地鐵車輪失圓原因分析及鏇修策略分析

摘要：為提升整個地鐵運行質量與效率，本文分析了地鐵車輪失圓原因分析和鏇修策略。通過實踐調查與模擬分析的方式論述地鐵車輪失圓主要原因，并通過車輛系統動力學模型、結合動力學性能評價提出相應車輪失圓鏇修策略。結果表明，P2共振是車輪5～8邊形主要成因，采取的鏇修策略如下：在同軸輪徑差為1mm條件下，車輛行駛5.3萬km時控制車輛調頭；在同軸輪差為2mm條件下，車輛行駛10.5萬km時對車輛進行檢查，針對具體情況合理選擇29.5mm、30mm、31mm或31.5mm的輪緣厚度進行鏇修處理。本文通過上述策略為地鐵車輛安全、穩定運行提供支持，對保障地鐵車輛安全、穩定運行具有重要的價值。

關鍵詞：地鐵；車輪；失圓；鏇修

中圖分類號：U231""""""""" 文獻標志碼：A

地鐵是現代城市交通的重要組成部分，直接關系到城市居民的生活與社會發展。然而大量實踐研究表明，在地鐵運行過程中，地鐵車輪很容易出現各種問題，失圓是較常見的一種，會影響地鐵車輛的安全、穩定運行。因此，相關部門應對地鐵車輪失圓問題予以高度重視，針對失圓問題的主要原因制定出科學、合理的鏇修策略方案，以加強車輪失圓問題防治。基于此，本文研究了地鐵車輪失圓原因分析和鏇修策略，對進一步提升地鐵車輛運行的安全性與穩定性具有重要意義。

1地鐵車輪失圓原因分析

1.1車輪不圓度通過頻率

為了準確了解地鐵車輪失圓的主要原因，本文分析了車輪不圓度通過頻率。所研究地鐵列車為ATO模式，車輛運行速度為0km/h～75km/h，其中，速度在60km/h以上的時間段較多，占整個車輛行駛時間的66.4%左右。車輪的半徑為420mm，5～8階多邊形的波長（λ）處于0.33mm～0.53mm。由此可以計算出該車輪的不圓度通過頻率f，如公式（1）所示。

f=v（1）

式中：v為最高速與速度為60km/h的差值。

由計算可知，f為30Hz～63Hz。以此為基礎，找出與f相差較小的車輪固有頻率，從而確定車輪失圓的主要原因。

1.2輪對模態分析

為了了解車輪的固有頻率特點，本文采用模態分析方式，對地鐵動車與拖車輪對進行模擬分析，以此確定不同模態條件下車輪的固有頻率。觀察輪對實際情況可發現，拖車輪對結構比動車輪對更復雜，多出1個輪齒與齒輪箱。構建車輛模型時，通過剛性連接方式，將輪對與軸向連接到一起，忽略其他模塊間的相互作用。構建車輛模型后，在輪對軸向方面，將網格劃分模式設置成“8節點6面體”；在齒輪與齒輪箱方面，將網格劃分模式設置成“4節點4面體”，并將整個模型設置成自由邊界，并通過ANSYS軟件對車輛模型進行模擬分析[1]。結果顯示，在一階模態條件下，動車輪對的扭轉頻率為74.7Hz，拖車輪對的扭轉頻率為80.4Hz，動車輪對彎曲共振頻率為84.3Hz，拖車輪對彎曲共振頻率為81.6Hz。以此為基礎，與上述計算出來的f值進行比較，可以發現模態分析結果與f值存在較大差異，表明地鐵車輛運行時，在彎曲工作作用下，基本不會出現車輪失圓問題。

1.3軌道振動測試

現代地下鐵路領域共有5種軌道形式，分別為普通扣件軌道（A類型），豎直靜態剛度為40kN/mm左右；雙層非線性減振扣件軌道（B類型），豎直靜態剛度為8～14kN/mm；中量級鋼彈簧浮置板軌道（C類型）；重量級鋼彈簧浮置板軌道（D類型）；減振墊浮置板軌道（E類型）。其中，E類型軌道較稀少，在軌道中的比例只有2.5%左右，因此可省略該類型軌道[2]。進一步觀察4種常見類型軌道，可以發現，軌道運行時表面出現的波磨非常小，基本可以忽略不計。將軌道軌枕上部與跨中區域作為測點，對軌道進行敲擊試驗，確定出不同類型軌道的頻響函數。鑒于篇幅有限，在此省略模擬分析結果（下同）。由模擬分析可知，對于A類型鋼軌，測點在跨中鋼軌區域，處于一階條件下時，共振頻率約為204Hz。說明軌道使用過程中，鋼軌、軌枕與軌道板的振動形式基本一致。從豎直pinned-pinned共振頻率角度來看，試驗結果約為1100Hz，這種情況下，軌枕處的振動波長與2個軌枕間距基本相同，節點在軌枕區域。其他3種類型軌道的頻響函數基本一致，但共振頻率存在一定差異。由此表明，在軌道結構方面，共振頻率與輪對的f值差異較大，因而出現車輪失圓問題的概率并不高。

