（1．中車長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長春；2．西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，610031，成都∥第一作者，助理工程師）

高速列車車輪非圓化與振動噪聲關系跟蹤試驗研究＊

韓光旭1宋春元1李國棟1金學松2

（1．中車長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長春；2．西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，610031，成都∥第一作者，助理工程師）

選定某型號新運營的高速列車進行長期跟蹤試驗，研究不同運行時期內(nèi)，車輪非圓化與振動噪聲的發(fā)展變化規(guī)律及兩者間的相互影響關系。研究發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的車輪鏇修加工手段，不能完全消除車輪非圓化磨耗的再次形成和發(fā)展，鏇修后車輪會繼承部分或者全部鏇修前的非圓化特性；部分初始無高階非圓化特性的車輪，鏇修后至列車再運行一定里程時會出現(xiàn)車輪高階非圓化特征，同時期的振動噪聲頻譜會對高階非圓化階次所在的頻率有所反映。在考慮車輪鏇修及車輛固有特性兩種因素下，分析了車輪高階非圓化的可能成因，并提出了緩解車輪高階非圓化、降低車內(nèi)振動噪聲的方法。

高速列車；車輪非圓化；振動噪聲；跟蹤試驗

First－author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

隨著高鐵運營里程及動車組服役數(shù)量的增長，高速列車車輪非圓化問題十分突出。根據(jù)作者前期研究結(jié)果［1－4］，550～630 Hz為高速列車敏感頻帶，若車輪非圓化激擾與這一頻帶重疊，將會引起車輛異常的振動噪聲問題，對高速列車結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅，也影響旅客乘坐舒適性。業(yè)界學者對軌道交通振動噪聲問題做過大量研究［5－6］，但對車輪非圓化和振動噪聲之間的關系研究甚少。

本文以研究二者間作用規(guī)律為目的，對國內(nèi)新上線運營的某型號高速列車車輪多邊形及車輛振動噪聲問題進行長期跟蹤試驗，分析列車車輪表面非圓化特性和車輛振動噪聲特性變化，重點關注他們之間的相互作用關系。

所跟蹤測試的列車承擔正常載客運營任務。根據(jù)現(xiàn)場協(xié)調(diào)安排，為盡量方便開展試驗任務，選擇該型車1、9、10號車廂為測試對象，進行噪聲測試，同步測試9、10號兩個車廂的軸箱和構(gòu)架振動水平，同期還測試了3個車廂的車輪表面狀態(tài)。1、9號車廂為動車，10號車廂為拖車。

圖1為跟蹤測試列車測點位置示意圖，規(guī)定面朝1號車廂行進方向為前，則圖示正面為列車行進方向的左側(cè)，背面為右側(cè)。軸號如圖1所示，左起第3個車輪命名為1號車3軸左側(cè)車輪；9、10號車廂車下振動傳感器安裝區(qū)域與車輪非圓化測試位置相同，用于測試軸箱和構(gòu)架振動。

1 跟蹤測試數(shù)據(jù)分析

試驗測得列車運行里程至10．8萬、15．0萬、18．9萬、24．3萬及33．2萬km時的振動噪聲及車輪非圓化數(shù)據(jù)，列車在運行18．9萬至24．3萬km之間曾進行車輪鏇修作業(yè)。

圖1 跟蹤測試列車測點布置

1．1 噪聲總值的變化

圖2為列車不同運行里程時，1、9、10號車廂風擋區(qū)域噪聲聲壓級總值柱狀圖。虛線為國際鐵路聯(lián)盟（UIC）對300km／h級高速列車風擋區(qū)域的噪聲限值，要求最大聲壓級小于82dB（A）。

試驗結(jié)果表明：新車運行一段時間后，至車輪鏇修公里數(shù)附近，各噪聲測點聲壓級水平隨列車運行公里數(shù)的增加而升高；經(jīng)首次對車輪踏面鏇修后，9、10號車廂本該繼續(xù)升高的噪聲聲壓級變化趨勢得到改變，鏇修后運行公里數(shù)為24．3萬km時的噪聲值小于鏇修前運行公里數(shù)為18．9萬km的噪聲值。

