宋春元，沈文林，李曉峰，崔利通

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

高速動車組車輪多邊形影響因素及抑制措施研究

宋春元，沈文林，李曉峰，崔利通

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

在總結國內外車輪多邊形研究的基礎上，調查了高速動車組車輪多邊形情況，并對測試車輪的多邊形數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，從車輪多邊形與運行速度、運行線路條件、車輛結構等角度進行系統(tǒng)研究，查找容易產生車輪多邊形的影響因素。研究車輪多邊形對車輛振動的影響，選擇存在車輪多邊形車組進行鏇修前后的對比測試發(fā)現(xiàn)，當車輪存在多邊形時前后輪對容易形成拍振，造成軸箱振動加??；研究降低車輪多邊形對乘坐舒適性、轉向架可靠性造成的影響，對比不同多邊形幅值與車輛振動的對應關系；從抑制多邊形角度進行了鏇修工藝優(yōu)化，通過控制驅動輪徑跳、增加頂鎬裝置、實施雙刀鏇修等手段消除運營過程中出現(xiàn)的多邊形；研究調整車輪材料、車輪實施滾壓等方式，增加車輪強度，降低車輪磨耗，延緩多邊形發(fā)展；研制了踏面研磨裝置，在運營過程中施加以消除多邊形，并改善踏面凹形磨耗；針對車輪多邊形的成因較多無法徹底消除車輪非圓化的現(xiàn)狀，可利用軌道檢測裝置檢測車輛車輪狀態(tài)，在車輪多邊形影響車輛振動之前及時進行維護。

高速動車組；車輪多邊形；模態(tài)；硬度；車輪鏇修；輪軌匹配

1 概述

早期車輪多邊形的調查和仿真研究工作主要以德國、瑞典、澳大利亞、荷蘭等鐵路運輸系統(tǒng)較為發(fā)達國家（地區(qū)）為代表，但對于車輪多邊形傷損原因分歧較大，有的認為是車輪材料的各向異性引起，有的認為和軌道結構特性有關，有的認為輪軸扭轉振動對車輪多邊形的產生和發(fā)展有很大影響[1]。由于車輪多邊形磨耗測試涉及運營車輛，單次測試時間及測試周期較長，研究人員較難從測試現(xiàn)場獲得充分數(shù)據(jù)，為此對車輪多邊形的研究主要集中在對輪對磨耗特性仿真等定性分析上，未能定量研究車輪多邊形問題，導致至今車輪多邊形形成和發(fā)展過程的機理尚未明晰。

隨著我國軌道交通運營里程的大幅增加，軌道車輛運行速度的不斷提升，車輛、軌道維護周期的延長，我國高鐵車輛車輪的多邊形磨耗時有發(fā)生，普通列車和高速列車運營過程中車輪出現(xiàn)多邊形磨耗現(xiàn)象越來越普遍。車輛在運營一定里程后，車輪圓周方向出現(xiàn)非圓化磨耗是一個非常復雜的過程，車輪非圓化現(xiàn)象受很多因素的影響，如車輛/軌道結構、牽引制動控制系統(tǒng)、車輛運行速度、輪軌間P2力、輪軌材料、輪軌接觸的第三介質等[2]。從摩擦學的角度來看，它與輪軌系統(tǒng)的特性和環(huán)境狀況有關，不同的載荷、滑動與潤滑情況能夠誘發(fā)不同的磨耗機理，如制動盤溫度引起的摩檫力不均對輪軌蠕滑的影響。制動顫振引起車輪表面形成規(guī)律的滑動區(qū)，牽引系統(tǒng)引起的車輪表面形成規(guī)律的滑動區(qū)，這些變量的微小變化可能導致磨損速率發(fā)生較大變化。從固體力學觀點來看，輪軌間的接觸力、接觸應力和表面應力將導致車輪出現(xiàn)塑性變形和疲勞[3]。車輪非圓化會加劇輪軌動態(tài)作用，產生高頻輪軌沖擊振動，對車輛和軌道部件產生破壞[4]，使乘客乘坐舒適性下降[5-6]，該現(xiàn)象已引起鐵路部門和科研院所越來越多的關注。

