（1．中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春；2．西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都∥第一作者，助理工程師）

高速列車(chē)車(chē)輪非圓化與振動(dòng)噪聲關(guān)系跟蹤試驗(yàn)研究＊

韓光旭1宋春元1李國(guó)棟1金學(xué)松2

（1．中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春；2．西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都∥第一作者，助理工程師）

選定某型號(hào)新運(yùn)營(yíng)的高速列車(chē)進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤試驗(yàn)，研究不同運(yùn)行時(shí)期內(nèi)，車(chē)輪非圓化與振動(dòng)噪聲的發(fā)展變化規(guī)律及兩者間的相互影響關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的車(chē)輪鏇修加工手段，不能完全消除車(chē)輪非圓化磨耗的再次形成和發(fā)展，鏇修后車(chē)輪會(huì)繼承部分或者全部鏇修前的非圓化特性；部分初始無(wú)高階非圓化特性的車(chē)輪，鏇修后至列車(chē)再運(yùn)行一定里程時(shí)會(huì)出現(xiàn)車(chē)輪高階非圓化特征，同時(shí)期的振動(dòng)噪聲頻譜會(huì)對(duì)高階非圓化階次所在的頻率有所反映。在考慮車(chē)輪鏇修及車(chē)輛固有特性兩種因素下，分析了車(chē)輪高階非圓化的可能成因，并提出了緩解車(chē)輪高階非圓化、降低車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪聲的方法。

高速列車(chē)；車(chē)輪非圓化；振動(dòng)噪聲；跟蹤試驗(yàn)

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

隨著高鐵運(yùn)營(yíng)里程及動(dòng)車(chē)組服役數(shù)量的增長(zhǎng)，高速列車(chē)車(chē)輪非圓化問(wèn)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(chē)敏感頻帶，若車(chē)輪非圓化激擾與這一頻帶重疊，將會(huì)引起車(chē)輛異常的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，對(duì)高速列車(chē)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(xué)者對(duì)軌道交通振動(dòng)噪聲問(wèn)題做過(guò)大量研究［5－6］，但對(duì)車(chē)輪非圓化和振動(dòng)噪聲之間的關(guān)系研究甚少。

本文以研究二者間作用規(guī)律為目的，對(duì)國(guó)內(nèi)新上線運(yùn)營(yíng)的某型號(hào)高速列車(chē)車(chē)輪多邊形及車(chē)輛振動(dòng)噪聲問(wèn)題進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤試驗(yàn)，分析列車(chē)車(chē)輪表面非圓化特性和車(chē)輛振動(dòng)噪聲特性變化，重點(diǎn)關(guān)注他們之間的相互作用關(guān)系。

所跟蹤測(cè)試的列車(chē)承擔(dān)正常載客運(yùn)營(yíng)任務(wù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)安排，為盡量方便開(kāi)展試驗(yàn)任務(wù)，選擇該型車(chē)1、9、10號(hào)車(chē)廂為測(cè)試對(duì)象，進(jìn)行噪聲測(cè)試，同步測(cè)試9、10號(hào)兩個(gè)車(chē)廂的軸箱和構(gòu)架振動(dòng)水平，同期還測(cè)試了3個(gè)車(chē)廂的車(chē)輪表面狀態(tài)。1、9號(hào)車(chē)廂為動(dòng)車(chē)，10號(hào)車(chē)廂為拖車(chē)。

圖1為跟蹤測(cè)試列車(chē)測(cè)點(diǎn)位置示意圖，規(guī)定面朝1號(hào)車(chē)廂行進(jìn)方向?yàn)榍?，則圖示正面為列車(chē)行進(jìn)方向的左側(cè)，背面為右側(cè)。軸號(hào)如圖1所示，左起第3個(gè)車(chē)輪命名為1號(hào)車(chē)3軸左側(cè)車(chē)輪；9、10號(hào)車(chē)廂車(chē)下振動(dòng)傳感器安裝區(qū)域與車(chē)輪非圓化測(cè)試位置相同，用于測(cè)試軸箱和構(gòu)架振動(dòng)。

1 跟蹤測(cè)試數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)測(cè)得列車(chē)運(yùn)行里程至10．8萬(wàn)、15．0萬(wàn)、18．9萬(wàn)、24．3萬(wàn)及33．2萬(wàn)km時(shí)的振動(dòng)噪聲及車(chē)輪非圓化數(shù)據(jù)，列車(chē)在運(yùn)行18．9萬(wàn)至24．3萬(wàn)km之間曾進(jìn)行車(chē)輪鏇修作業(yè)。