圖2 噪聲聲壓級隨列車運行公里數(shù)的變化

車輪鏇修后，1號車廂噪聲聲壓級水平并沒有降低至鏇修前的水平。由1號車廂整個運行里程內(nèi)噪聲總聲壓級水平分布可知，1號車廂噪聲水平出現(xiàn)異常快速增大的變化規(guī)律，在運行24．3萬至33．2萬km內(nèi)，聲壓級從81．8dB（A）升高至88．1dB（A），變化量超6dB（A），等同于每運行3萬km增加2．1dB（A），增速較10．8萬至18．9萬km期間（近似每運行3萬km增加1．1dB（A））顯著加快。

列車運行24．3萬至33．2萬km期間，3個車廂噪聲水平都出現(xiàn)不同程度增大。以24．0萬km為鏇修時間點，則24．3萬、33．2萬km分別相當于新運行周期中的0．3萬km和9．2萬km。由此可知，鏇修后除1號車廂噪聲水平變化異常外，9、10號車廂在車輪鏇修后的前10萬km內(nèi)，聲壓級增速較緩慢。參考第一個運行周期內(nèi)各車廂聲壓級增速的變化規(guī)律可知，在剔除聲壓級變化異常的1號車廂后，高速列車新運行周期的前10萬km內(nèi)，聲壓級增速緩慢，在運行接近10萬km直至車輪鏇修時，聲壓級增速才開始加快。

1．2 振動總值變化

在9、10號車廂轉(zhuǎn)向架區(qū)域布置振動加速度傳感器，用于測試軸箱和構(gòu)架的振動水平。圖3為兩個車廂軸箱、構(gòu)架振動加速度水平隨列車運行公里數(shù)的變化規(guī)律。

圖3 振動加速度級隨列車運行公里數(shù)的變化

由圖3可知，鏇修前后兩運行周期內(nèi)，兩個車廂的軸箱、構(gòu)架振動加速度總值均隨列車運行公里數(shù)的增加而增大，但構(gòu)架振動加速度級的增速快于軸箱振動加速度級的增速（如圖3中箭頭標記所示的增速趨勢線，構(gòu)架振動增速趨勢線斜率大于軸箱趨勢線）。

車輪鏇修后，9、10號車廂本該繼續(xù)升高的振動加速度級變化趨勢被改變，這與同時期噪聲變化趨勢一致。鏇修后新運行周期0．3（相當于原24．3）萬至9．2（相當于原33．2）萬km期間，對應的軸箱振動加速度增大，9號車廂約為1．4dB／3萬km，10車廂約為0．5dB／3萬km；構(gòu)架振動加速度增大，9號車廂約為1．7dB／3萬km，10號車廂約為0．7 dB／3萬km，鏇修后的9號車廂振動增速較大。

1．3 徑跳變化

圖4為各車廂車輪徑跳值隨列車運行公里數(shù)的變化規(guī)律。柱狀由左至右分別對應1號車廂3軸左輪、3軸右輪、4軸左輪、4軸右輪，9號車廂3軸左輪、3軸右輪、4軸左輪、4軸右輪，10號車廂3軸左輪、3軸右輪、4軸左輪、4軸右輪。因車輪測試受現(xiàn)場停車位置限制或因被遮擋，以下階段的車輪非圓化信息未能測得：15．0萬km時1號車廂3軸與4軸，9號車廂4軸，10號車廂3軸；18．9萬km時的全部車輪；24．3萬km時10號車廂3軸。

圖4 車輪徑跳值隨列車運行公里數(shù)的變化

由圖4可知，前10．8萬km，基本所有車輪都滿足徑跳值小于0．1mm的運用要求。鏇修后0．3（相當于原24．3）萬km時，各輪徑跳值均回歸0．1mm以下，說明鏇修對修復車輪徑跳值大小有顯著作用。9號車廂運行至15．0萬km時，3軸右側(cè)車輪徑跳開始快速發(fā)展，徑跳值由0．101mm升至0．141mm，且鏇修后僅運行9．2（相當于原33．2）萬km，該輪徑跳值就超過運用要求，達到0．157 mm，徑跳值增速加快；鏇修后9．2（相當于原33．2）萬km時，1號車廂4軸左側(cè)車輪徑跳值發(fā)展迅速，徑跳值由0．096mm升至0．754mm，嚴重超出以徑跳值為參考的車輪服役標準。

