值的計算結果發現,在進出車庫時采用緊急制動措施雖然能抑制車輪徑跳的發展,但是無法有效抑制車輪5～7階不圓度的發展,“兩刀鏇”方案的控制效果最優。

3 結論

本文探討了車輛異常振動問題與車輪不圓度現象之間的關系,并有針對性地跟蹤研究了不同控制方案的控制效果,研究結果表明:

1)車輛在運行過程中出現的異常振動現象主要是由車輪的第5～7階車輪不圓度造成的,針對該問題所采用的“兩刀鏇”的控制方案,在鏇輪初期大幅削減了第5～7階車輪不圓度的幅值,也有效抑制了車輛的異常振動。

2)緊急制動措施在一定程度上可以抑制車輪徑跳的發展,但無法有效抑制車輪5～7階不圓度的發展,而“兩刀鏇”的控制方案在抑制車輪徑跳發展的同時,有效地抑制了車輪5～7階不圓度的發展,從而保證車輛在更長的運行里程中能保持良好的運行品質。