圖1 跟蹤測(cè)試列車(chē)測(cè)點(diǎn)布置

1．1 噪聲總值的變化

圖2為列車(chē)不同運(yùn)行里程時(shí)，1、9、10號(hào)車(chē)廂風(fēng)擋區(qū)域噪聲聲壓級(jí)總值柱狀圖。虛線為國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）對(duì)300km／h級(jí)高速列車(chē)風(fēng)擋區(qū)域的噪聲限值，要求最大聲壓級(jí)小于82dB（A）。

試驗(yàn)結(jié)果表明：新車(chē)運(yùn)行一段時(shí)間后，至車(chē)輪鏇修公里數(shù)附近，各噪聲測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)水平隨列車(chē)運(yùn)行公里數(shù)的增加而升高；經(jīng)首次對(duì)車(chē)輪踏面鏇修后，9、10號(hào)車(chē)廂本該繼續(xù)升高的噪聲聲壓級(jí)變化趨勢(shì)得到改變，鏇修后運(yùn)行公里數(shù)為24．3萬(wàn)km時(shí)的噪聲值小于鏇修前運(yùn)行公里數(shù)為18．9萬(wàn)km的噪聲值。

圖2 噪聲聲壓級(jí)隨列車(chē)運(yùn)行公里數(shù)的變化

車(chē)輪鏇修后，1號(hào)車(chē)廂噪聲聲壓級(jí)水平并沒(méi)有降低至鏇修前的水平。由1號(hào)車(chē)廂整個(gè)運(yùn)行里程內(nèi)噪聲總聲壓級(jí)水平分布可知，1號(hào)車(chē)廂噪聲水平出現(xiàn)異?？焖僭龃蟮淖兓?guī)律，在運(yùn)行24．3萬(wàn)至33．2萬(wàn)km內(nèi)，聲壓級(jí)從81．8dB（A）升高至88．1dB（A），變化量超6dB（A），等同于每運(yùn)行3萬(wàn)km增加2．1dB（A），增速較10．8萬(wàn)至18．9萬(wàn)km期間（近似每運(yùn)行3萬(wàn)km增加1．1dB（A））顯著加快。

列車(chē)運(yùn)行24．3萬(wàn)至33．2萬(wàn)km期間，3個(gè)車(chē)廂噪聲水平都出現(xiàn)不同程度增大。以24．0萬(wàn)km為鏇修時(shí)間點(diǎn)，則24．3萬(wàn)、33．2萬(wàn)km分別相當(dāng)于新運(yùn)行周期中的0．3萬(wàn)km和9．2萬(wàn)km。由此可知，鏇修后除1號(hào)車(chē)廂噪聲水平變化異常外，9、10號(hào)車(chē)廂在車(chē)輪鏇修后的前10萬(wàn)km內(nèi)，聲壓級(jí)增速較緩慢。參考第一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)各車(chē)廂聲壓級(jí)增速的變化規(guī)律可知，在剔除聲壓級(jí)變化異常的1號(hào)車(chē)廂后，高速列車(chē)新運(yùn)行周期的前10萬(wàn)km內(nèi)，聲壓級(jí)增速緩慢，在運(yùn)行接近10萬(wàn)km直至車(chē)輪鏇修時(shí)，聲壓級(jí)增速才開(kāi)始加快。

1．2 振動(dòng)總值變化

在9、10號(hào)車(chē)廂轉(zhuǎn)向架區(qū)域布置振動(dòng)加速度傳感器，用于測(cè)試軸箱和構(gòu)架的振動(dòng)水平。圖3為兩個(gè)車(chē)廂軸箱、構(gòu)架振動(dòng)加速度水平隨列車(chē)運(yùn)行公里數(shù)的變化規(guī)律。

圖3 振動(dòng)加速度級(jí)隨列車(chē)運(yùn)行公里數(shù)的變化

由圖3可知，鏇修前后兩運(yùn)行周期內(nèi)，兩個(gè)車(chē)廂的軸箱、構(gòu)架振動(dòng)加速度總值均隨列車(chē)運(yùn)行公里數(shù)的增加而增大，但構(gòu)架振動(dòng)加速度級(jí)的增速快于軸箱振動(dòng)加速度級(jí)的增速（如圖3中箭頭標(biāo)記所示的增速趨勢(shì)線，構(gòu)架振動(dòng)增速趨勢(shì)線斜率大于軸箱趨勢(shì)線）。