比較鏇修前后兩個運行周期內(nèi)車輪經(jīng)跳值變化可知，若初始徑跳值小于0．1mm（正常水平），各輪徑跳值將隨運行公里數(shù)緩慢增長或不發(fā)生變化，個別車輪在磨耗后，徑跳值甚至變??；若車輪徑跳值接近0．1mm，則隨著運行公里數(shù)增加，會存在徑跳值繼續(xù)增大的可能，且徑跳值增大速度會加快；經(jīng)車輪鏇修后，雖可使徑跳值超出0．1mm的9號車廂3軸右側(cè)車輪徑跳值恢復至正常水平，但該輪經(jīng)過一段時間運行磨耗后，徑跳值又超出0．1mm的水平，且徑跳值增速加快，影響車輛性能。

受測試現(xiàn)場條件限制，對1號車廂車輪表面狀態(tài)了解甚少，但現(xiàn)有數(shù)據(jù)反映出，鏇修后1號車廂4軸左側(cè)車輪徑跳值出現(xiàn)突變式惡性增長，徑跳值達0．754mm，至此還不能確定產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，需作進一步分析。

2 車輪非圓化與振動噪聲的關系

車輪非圓化與振動噪聲總值上具有對應關系，本文研究二者頻率上的對應關系，重點關注曾出現(xiàn)徑跳值大于0．1mm的9號車廂及鏇修后徑跳值異常增大的1號車廂。

2．1 9號車廂

圖5所示為徑跳值超過0．1mm的9車廂3軸右側(cè)車輪非圓化階次變化狀況。圖5中由“?”構(gòu)成的曲線，是以初始階段測試的非圓化階次第1階粗糙度等級為參考的ISO 3095標準中限值曲線向下平移而得的理想狀態(tài)下的階次分布趨勢曲線，以之衡量不同時期車輪非圓化階次變化的優(yōu)劣。

圖5 9號車廂3軸右輪10．8萬／15．0萬km階次分布

由列車運行10．8萬km和15．0萬km時測得的車輪非圓化階次分布可知，該時期內(nèi)車輪服役狀態(tài)良好，各階次分布均小于ISO 3095標準中的限值。

列車運行公里數(shù)從10．8萬km達到15．0萬km時，該輪各非圓化階次有不同程度增長，使15．0萬km后該輪徑跳值超出0．1mm。因公里數(shù)15．0萬km時新的階次分布曲線基本處在理想趨勢曲線之下，可確定這一時期該輪處于均勻磨耗狀態(tài)，僅個別非圓化階次如第16、17、19階及24階超出理想狀態(tài)下的趨勢曲線。

圖6表明，隨著列車運行公里數(shù)增加，車輪各階非圓化不斷發(fā)展。9號車廂軸箱和構(gòu)架200Hz以上頻率振動幅值出現(xiàn)增長；公里數(shù)至15．0萬km時，572～600Hz處的軸箱和構(gòu)架振動幅值開始升高，這與此時升高的車輪非圓化第19階附近階次相對應（以300km／h車速及920mm車輪直徑為條件計算得出），因此時振動幅值較小，車內(nèi)噪聲在此處雖有對應頻率，卻不顯著。

圖6 9號車廂10．8萬／15．0萬km振動噪聲頻譜分布

圖7為運行公里數(shù)15．0萬至24．3萬km時，測得的車輪非圓化階次分布，期間進行過鏇修作業(yè)。由鏇修前后兩次測試結(jié)果對比可知，鏇修可以對各輪非圓化階次進行修復，但修復的好壞程度并非線性關系，表現(xiàn)為對低階非圓化粗糙度幅值可以進行較大程度修復，但對高階非圓化的修復程度往往具有隨機性。