1.4車輛振動測試

以上述4種類型軌道為例，對列車在不同軌道條件下行駛時的軸箱豎直振動加速度進行時頻分析與頻譜分析。進行時頻分析時，振動加速度頻率為0Hz～800Hz，列車行駛速度為60km/h～75km/h。由分析結果可知，軌道形式的不同對加速度的頻率基本無明顯影響，結果數值相差不大，主要為50Hz～80Hz。由頻譜分析結果可知，采用A類型軌道時，車輛的振動加速度頻率約為64Hz；采用B類型軌道時，加速度頻率約為53Hz；采用C類型軌道時，加速度頻率為58Hz～66Hz；采用D類型軌道時，加速度頻率則為66Hz。由此可以發現，不論采用哪種類型軌道，車輛振動頻率與f值的差異均不大，表明車輛共振是導致地鐵車輪失圓的主要原因。

2地鐵車輪失圓的鏇修策略

2.1車輛系統動力學模型構建

為了設計出最佳鏇修策略，應對地鐵車系統的動力學特點進行模擬分析。模擬分析過程中，本文以SIMPACK軟件為主要工具，構建出地鐵車輛的有限元模型。構建模型時，先對車輛進行簡化，去除車輛中座椅、電氣設備等對車輛動力學特性影響較小的部件，將整個車輛簡化成含有1個車體、2個構架和4個輪對的模型。構建轉向架模型時，選擇“H”形焊接結構，其中一系為疊層橡膠彈簧，二系為大撓度高柔性空氣彈簧。同時，結構中還包括減振器等部件。進而本文以一系彈簧為媒介，將輪對與轉向架固定到一起，以二系空氣彈簧為媒介，將車體與構件固定到一起。此外，為了降低研究難度，還應考慮下述3個方面：將整個車輛均看成鋼體結構；忽略車輛行駛中產生的彈性變形；忽略其他因素對輪軌接觸的影響，將二者看成非線性接觸等[3]。并以此為基礎，在SIMPACK軟件中分別設置相應參數，其中部分主要參數見表1，使軟件自動構建出車輛系統的動力學模型，如圖1所示。

2.2動力學性能評價分析

2.2.1評價指標選擇

進行軌道車輛動力學性能評價時，一般選擇2個指標，具體如下所示。

第一，平穩性。平穩性用于評價車輛行駛質量，車輛穩定性越好，車輛行駛質量越高，內部人員舒適性越好。對車輛平穩性進行評價的主要公式[4]如公式（2）所示。

式中：a為車輪的振動加速度；f為振動的頻率；F（f）為修正系數，可通過人類對振動頻率的敏感性與相關資料查詢獲得。

計算出車輛的平穩性后，通過查詢Sperling評價等級，確定車輛的平穩性等級。其中，車輛W值在2.5以下、機車W值在2.75以下為1級，表明車輛平穩性優秀；車輛W值在2.5～2.75、機車W值在2.75～3. 10為2級，表明車輛穩定性良好；車輛W值在2.75～3.0、機車W值在3.10～3.45為3級，表明車輛穩定性合格。

第二，安全性。安全性用于評價地鐵車輛行駛過程中是否出現安全事故，是評價地鐵車輛動力學性能的重要指標之一。目前，進行地鐵車輛安全性評價時主要考慮2個方面：一是脫軌系數，主要通過水平力與豎向力的比值來計算，記作Q/P，根據計算結果，將脫軌系數劃分成2個等級，分別為合格（≤0.9）與良好（≤0.8）；二是輪重減載率，即在水平力非常小的工況下，由一側車輪減載導致車輛脫軌的概率計算如公式（3）所示[5]。