車(chē)輪鏇修后，9、10號(hào)車(chē)廂本該繼續(xù)升高的振動(dòng)加速度級(jí)變化趨勢(shì)被改變，這與同時(shí)期噪聲變化趨勢(shì)一致。鏇修后新運(yùn)行周期0．3（相當(dāng)于原24．3）萬(wàn)至9．2（相當(dāng)于原33．2）萬(wàn)km期間，對(duì)應(yīng)的軸箱振動(dòng)加速度增大，9號(hào)車(chē)廂約為1．4dB／3萬(wàn)km，10車(chē)廂約為0．5dB／3萬(wàn)km；構(gòu)架振動(dòng)加速度增大，9號(hào)車(chē)廂約為1．7dB／3萬(wàn)km，10號(hào)車(chē)廂約為0．7 dB／3萬(wàn)km，鏇修后的9號(hào)車(chē)廂振動(dòng)增速較大。

1．3 徑跳變化

圖4為各車(chē)廂車(chē)輪徑跳值隨列車(chē)運(yùn)行公里數(shù)的變化規(guī)律。柱狀由左至右分別對(duì)應(yīng)1號(hào)車(chē)廂3軸左輪、3軸右輪、4軸左輪、4軸右輪，9號(hào)車(chē)廂3軸左輪、3軸右輪、4軸左輪、4軸右輪，10號(hào)車(chē)廂3軸左輪、3軸右輪、4軸左輪、4軸右輪。因車(chē)輪測(cè)試受現(xiàn)場(chǎng)停車(chē)位置限制或因被遮擋，以下階段的車(chē)輪非圓化信息未能測(cè)得：15．0萬(wàn)km時(shí)1號(hào)車(chē)廂3軸與4軸，9號(hào)車(chē)廂4軸，10號(hào)車(chē)廂3軸；18．9萬(wàn)km時(shí)的全部車(chē)輪；24．3萬(wàn)km時(shí)10號(hào)車(chē)廂3軸。

圖4 車(chē)輪徑跳值隨列車(chē)運(yùn)行公里數(shù)的變化

由圖4可知，前10．8萬(wàn)km，基本所有車(chē)輪都滿足徑跳值小于0．1mm的運(yùn)用要求。鏇修后0．3（相當(dāng)于原24．3）萬(wàn)km時(shí)，各輪徑跳值均回歸0．1mm以下，說(shuō)明鏇修對(duì)修復(fù)車(chē)輪徑跳值大小有顯著作用。9號(hào)車(chē)廂運(yùn)行至15．0萬(wàn)km時(shí)，3軸右側(cè)車(chē)輪徑跳開(kāi)始快速發(fā)展，徑跳值由0．101mm升至0．141mm，且鏇修后僅運(yùn)行9．2（相當(dāng)于原33．2）萬(wàn)km，該輪徑跳值就超過(guò)運(yùn)用要求，達(dá)到0．157 mm，徑跳值增速加快；鏇修后9．2（相當(dāng)于原33．2）萬(wàn)km時(shí)，1號(hào)車(chē)廂4軸左側(cè)車(chē)輪徑跳值發(fā)展迅速，徑跳值由0．096mm升至0．754mm，嚴(yán)重超出以徑跳值為參考的車(chē)輪服役標(biāo)準(zhǔn)。

比較鏇修前后兩個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)車(chē)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(yùn)行公里數(shù)緩慢增長(zhǎng)或不發(fā)生變化，個(gè)別車(chē)輪在磨耗后，徑跳值甚至變小；若車(chē)輪徑跳值接近0．1mm，則隨著運(yùn)行公里數(shù)增加，會(huì)存在徑跳值繼續(xù)增大的可能，且徑跳值增大速度會(huì)加快；經(jīng)車(chē)輪鏇修后，雖可使徑跳值超出0．1mm的9號(hào)車(chē)廂3軸右側(cè)車(chē)輪徑跳值恢復(fù)至正常水平，但該輪經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)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(chē)輛性能。

受測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)條件限制，對(duì)1號(hào)車(chē)廂車(chē)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(hào)車(chē)廂4軸左側(cè)車(chē)輪徑跳值出現(xiàn)突變式惡性增長(zhǎng)，徑跳值達(dá)0．754mm，至此還不能確定產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，需作進(jìn)一步分析。

2 車(chē)輪非圓化與振動(dòng)噪聲的關(guān)系

車(chē)輪非圓化與振動(dòng)噪聲總值上具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文研究二者頻率上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，重點(diǎn)關(guān)注曾出現(xiàn)徑跳值大于0．1mm的9號(hào)車(chē)廂及鏇修后徑跳值異常增大的1號(hào)車(chē)廂。