圖7 9號車廂3軸右輪15．0萬／24．3萬km階次分布

以鏇修后第1階非圓化粗糙度幅值為參考，由理想狀態(tài)非圓化階次分布趨勢曲線可知，本次鏇修作業(yè)的鏇修水平不高，僅對徑跳值大小進行修復，未衡量鏇修后整個頻帶上非圓化階次分布的好壞。鏇修后，最理想的狀態(tài)應是非圓化階次分布變化規(guī)律與ISO 3095標準中的曲線變化趨勢一致，即越偏向高階成分，粗糙度水平應越低，且應保持平滑下降趨勢，但本次鏇修使9號車廂該輪個別非圓化階次成為新的突出峰值階次，如第2、3、6～10、15、16、19、20階及其后更高階成分。

上述結(jié)果表明，現(xiàn)有車輪鏇修手段存在使鏇修后頻域上的非圓化階次惡化的可能性，若鏇修后對徑跳值的修復不佳，或隨著車輪磨耗加深，新被鏇修出的非圓化階次開始“長大”，將使車輛性能惡化。

圖8為鏇修前后，振動噪聲頻譜對比結(jié)果。鏇修后，雖然新出現(xiàn)的非圓化階次與車輛振動噪聲敏感頻帶（550～630Hz）多有重合，會加劇振動噪聲水平，但好在本次鏇修后，對徑跳值的修復較大，且鏇修后各輪非圓化階次分布值距ISO 3095標準中的限值曲線較遠，最終表現(xiàn)為9號車廂在鏇修后，振動噪聲水平有所降低。

圖8 9號車廂15．0萬／24．3萬km振動噪聲頻譜分布

圖9為運行公里數(shù)24．3萬km至33．2萬km時，測得的車輪非圓化階次分布。運行公里數(shù)由24．3萬km增長至33．2萬km時，各非圓化階次有不同程度增長，新被鏇修后的非圓化階次“長大”的現(xiàn)象在該輪上表現(xiàn)并不顯著，測得的非圓化階次分布發(fā)展趨勢比較平緩，僅在非圓化第20階附近及24階處，粗糙度等級即將達到ISO 3095標準中的限值要求。值得注意的是，第20階非圓化在前次鏇修時已被鏇掉，但此時第20階非圓化又迅猛發(fā)展。

圖10為運行公里數(shù)24．3萬km至33．2萬km時，測得的軸箱和構(gòu)架振動及噪聲頻譜結(jié)果。由圖10可知，鏇修后，隨著運行公里數(shù)增加，車輪磨耗不斷增加，尤其該時期車輪第20階非圓化出現(xiàn)快速增長，與之相對應的是在軸箱和構(gòu)架振動頻譜中，600 Hz附近頻率出現(xiàn)顯著峰值。同時，因此時車輪徑跳值超出0．1mm，相對前次試驗結(jié)果，軸箱和構(gòu)架振動大部分頻率呈升高趨勢。對應至噪聲頻譜，相對前次測試結(jié)果，600Hz附近也存在峰值頻率。由此可見，同一測試階段的振動噪聲及非圓化存在頻率上的關聯(lián)性。

圖9 9號車廂3軸右輪24．3萬／33．2萬km階次分布

圖10 9號車廂振動噪聲24．3萬／33．2萬公里頻譜分布

2．2 1號車廂

圖11所示為1號車廂4軸左側(cè)車輪非圓化階次隨列車運行公里數(shù)的分布規(guī)律。運行公里數(shù)10．8萬km時的測試結(jié)果為未經(jīng)鏇修時的首次測試，以之作為車輪的初始狀態(tài)。

由圖11可知，初始狀態(tài)時，1號車廂該輪就存在以第12、13、15、19、20階及更高階次為代表的突出峰值；雖未能測到15．0萬km至18．9萬km時該輪的非圓化結(jié)果，但可由一般規(guī)律預見該輪各非圓化階次粗糙度水平，應是呈現(xiàn)出隨運行公里數(shù)的增長而增大的發(fā)展規(guī)律。同時，也注意到1號車廂該輪在上述突出階次附近的粗糙度等級較高，顯著大于同時期9號車廂3軸右輪的非圓化粗糙度等級，這將會使后期該輪的非圓化粗糙度水平增速超過正常車輪，使1號車廂徑跳值以及振動噪聲等級惡化的時間提前。