此次研究高階車輪多邊形，表現(xiàn)為車輪一周形成規(guī)則的17～23階多邊形。首先，對運營的高速動車組進行大量的車輪多邊形測量，統(tǒng)計分析車輪多邊形發(fā)生規(guī)律，尋找與多邊形發(fā)生的相關因素；其次，通過線路測試研究車輪多邊形對車輛振動的影響，根據(jù)多邊形及振動測試結果制定了車輪多邊形的維護限值；最后，在車輪多邊形形成機理研究清楚前，利用車輪鏇床優(yōu)化、車輪表面滾壓、踏面修形裝置、動態(tài)多邊形檢測等手段，及時消除、控制運營過程中產生的車輪多邊形問題。

2 影響因素

目前車輪多邊形產生的機理尚未明晰，多邊形成因分析采取了廣泛調查、系統(tǒng)分析的方法。首先對我國運營的動車組進行車輪多邊形磨耗測試，調查包括哈大、京滬、武廣高鐵等30萬～240萬km線路，測試了8萬多個車輪多邊形磨耗數(shù)據(jù)，包含從新輪到磨耗輪的不同車輪狀態(tài)（見圖1）。對已有的車輪多邊形數(shù)據(jù)進行分析，從車輛系統(tǒng)考慮，分析了車輪直徑、動車與牽引、拖車與制動、不同車輪結構等轉向架差異對車輪多邊形產生的影響；從輪軌耦合角度對轉向架和軌道系統(tǒng)的模態(tài)、振動響應進行分析；從運行條件角度對不同線路、不同運行速度、不同氣候條件引起牽引制動故障等產生多邊形的比例進行分析；從維護角度調查目前鏇修設備是否能夠消除已存在的車輪多邊形。

圖1 車輪多邊形情況調查

車輪多邊形磨耗為車輪周向磨耗問題，在車輪滾動圓附近沿周向形成波浪形磨耗（見圖2）。為能精確測量車輪多邊形磨耗狀態(tài)，測量時需將輪對懸空并能夠自由轉動，測量設備每隔1 mm進行1次徑向跳動測量，精度大于1 μm，可以分辨波長大于2 mm的車輪表面不平順。

圖2 車輪多邊形磨耗示意圖

研究以粗糙度水平衡量對應階次的量級，單位為dB/μm（簡稱dB），車輪粗糙度水平

式中：是車輪不圓度外形粗糙度r（x）的均方值在1/3倍頻程k中進行量化；為車輪粗糙度的參考值。根據(jù)車輪多邊形測試數(shù)據(jù)與軸端振動量級、軸端振動引起故障的對比分析，18～23階多邊形對應的粗糙度大于25 dB時，認定車輪存在明顯多邊形。車輪多邊形圖例見圖3。

圖3 車輪多邊形圖例

圖4 不同運營里程多邊形車輪占比情況

對不同運營里程下多邊形進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)運營里程較長的車組多邊形發(fā)生比例較高（見圖4）。對比動、拖車車輪多邊形數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，車輪直徑較大時，動車與拖車多邊形發(fā)生比例相當；輪徑較小時，動車多邊形發(fā)生比例明顯高于拖車。研究推斷該現(xiàn)象與動、拖車輪徑磨耗限值不同有關（動車輪徑磨耗限值為830 mm，拖車輪徑磨耗限值為860 mm）。

隨著車輪直徑減小，輪軌間的接觸應力會隨之增大，但其他車型新輪直徑為860 mm，未明顯大比例發(fā)生車輪多邊形現(xiàn)象，可排除輪軌接觸應力是多邊形形成的主要因素。車輪經過熱處理工藝后，車輪表面的硬度一般較車輪磨耗到限的硬度偏大，對車輪進行切片硬度測量，車輪表面硬度較磨耗到限的硬度高20～25 HB（見圖5），可推斷運行里程長、車輪直徑小的動車組發(fā)生多邊形比例較高的原因與車輪硬度降低有關。為驗證車輪多邊形發(fā)展與車輪硬度的對應關系，對發(fā)生多邊形的車輪與未發(fā)生多邊形的車輪進行對比切片硬度檢測，由于車輪表面經過運營可能存在滾動硬化現(xiàn)象，取車輪表面以下35 mm處的硬度進行比較（見圖6），出現(xiàn)車輪多邊形的硬度較未出現(xiàn)多邊形的硬度低約10 HB，說明硬度越低越容易發(fā)生車輪多邊形現(xiàn)象，提高車輪硬度是抑制多邊形發(fā)生、發(fā)展的措施之一。