2．1 9號(hào)車(chē)廂

圖5所示為徑跳值超過(guò)0．1mm的9車(chē)廂3軸右側(cè)車(chē)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(cè)試的非圓化階次第1階粗糙度等級(jí)為參考的ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)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(shì)曲線，以之衡量不同時(shí)期車(chē)輪非圓化階次變化的優(yōu)劣。

圖5 9號(hào)車(chē)廂3軸右輪10．8萬(wàn)／15．0萬(wàn)km階次分布

由列車(chē)運(yùn)行10．8萬(wàn)km和15．0萬(wàn)km時(shí)測(cè)得的車(chē)輪非圓化階次分布可知，該時(shí)期內(nèi)車(chē)輪服役狀態(tài)良好，各階次分布均小于ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)中的限值。

列車(chē)運(yùn)行公里數(shù)從10．8萬(wàn)km達(dá)到15．0萬(wàn)km時(shí)，該輪各非圓化階次有不同程度增長(zhǎng)，使15．0萬(wàn)km后該輪徑跳值超出0．1mm。因公里數(shù)15．0萬(wàn)km時(shí)新的階次分布曲線基本處在理想趨勢(shì)曲線之下，可確定這一時(shí)期該輪處于均勻磨耗狀態(tài)，僅個(gè)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(shì)曲線。

圖6表明，隨著列車(chē)運(yùn)行公里數(shù)增加，車(chē)輪各階非圓化不斷發(fā)展。9號(hào)車(chē)廂軸箱和構(gòu)架200Hz以上頻率振動(dòng)幅值出現(xiàn)增長(zhǎng)；公里數(shù)至15．0萬(wàn)km時(shí)，572～600Hz處的軸箱和構(gòu)架振動(dòng)幅值開(kāi)始升高，這與此時(shí)升高的車(chē)輪非圓化第19階附近階次相對(duì)應(yīng)（以300km／h車(chē)速及920mm車(chē)輪直徑為條件計(jì)算得出），因此時(shí)振動(dòng)幅值較小，車(chē)內(nèi)噪聲在此處雖有對(duì)應(yīng)頻率，卻不顯著。

圖6 9號(hào)車(chē)廂10．8萬(wàn)／15．0萬(wàn)km振動(dòng)噪聲頻譜分布

圖7為運(yùn)行公里數(shù)15．0萬(wàn)至24．3萬(wàn)km時(shí)，測(cè)得的車(chē)輪非圓化階次分布，期間進(jìn)行過(guò)鏇修作業(yè)。由鏇修前后兩次測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，鏇修可以對(duì)各輪非圓化階次進(jìn)行修復(fù)，但修復(fù)的好壞程度并非線性關(guān)系，表現(xiàn)為對(duì)低階非圓化粗糙度幅值可以進(jìn)行較大程度修復(fù)，但對(duì)高階非圓化的修復(fù)程度往往具有隨機(jī)性。

圖7 9號(hào)車(chē)廂3軸右輪15．0萬(wàn)／24．3萬(wàn)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(shì)曲線可知，本次鏇修作業(yè)的鏇修水平不高，僅對(duì)徑跳值大小進(jìn)行修復(fù)，未衡量鏇修后整個(gè)頻帶上非圓化階次分布的好壞。鏇修后，最理想的狀態(tài)應(yīng)是非圓化階次分布變化規(guī)律與ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)中的曲線變化趨勢(shì)一致，即越偏向高階成分，粗糙度水平應(yīng)越低，且應(yīng)保持平滑下降趨勢(shì)，但本次鏇修使9號(hào)車(chē)廂該輪個(gè)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(chē)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(duì)徑跳值的修復(fù)不佳，或隨著車(chē)輪磨耗加深，新被鏇修出的非圓化階次開(kāi)始“長(zhǎng)大”，將使車(chē)輛性能惡化。

圖8為鏇修前后，振動(dòng)噪聲頻譜對(duì)比結(jié)果。鏇修后，雖然新出現(xiàn)的非圓化階次與車(chē)輛振動(dòng)噪聲敏感頻帶（550～630Hz）多有重合，會(huì)加劇振動(dòng)噪聲水平，但好在本次鏇修后，對(duì)徑跳值的修復(fù)較大，且鏇修后各輪非圓化階次分布值距ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)中的限值曲線較遠(yuǎn)，最終表現(xiàn)為9號(hào)車(chē)廂在鏇修后，振動(dòng)噪聲水平有所降低。