圖11 1號車廂4軸左輪10．8萬km階次分布

圖12為同時期測得的1號車廂噪聲頻譜分布，此時噪聲頻譜在600Hz附近已有顯著峰值頻率，與非圓化第19、20階附近階次存在對應關系。

圖12 1號車廂10．8萬km振動噪聲頻譜分布

圖13為運行公里數(shù)24．3萬km時，1號車廂該輪經(jīng)鏇修作業(yè)后首次測試結(jié)果。由圖13可知，鏇修后非圓化階次在第15、19階及第24階附近存在峰值，這些非圓化階次與鏇修前非圓化階次存在對應與繼承的關系；鏇修后僅經(jīng)0．3（相當于原24．3）萬km運行磨耗，1號車廂該輪非圓化階次大小就超過鏇修前累計10．8萬km時的水平，為異?，F(xiàn)象。判斷造成該現(xiàn)象的原因可能與鏇修效果不好、無法有效修復已有非圓化特性有關。

圖13 1號車廂4軸左輪24．3萬km階次分布

圖14為運行公里數(shù)24．3萬km時1號車廂噪聲頻譜。在此時非圓化粗糙度普遍高于10．8萬km時的情況下，全頻段的振動沖擊能量均較大，同時，鏇修后第19、20階等高階非圓化成分仍然突出，已接近ISO 3095標準中的限值。該非圓化特性影響車內(nèi)噪聲頻譜，表現(xiàn)為此次試驗結(jié)果0～1 000Hz范圍內(nèi)噪聲能量都高于10．8萬km時的試驗結(jié)果，且600Hz附近噪聲峰值頻率突出。

圖14 1號車廂24．3萬km噪聲頻譜分布

圖15為運行公里數(shù)33．2萬km時所測1號車廂該輪非圓化階次分布規(guī)律，此時非圓化徑跳值及噪聲水平都存在異常突變式增長。

1號車廂該輪經(jīng)鏇修，經(jīng)9．2（相當于原33．2）萬km運行磨耗后，非圓化階次嚴重超標，幾乎所有非圓化階次都超出ISO 3095標準中的限值，且又以非圓化第9～12、15、16、19、20、24階附近階次超出ISO 3095標準中的限值最為顯著。這些非圓化階次與前兩次測試結(jié)果存在對應與繼承關系，可能是初始狀態(tài)下的非圓化階次，經(jīng)鏇修之后快速“長大”形成的。

圖15 1號車廂4軸左輪33．2萬km階次分布

圖16為同期測得的噪聲頻譜分布規(guī)律。在徑跳值（0．754mm）嚴重超標及非圓化階次高階成分異常突出的條件下，噪聲頻譜整個頻段的噪聲峰值均顯著提高，尤其在600Hz附近高頻部分幅值增量較大。異常噪聲與車輪非圓化第11～12、15、19、23、24階有對應關系。

圖16 1號車廂33．2萬km噪聲頻譜分布

3 車輪高階非圓化成因

研究發(fā)現(xiàn)，高速列車振動噪聲，尤其是車內(nèi)噪聲對以第19～25階為代表的高階非圓化成分十分敏感，只要車輪出現(xiàn)顯著的第20階非圓化特性，車內(nèi)噪聲必然會上升到令人難以忍受的程度。若能找到緩解或解決車輪20階附近非圓化問題的方法，將極大提高車輛的乘坐舒適性及結(jié)構(gòu)部件的服役壽命。

由于1號和9號兩車廂是動車，且均出現(xiàn)高階非圓化，而10號車廂為拖車，卻未出現(xiàn)高階非圓化，由此推斷高階非圓化可能僅出現(xiàn)在動車車輪上。

試驗期間，除對跟蹤車輛測試外，也測試了大量其他車輛的非圓化情況［7］。測試數(shù)據(jù)表明，車輪第20階非圓化可以隨機地出現(xiàn)在列車編組的任意位置，包括動車車輪（動車靠近或遠離齒輪箱的車輪）、拖車車輪（拖車臨近動車的車輪、拖車與拖車相接位置處的車輪），都曾出現(xiàn)過車輪第20階非圓化問題，由此可排除電機和齒輪箱對車輪第20階非圓化的影響。