（3）

式中：ΔP為輪對的減載量；P為兩側輪對豎向力的均值；P2與P1均為某一側輪對的豎向力。

根據計算結果，將減載率劃分成2個等級，分別為合格（≤0.62）與良好（≤0.60）。

2.2.2車輛動力學性能評價結果

以圖2所示模型為基礎，分別模擬分析車輛動力學性能水平。由模擬分析結果可知，在平穩性方面，行駛里程為20萬km范圍內時，車輛平穩性為1.7左右，屬于Sperling評價等級中的1級，即車輛平穩性優秀。與此同時，通過對車輛進行實際檢測能夠發現，車輛平穩性為1.5～2. 1，雖然存在較大波動，但整體與模擬分析結果相差并不大，均處于Sperling評價等級中的1級范圍內，表明模擬分析結果是準確的，可作為車輛平穩性的分析結果。在脫軌系數方面，行駛里程為20萬km范圍內時，隨著車輛行駛里程數不斷提升，車輛脫軌系數基本無明顯改變，均處于0.15～0.43，遠低于0.8，表明車輛安全性良好，在安全限值范圍內。在減載率方面，行駛里程為20萬km范圍內時，隨著車輛里程數不斷提升，減載率也基本無明顯變化，在0.19～0.22小幅變化，表明車輛安全性良好，在安全限值范圍內。

2.3鏇修策略制定

根據上述分析結果可知，地鐵車輛行駛20萬km范圍內時，車輛動力學特性基本保持良好，因此以20萬km為一個周期，定期對地鐵車輛進行鏇修處理，即可使車輛安全、平穩運行。

2.3.1車輛調頭與車輪鏇修周期確定

由實踐工作經驗可知，由于車輛未調頭行駛，因此會導致車輛車輪出現磨損，使車輪失圓，從而影響車輛的正常運行。為了提升車輛運行效果，則應注重車輛調頭與車輪鏇修周期的制定。通過對鏇修處理前、后車輛行駛狀況進行整理與分析，可得如圖2所示的結果。由圖2可知，車輪鏇修前、后，隨著車輛里程數增加，兩側輪徑差呈逐漸上升的趨勢，相對于鏇修前，鏇修后的輪徑差上升幅度更顯著。行駛里程達到5.3萬km時，輪徑差超過1.0mm，應控制車輛調頭行駛。當車輛行駛里程達到10.5萬km時，輪徑差超過2.0mm，超過車輛安全行駛規定要求，因此需要對車輪進行鏇修處理。但需要注意的是，由于車輪所處位置與轉動速度并不相同，使車輪的磨耗水平存在一定差異，因此在實際中應以2個月為周期，定期對車輪磨耗水平進行檢查，以及時發現車輪失圓問題，提升車輛運行的安全性與平穩性。

2.3.2輪對鏇修模版自動匹配

由相關資料可知，我國地鐵車輛車輪共有9種薄輪緣踏面外形，其中常見的有4種，分別為LM-29.5、LM-30、LM-31和LM-31.5，因此本文研究中僅將這4種的車輪作為鏇修模版，對輪對鏇修模版自動匹配進行分析。為了快速選擇最佳的鏇修模版，本文設計了一種地鐵輪對鏇修模版自動匹配程序。該程序先對輪對踏面外形進行檢測，進行初步處理后，將其作為鏇修模版匹配的主要參數。再將這些參數錄入匹配程序，即可針對輪對具體情況選擇最佳鏇修模版，在保證兩側輪徑差在0.5mm范圍內的同時，控制鏇修切削量，提升車輪的使用黏性，降低車輛運維成本。

3應用分析

以某地鐵為例，根據上述鏇修策略處理地鐵車輪失圓問題，以驗證上述鏇修策略是否合理。通過應用分析可以得到如圖3所示的結果。由圖3可知，未采用上述鏇修策略前，車輛行駛80萬km左右時即可達到使用壽命限值；采用上述鏇修策略后，車輛行駛190萬km左右時才達到使用壽命限值，遠高于未采用鏇修策略前。表明上述鏇修策略是合理的，有利于提升地鐵車輛行駛安全性、穩定性與壽命，對地鐵系統的運行具有重要意義。

4結語

綜上所述，分析了地鐵車輪失圓原因，并介紹了一種車輪失圓問題的鏇修策略，通過該鏇修策略的應用，可以在投入較低成本的同時，有效解決車輪失圓問題，顯著提升車輪的行駛里程數，為整個地鐵系統安全、穩定的運行提供支持。

參考文獻

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[2]鄧磊鑫，謝清林，陶功權，等. 基于軸箱振動與動力學模型驅動的高速列車車輪失圓狀態識別方法[J]. 機械工程學報，2023，59（3）：110-121.

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