圖8 9號(hào)車(chē)廂15．0萬(wàn)／24．3萬(wàn)km振動(dòng)噪聲頻譜分布

圖9為運(yùn)行公里數(shù)24．3萬(wàn)km至33．2萬(wàn)km時(shí)，測(cè)得的車(chē)輪非圓化階次分布。運(yùn)行公里數(shù)由24．3萬(wàn)km增長(zhǎng)至33．2萬(wàn)km時(shí)，各非圓化階次有不同程度增長(zhǎng)，新被鏇修后的非圓化階次“長(zhǎng)大”的現(xiàn)象在該輪上表現(xiàn)并不顯著，測(cè)得的非圓化階次分布發(fā)展趨勢(shì)比較平緩，僅在非圓化第20階附近及24階處，粗糙度等級(jí)即將達(dá)到ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)中的限值要求。值得注意的是，第20階非圓化在前次鏇修時(shí)已被鏇掉，但此時(shí)第20階非圓化又迅猛發(fā)展。

圖10為運(yùn)行公里數(shù)24．3萬(wàn)km至33．2萬(wàn)km時(shí)，測(cè)得的軸箱和構(gòu)架振動(dòng)及噪聲頻譜結(jié)果。由圖10可知，鏇修后，隨著運(yùn)行公里數(shù)增加，車(chē)輪磨耗不斷增加，尤其該時(shí)期車(chē)輪第20階非圓化出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，與之相對(duì)應(yīng)的是在軸箱和構(gòu)架振動(dòng)頻譜中，600 Hz附近頻率出現(xiàn)顯著峰值。同時(shí)，因此時(shí)車(chē)輪徑跳值超出0．1mm，相對(duì)前次試驗(yàn)結(jié)果，軸箱和構(gòu)架振動(dòng)大部分頻率呈升高趨勢(shì)。對(duì)應(yīng)至噪聲頻譜，相對(duì)前次測(cè)試結(jié)果，600Hz附近也存在峰值頻率。由此可見(jiàn)，同一測(cè)試階段的振動(dòng)噪聲及非圓化存在頻率上的關(guān)聯(lián)性。

圖9 9號(hào)車(chē)廂3軸右輪24．3萬(wàn)／33．2萬(wàn)km階次分布

圖10 9號(hào)車(chē)廂振動(dòng)噪聲24．3萬(wàn)／33．2萬(wàn)公里頻譜分布

2．2 1號(hào)車(chē)廂

圖11所示為1號(hào)車(chē)廂4軸左側(cè)車(chē)輪非圓化階次隨列車(chē)運(yùn)行公里數(shù)的分布規(guī)律。運(yùn)行公里數(shù)10．8萬(wàn)km時(shí)的測(cè)試結(jié)果為未經(jīng)鏇修時(shí)的首次測(cè)試，以之作為車(chē)輪的初始狀態(tài)。

由圖11可知，初始狀態(tài)時(shí)，1號(hào)車(chē)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(cè)到15．0萬(wàn)km至18．9萬(wàn)km時(shí)該輪的非圓化結(jié)果，但可由一般規(guī)律預(yù)見(jiàn)該輪各非圓化階次粗糙度水平，應(yīng)是呈現(xiàn)出隨運(yùn)行公里數(shù)的增長(zhǎng)而增大的發(fā)展規(guī)律。同時(shí)，也注意到1號(hào)車(chē)廂該輪在上述突出階次附近的粗糙度等級(jí)較高，顯著大于同時(shí)期9號(hào)車(chē)廂3軸右輪的非圓化粗糙度等級(jí)，這將會(huì)使后期該輪的非圓化粗糙度水平增速超過(guò)正常車(chē)輪，使1號(hào)車(chē)廂徑跳值以及振動(dòng)噪聲等級(jí)惡化的時(shí)間提前。

圖11 1號(hào)車(chē)廂4軸左輪10．8萬(wàn)km階次分布

圖12為同時(shí)期測(cè)得的1號(hào)車(chē)廂噪聲頻譜分布，此時(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖12 1號(hào)車(chē)廂10．8萬(wàn)km振動(dòng)噪聲頻譜分布