1號車廂車輪在初始狀態(tài)就有第20階非圓化的成分，鏇修后第20階非圓化成分迅速發(fā)展；而9號車廂車輪在初始狀態(tài)不存在第20階非圓化，其第20階非圓化特性是在鏇修后才開始出現(xiàn)的。根據(jù)非圓化隨機出現(xiàn)在某個車輪上的現(xiàn)象，第20階非圓化可能與車輪初始狀態(tài)及鏇修維護水平有關。

下面以極坐標形式，研究車輪非圓化輪周輪廓變化，分析高階非圓化可能成因。圖17為不同階段1號車廂異常車輪非圓化輪周輪廓外形變化。

圖17 1號車廂4軸左輪非圓化的極坐標表示

由鏇修前后1號車廂該輪非圓化輪周輪廓的變化結(jié)果可知，鏇修僅使圖17a）中“陰影”范圍內(nèi)的車輪表面狀態(tài)發(fā)生改變，而車輪輪周其他位置處外形輪廓基本沒有改變。運行33．2萬km時，車輪輪周外形在運行24．3萬km的基礎上快速發(fā)展。除“陰影”區(qū)域外，此時車輪外形輪廓與前次測試結(jié)果相比，仍沒有顯著變化，只是磨耗加深，說明此時非圓化狀態(tài)是在原有基礎上快速“長大”形成的。在“陰影”區(qū)域，車輪則表現(xiàn)出新的非圓化磨耗形式。

由圖18所示的9號車廂3軸右輪異常非圓化輪周輪廓變化可知，從新輪狀態(tài)至列車運行15．0萬km過程中，該輪基本處于均勻磨耗狀態(tài)，車輪輪周外形變化不顯著。

圖18 9號車廂3軸右輪非圓化的極坐標表示

該輪鏇修后運行0．3（相當于原24．3）萬km時，非圓化形態(tài)從1階偏心為主變?yōu)?階橢圓，但整個車輪外形輪廓并未出現(xiàn)異常磨耗。達到9．2（相當于原33．2）萬km后，測得的車輪輪周外形在圖示“陰影”區(qū)域180°至270°范圍出現(xiàn)顯著改變，與之對應的是該時期車輪第20階非圓化出現(xiàn)顯著增長。由此可見，鏇修后該輪并沒有第20階非圓化成分，而隨著列車運行公里數(shù)增加，車輪輪周外形發(fā)生較大改變，第20階非圓化成分在這期間才開始出現(xiàn)，并呈現(xiàn)異常增長。

綜合兩個車廂不同時期的車輪非圓化變化規(guī)律可知，1號車廂4軸左輪初始狀態(tài)就有高階非圓化階次，且不能被鏇修掉，鏇修后非圓化會按原形態(tài)繼續(xù)“長大”。這是由于鏇修采用經(jīng)濟鏇修，鏇修量小，粗糙度高的高階非圓化難以通過經(jīng)濟鏇修徹底修復。根據(jù)文獻［7］的研究結(jié)果可知，當車輪和鋼軌滾動接觸時，會在車輪表面形成硬化層，造成車輪輪周峰值處硬度大、谷值處硬度低。此種條件下，鏇修會切削掉部分車輪表面硬化層，但鏇修后峰值位置仍相對較硬，硬度本就小的谷值處的硬度則更低，將使谷值位置磨耗速度加快，峰值位置磨耗相對緩慢，這是造成車輪鏇修后，非圓化在原有基礎上快速“長大”的原因之一。

9號車廂3軸右輪在初始狀態(tài)時，并不存在第19、20階非圓化。運行一段時間后，各非圓化階次可被鏇修掉。但鏇修后一段時間，卻出現(xiàn)車輪第20階非圓化快速發(fā)展的現(xiàn)象，且出現(xiàn)失圓的位置為鏇修后得到的以“橢圓”為主的非圓化外形的短半軸位置，該位置也是車輪輪周外形上的谷值，此處材料硬度值低，磨耗相對容易，但為何磨耗恰好會出第20階的非圓化階次仍需深入研究。

研究認為，這與該型高速列車固有特性有關。圖19、20為9號車廂加速狀態(tài)下軸箱、構(gòu)架振動時頻特性。左側(cè)縱軸為列車加速運行的相對時間，軸箱和構(gòu)架振動加速度幅值動態(tài)變化范圍為40dB。

圖19 9號車廂軸箱振動時頻特性

圖20 9號車廂構(gòu)架振動時頻特性

由圖19、20可知，車輛軸箱存在多個模態(tài)密集區(qū)域，如0～56、288～440、530～660及760～920 Hz區(qū)域內(nèi)的振動加速度幅值不管速度如何變化，振動總處在比較高的水平。這些模態(tài)密集區(qū)中，又以處在530～600Hz頻率范圍內(nèi)的振動能量最突出；構(gòu)架振動的模態(tài)密集區(qū)間數(shù)量少于軸箱，最顯著的模態(tài)密集區(qū)間為530～600Hz，該區(qū)域不僅與軸箱的模態(tài)密集區(qū)重疊，且對應車輪第20階非圓化激振頻率。

經(jīng)綜合考慮，因鏇修使車輪表面部分區(qū)域內(nèi)硬度不均加劇，磨耗不均，在車輛自身結(jié)構(gòu)600Hz密集模態(tài)長期影響下，車輪在繼承原有的殘留非圓化峰值特征基礎上，在硬度較低區(qū)域易產(chǎn)生特定形態(tài)磨耗，最終使車輪表面出現(xiàn)與車輛自身結(jié)構(gòu)模態(tài)密集區(qū)間頻率相對應的第20階非圓化特征。研究建議：重點關注構(gòu)架轉(zhuǎn)臂及鋼彈簧上方結(jié)構(gòu)600Hz頻率附近的模態(tài)形式，在改進設計時盡量避開600Hz的敏感頻率區(qū)間。

此外，影響車輪高階非圓化的因素還在于現(xiàn)有的車輪鏇修加工手段。圖21為不落輪車輪鏇修臺架及車輪車削示意圖。由圖21可知，鏇修時卡盤以一定作用力卡住軸箱，兩小滾輪轉(zhuǎn)動，帶動車輪旋轉(zhuǎn)，車刀對車輪進行鏇修加工。因車輪不是以軸心為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，將會帶來以下問題：假定兩小滾輪圓周是理想狀態(tài)的圓，車輪以低階（1階）偏心為主，滾輪轉(zhuǎn)動時，車輪將按照原有1階偏心的方式旋轉(zhuǎn)，軸心將上下跳動，產(chǎn)生“照葫蘆畫瓢”的現(xiàn)象，最終鏇修出的車輪還以1階偏心為主；同理，若此時車輪存在粗糙度幅值偏大的高階非圓化成分，因經(jīng)濟鏇修深度有限，鏇修后車輪仍會保持原有的非圓化外形，若高階非圓化的幅值很小，鏇修則可將這些高階成分修正；但實際情況下，兩小滾輪圓周必定非圓，這將使鏇修后的車輪外形輪廓更復雜，在兩小滾輪及車輪三者特殊的周向不圓匹配情況下，可能會將初始不存在第20階非圓化的車輪鏇修出第20階非圓化成分。

車輪第20階非圓化的成因復雜，本文對大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析后，得到車輪第20階非圓化的可能成因，除初始狀態(tài)就存在第20階非圓化的車輪外，初步判斷運營中出現(xiàn)的車輪高階非圓化與構(gòu)架固有特性長期作用于輪軸，并與特定的鏇修結(jié)果綜合作用有關，建議重點研究轉(zhuǎn)向架在600Hz附近的模態(tài)。