圖13為運(yùn)行公里數(shù)24．3萬(wàn)km時(shí)，1號(hào)車(chē)廂該輪經(jīng)鏇修作業(yè)后首次測(cè)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(duì)應(yīng)與繼承的關(guān)系；鏇修后僅經(jīng)0．3（相當(dāng)于原24．3）萬(wàn)km運(yùn)行磨耗，1號(hào)車(chē)廂該輪非圓化階次大小就超過(guò)鏇修前累計(jì)10．8萬(wàn)km時(shí)的水平，為異常現(xiàn)象。判斷造成該現(xiàn)象的原因可能與鏇修效果不好、無(wú)法有效修復(fù)已有非圓化特性有關(guān)。

圖13 1號(hào)車(chē)廂4軸左輪24．3萬(wàn)km階次分布

圖14為運(yùn)行公里數(shù)24．3萬(wàn)km時(shí)1號(hào)車(chē)廂噪聲頻譜。在此時(shí)非圓化粗糙度普遍高于10．8萬(wàn)km時(shí)的情況下，全頻段的振動(dòng)沖擊能量均較大，同時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)中的限值。該非圓化特性影響車(chē)內(nèi)噪聲頻譜，表現(xiàn)為此次試驗(yàn)結(jié)果0～1 000Hz范圍內(nèi)噪聲能量都高于10．8萬(wàn)km時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，且600Hz附近噪聲峰值頻率突出。

圖14 1號(hào)車(chē)廂24．3萬(wàn)km噪聲頻譜分布

圖15為運(yùn)行公里數(shù)33．2萬(wàn)km時(shí)所測(cè)1號(hào)車(chē)廂該輪非圓化階次分布規(guī)律，此時(shí)非圓化徑跳值及噪聲水平都存在異常突變式增長(zhǎng)。

1號(hào)車(chē)廂該輪經(jīng)鏇修，經(jīng)9．2（相當(dāng)于原33．2）萬(wàn)km運(yùn)行磨耗后，非圓化階次嚴(yán)重超標(biāo)，幾乎所有非圓化階次都超出ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)中的限值最為顯著。這些非圓化階次與前兩次測(cè)試結(jié)果存在對(duì)應(yīng)與繼承關(guān)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(zhǎng)大”形成的。

圖15 1號(hào)車(chē)廂4軸左輪33．2萬(wàn)km階次分布

圖16為同期測(cè)得的噪聲頻譜分布規(guī)律。在徑跳值（0．754mm）嚴(yán)重超標(biāo)及非圓化階次高階成分異常突出的條件下，噪聲頻譜整個(gè)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(chē)輪非圓化第11～12、15、19、23、24階有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖16 1號(hào)車(chē)廂33．2萬(wàn)km噪聲頻譜分布

3 車(chē)輪高階非圓化成因

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

由于1號(hào)和9號(hào)兩車(chē)廂是動(dòng)車(chē)，且均出現(xiàn)高階非圓化，而10號(hào)車(chē)廂為拖車(chē)，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(dòng)車(chē)車(chē)輪上。

試驗(yàn)期間，除對(duì)跟蹤車(chē)輛測(cè)試外，也測(cè)試了大量其他車(chē)輛的非圓化情況［7］。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，車(chē)輪第20階非圓化可以隨機(jī)地出現(xiàn)在列車(chē)編組的任意位置，包括動(dòng)車(chē)車(chē)輪（動(dòng)車(chē)靠近或遠(yuǎn)離齒輪箱的車(chē)輪）、拖車(chē)車(chē)輪（拖車(chē)臨近動(dòng)車(chē)的車(chē)輪、拖車(chē)與拖車(chē)相接位置處的車(chē)輪），都曾出現(xiàn)過(guò)車(chē)輪第20階非圓化問(wèn)題，由此可排除電機(jī)和齒輪箱對(duì)車(chē)輪第20階非圓化的影響。

1號(hào)車(chē)廂車(chē)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(hào)車(chē)廂車(chē)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(kāi)始出現(xiàn)的。根據(jù)非圓化隨機(jī)出現(xiàn)在某個(gè)車(chē)輪上的現(xiàn)象，第20階非圓化可能與車(chē)輪初始狀態(tài)及鏇修維護(hù)水平有關(guān)。

下面以極坐標(biāo)形式，研究車(chē)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(hào)車(chē)廂異常車(chē)輪非圓化輪周輪廓外形變化。

圖17 1號(hào)車(chē)廂4軸左輪非圓化的極坐標(biāo)表示

由鏇修前后1號(hào)車(chē)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(chē)輪表面狀態(tài)發(fā)生改變，而車(chē)輪輪周其他位置處外形輪廓基本沒(méi)有改變。運(yùn)行33．2萬(wàn)km時(shí)，車(chē)輪輪周外形在運(yùn)行24．3萬(wàn)km的基礎(chǔ)上快速發(fā)展。除“陰影”區(qū)域外，此時(shí)車(chē)輪外形輪廓與前次測(cè)試結(jié)果相比，仍沒(méi)有顯著變化，只是磨耗加深，說(shuō)明此時(shí)非圓化狀態(tài)是在原有基礎(chǔ)上快速“長(zhǎng)大”形成的。在“陰影”區(qū)域，車(chē)輪則表現(xiàn)出新的非圓化磨耗形式。

由圖18所示的9號(hào)車(chē)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(chē)運(yùn)行15．0萬(wàn)km過(guò)程中，該輪基本處于均勻磨耗狀態(tài)，車(chē)輪輪周外形變化不顯著。

圖18 9號(hào)車(chē)廂3軸右輪非圓化的極坐標(biāo)表示

該輪鏇修后運(yùn)行0．3（相當(dāng)于原24．3）萬(wàn)km時(shí)，非圓化形態(tài)從1階偏心為主變?yōu)?階橢圓，但整個(gè)車(chē)輪外形輪廓并未出現(xiàn)異常磨耗。達(dá)到9．2（相當(dāng)于原33．2）萬(wàn)km后，測(cè)得的車(chē)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(duì)應(yīng)的是該時(shí)期車(chē)輪第20階非圓化出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，鏇修后該輪并沒(méi)有第20階非圓化成分，而隨著列車(chē)運(yùn)行公里數(shù)增加，車(chē)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(kāi)始出現(xiàn)，并呈現(xiàn)異常增長(zhǎng)。

綜合兩個(gè)車(chē)廂不同時(shí)期的車(chē)輪非圓化變化規(guī)律可知，1號(hào)車(chē)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(huì)按原形態(tài)繼續(xù)“長(zhǎng)大”。這是由于鏇修采用經(jīng)濟(jì)鏇修，鏇修量小，粗糙度高的高階非圓化難以通過(guò)經(jīng)濟(jì)鏇修徹底修復(fù)。根據(jù)文獻(xiàn)［7］的研究結(jié)果可知，當(dāng)車(chē)輪和鋼軌滾動(dòng)接觸時(shí)，會(huì)在車(chē)輪表面形成硬化層，造成車(chē)輪輪周峰值處硬度大、谷值處硬度低。此種條件下，鏇修會(huì)切削掉部分車(chē)輪表面硬化層，但鏇修后峰值位置仍相對(duì)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(duì)緩慢，這是造成車(chē)輪鏇修后，非圓化在原有基礎(chǔ)上快速“長(zhǎng)大”的原因之一。

9號(hào)車(chē)廂3軸右輪在初始狀態(tài)時(shí)，并不存在第19、20階非圓化。運(yùn)行一段時(shí)間后，各非圓化階次可被鏇修掉。但鏇修后一段時(shí)間，卻出現(xiàn)車(chē)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(chē)輪輪周外形上的谷值，此處材料硬度值低，磨耗相對(duì)容易，但為何磨耗恰好會(huì)出第20階的非圓化階次仍需深入研究。

研究認(rèn)為，這與該型高速列車(chē)固有特性有關(guān)。圖19、20為9號(hào)車(chē)廂加速狀態(tài)下軸箱、構(gòu)架振動(dòng)時(shí)頻特性。左側(cè)縱軸為列車(chē)加速運(yùn)行的相對(duì)時(shí)間，軸箱和構(gòu)架振動(dòng)加速度幅值動(dòng)態(tài)變化范圍為40dB。

圖19 9號(hào)車(chē)廂軸箱振動(dòng)時(shí)頻特性

圖20 9號(hào)車(chē)廂構(gòu)架振動(dòng)時(shí)頻特性

由圖19、20可知，車(chē)輛軸箱存在多個(gè)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(dòng)加速度幅值不管速度如何變化，振動(dòng)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(dòng)能量最突出；構(gòu)架振動(dòng)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(duì)應(yīng)車(chē)輪第20階非圓化激振頻率。

經(jīng)綜合考慮，因鏇修使車(chē)輪表面部分區(qū)域內(nèi)硬度不均加劇，磨耗不均，在車(chē)輛自身結(jié)構(gòu)600Hz密集模態(tài)長(zhǎng)期影響下，車(chē)輪在繼承原有的殘留非圓化峰值特征基礎(chǔ)上，在硬度較低區(qū)域易產(chǎn)生特定形態(tài)磨耗，最終使車(chē)輪表面出現(xiàn)與車(chē)輛自身結(jié)構(gòu)模態(tài)密集區(qū)間頻率相對(duì)應(yīng)的第20階非圓化特征。研究建議：重點(diǎn)關(guān)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(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)盡量避開(kāi)600Hz的敏感頻率區(qū)間。