圖21 鏇修臺架及車輪車削示意圖

對動車組運用單位來說，目前也僅能通過加大車輪鏇修深度，或采用小切削量、多刀次鏇修的方式，避免鏇修的車輪輪周表面存在硬度不均勻現(xiàn)象，進而緩解車輪高階非圓化帶來的影響。對動車組生產(chǎn)廠家來說，應嚴格控制交付使用的新輪表面初始狀態(tài)，避免車輪初始狀態(tài)就存在以第20階為代表的高階非圓化。

4 結(jié)語

跟蹤試驗結(jié)果表明，振動噪聲與車輪非圓化存在頻率上的對應關系。對車輪高階非圓化的可能成因研究，除得到牽引傳動系統(tǒng)與以第20階為代表的高階非圓化成因無關的結(jié)論外，還得出以下結(jié)論：

（1）初始狀態(tài)就存在高階非圓化的1號車廂車輪，因采用經(jīng)濟鏇修，不能有效消除車輪與鋼軌滾動接觸時在車輪表面形成的硬化層，鏇修后硬度不均使車輪周向“谷值”磨耗加快，這是鏇修后1號車廂4軸左輪非圓化在原有基礎上快速“長大”的原因之一。

（2）因車輛固有特性與車輪第20階附近非圓化頻率重疊，固有特性長期作用并與特定的鏇修結(jié)果匹配時，鏇修后車輪易出現(xiàn)20階非圓化磨耗。

（3）現(xiàn)有的車輪車削手段本身存在弊端，不但不能修復車輪已經(jīng)出現(xiàn)的高階非圓化，甚至有可能將不存在高階非圓化特性的車輪鏇修成含有高階非圓化特性的車輪。

建議今后車輪鏇修參考標準除徑跳值外，應嚴格限制鏇修后車輪高階非圓化成分。在出現(xiàn)幅值大的高階非圓化成分時，應適當加大車輪鏇修深度，使鏇修后車輪輪周表面硬度基本一致，達到均勻磨耗的目的。

［1］ 韓光旭，張捷，肖新標，等．高速動車組車內(nèi)異常振動噪聲特性與車輪非圓化關系研究［J］．機械工程學報，2014，50（22）：113．

［2］ 韓光旭，溫澤峰，張捷，等．車輪非圓化對高速列車車內(nèi)振動噪聲的影響［J］．噪聲與振動控制，2014，34（4）：10．

［3］ ZHANG J，HAN G X，XIAO X B，et al．Influence of wheel polygonal wear on interior noise of high－speed trains［J］．Journal of Zhejiang University（Science A：Applied Physics ＆Engineering），2014，15（12）：1002．

［4］ ZHANG J，XIAO X B，HAN G X，et al．Study on abnormal interior noise of high－speed trains［C］∥Proceedings of the 11th International Workshop on Railway Noise．Berlin：Springer，2015：691．

［5］ 周建民．城市軌道交通中的振動和噪聲控制［J］．城市軌道交通研究，2000，3（4）：16．

［6］ 葛世平．城市軌道交通的振動和噪聲對環(huán)境的影響及其對策［J］．城市軌道交通研究，2003，6（3）：30．

［7］ 崔大賓，梁樹林，宋春元，等．高速車輪非圓化現(xiàn)象及其對輪軌行為的影響［J］．機械工程學報，2013，49（18）：8．

Tracing Test of the Relationship between High－speed Train Wheel OOR and Vibration Noise

HAN Guangxu，SONG Chunyuan，LI Guodong，JIN Xuesong

A series of tests have been carried out on a new high－speed train to study the change rule of wheel OOR，the vibration noise and their mutual influences．Tests found that the OOR wear cannot be eliminated by existing profiling means when the wear is very serious，so the whole or partial characters of OOR wear will be found on the wheels even after re－profiling．This can be reflected in the frequency spectrum of the measured noise．Through analyzing the development of wheel wear，the natural characters of the vehicle system and the variation of wheel tread hardness，the potential cause of the high－order OOR of high－speed train wheels is detected，methods to reduce the interior noise of the vehicles and slow down the development of OOR components are proposed．

high－speed train；wheel out of roundness（OOR）；vibration and noise；tracking test

U270．1；U238

10．16037／j．1007－869x．2017．02．001

2016－09－20）

＊國家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2011AA11A103－2－2）