此外，影響車(chē)輪高階非圓化的因素還在于現(xiàn)有的車(chē)輪鏇修加工手段。圖21為不落輪車(chē)輪鏇修臺(tái)架及車(chē)輪車(chē)削示意圖。由圖21可知，鏇修時(shí)卡盤(pán)以一定作用力卡住軸箱，兩小滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)，車(chē)刀對(duì)車(chē)輪進(jìn)行鏇修加工。因車(chē)輪不是以軸心為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，將會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題：假定兩小滾輪圓周是理想狀態(tài)的圓，車(chē)輪以低階（1階）偏心為主，滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，車(chē)輪將按照原有1階偏心的方式旋轉(zhuǎn)，軸心將上下跳動(dòng)，產(chǎn)生“照葫蘆畫(huà)瓢”的現(xiàn)象，最終鏇修出的車(chē)輪還以1階偏心為主；同理，若此時(shí)車(chē)輪存在粗糙度幅值偏大的高階非圓化成分，因經(jīng)濟(jì)鏇修深度有限，鏇修后車(chē)輪仍會(huì)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(shí)際情況下，兩小滾輪圓周必定非圓，這將使鏇修后的車(chē)輪外形輪廓更復(fù)雜，在兩小滾輪及車(chē)輪三者特殊的周向不圓匹配情況下，可能會(huì)將初始不存在第20階非圓化的車(chē)輪鏇修出第20階非圓化成分。

車(chē)輪第20階非圓化的成因復(fù)雜，本文對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析后，得到車(chē)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(chē)輪外，初步判斷運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的車(chē)輪高階非圓化與構(gòu)架固有特性長(zhǎng)期作用于輪軸，并與特定的鏇修結(jié)果綜合作用有關(guān)，建議重點(diǎn)研究轉(zhuǎn)向架在600Hz附近的模態(tài)。

圖21 鏇修臺(tái)架及車(chē)輪車(chē)削示意圖

對(duì)動(dòng)車(chē)組運(yùn)用單位來(lái)說(shuō)，目前也僅能通過(guò)加大車(chē)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(chē)輪輪周表面存在硬度不均勻現(xiàn)象，進(jìn)而緩解車(chē)輪高階非圓化帶來(lái)的影響。對(duì)動(dòng)車(chē)組生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，應(yīng)嚴(yán)格控制交付使用的新輪表面初始狀態(tài)，避免車(chē)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(yǔ)

跟蹤試驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)噪聲與車(chē)輪非圓化存在頻率上的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)車(chē)輪高階非圓化的可能成因研究，除得到牽引傳動(dòng)系統(tǒng)與以第20階為代表的高階非圓化成因無(wú)關(guān)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(hào)車(chē)廂車(chē)輪，因采用經(jīng)濟(jì)鏇修，不能有效消除車(chē)輪與鋼軌滾動(dòng)接觸時(shí)在車(chē)輪表面形成的硬化層，鏇修后硬度不均使車(chē)輪周向“谷值”磨耗加快，這是鏇修后1號(hào)車(chē)廂4軸左輪非圓化在原有基礎(chǔ)上快速“長(zhǎng)大”的原因之一。

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

（3）現(xiàn)有的車(chē)輪車(chē)削手段本身存在弊端，不但不能修復(fù)車(chē)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(chē)輪鏇修成含有高階非圓化特性的車(chē)輪。

建議今后車(chē)輪鏇修參考標(biāo)準(zhǔn)除徑跳值外，應(yīng)嚴(yán)格限制鏇修后車(chē)輪高階非圓化成分。在出現(xiàn)幅值大的高階非圓化成分時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大車(chē)輪鏇修深度，使鏇修后車(chē)輪輪周表面硬度基本一致，達(dá)到均勻磨耗的目的。

［1］ 韓光旭，張捷，肖新標(biāo)，等．高速動(dòng)車(chē)組車(chē)內(nèi)異常振動(dòng)噪聲特性與車(chē)輪非圓化關(guān)系研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（22）：113．

［2］ 韓光旭，溫澤峰，張捷，等．車(chē)輪非圓化對(duì)高速列車(chē)車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪聲的影響［J］．噪聲與振動(dòng)控制，2014，34（4）：10．

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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(guó)家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2011AA11A103－2－2）