圖5 車輪切片硬度測試

將相同運行線路車輪多邊形的波長與輪徑進行分析對比，發(fā)現(xiàn)隨著車輪直徑降低，車輪多邊形的階次也隨之減少（見圖7），車輪直徑920～890 mm時，一般為20邊形；車輪直徑890～860 mm時，一般為19邊形；車輪直徑小于860 mm時，一般為18邊形，波長固定在140～150 mm之間。動車組的運行速度相對固定，因此車輪多邊形的振動頻率相對固定，當車輛以300 km/h運行，多邊形引起的振動頻率約為580 Hz；而不同線路條件下車輪多邊形的波長存在一定差異，當車輪直徑均為920 mm時，運行速度均為300 km/h，在個別線路運營時，車輪多邊形波長為131 mm，表現(xiàn)為22邊形，初步推斷車輪多邊形的成因與車輛、軌道系統(tǒng)的固有特性有關。

將車輪多邊形數(shù)據(jù)與不同車輛踏面類型、軸承型號、齒輪箱型號、牽引系統(tǒng)等進行對比分析，多邊形發(fā)生比例相當；從頻率、模態(tài)、輪軌蠕滑等方面對存在多邊形的車輛與未發(fā)生車輪多邊形的車輛進行相關性分析，未發(fā)現(xiàn)明顯相關特征。

圖6 有、無多邊形車輪35 mm處硬度對比

圖7 車輪直徑與車輪多邊形階次的對應關系

3 對車輛振動的影響

對存在車輪多邊形的車輛進行鏇修前后對比測試（見圖8），當車輪存在多邊形時，軸端垂向振動加速度超過70 g，超出了軸端安裝部件設計限值，容易發(fā)生部件疲勞破壞故障；當車輪鏇修并消除多邊形后，軸端垂向振動加速度小于50 g，低于IEC61373標準規(guī)定的限值。對存在多邊形輪對的軸端振動加速度進行時頻分析，發(fā)現(xiàn)在啟動或運行速度較低時，軸端振動主頻特性不明顯，振動能量較小，但列車以300 km/h恒速運行時，振動表現(xiàn)為單一主頻580 Hz，振動能量較大（見圖9）；車輪鏇修后580 Hz振動主頻消失。當列車以300 km/h運行時，車輪直徑為920 mm，20階車輪多邊形產生的振動頻率為580 Hz；而當前后車輪均存在多邊形時，同一側的車輪由于輪徑差導致車輪轉頻不同，前輪的振動由鋼軌傳遞至后輪，相互疊加可能形成拍振加劇輪對振動（見圖10），因此當車輪存在多邊形時，需要及時進行鏇修。

圖8 有無車輪多邊形軸端振動加速度對比

圖9 有多邊形輪對軸端振動時頻圖

圖10 前后輪均存在多邊形的拍振情況

對存在車輪多邊形的車輛進行振動傳遞分析，當車輪存在多邊形時，軸箱、構架、車體均存在多邊形對應的激擾頻率，且為振動主頻，轉向架兩系懸掛無法徹底隔離580 Hz的高頻振動（見圖11）。但構架、車體振動得到了較大的衰減，衰減率約為1/10，由于振動頻率較高，且幅值較小，車內主要表現(xiàn)為噪聲。對比鏇修前后有無多邊形的轉向架等效應力變化情況，除制動夾鉗處有多邊形時等效應力明顯增加，但仍遠低于1 500萬km等效應力70 MPa限值，有較高的安全裕度，車輪多邊形對轉向架其他測點應力無明顯影響（見表1）。

圖11 車輛兩系懸掛對車輪多邊形激擾的隔振特性

4 控制措施

4.1 車輪鏇修工藝改進

目前我國采用不落輪全鏇床定期對車輪進行修形，恢復踏面形狀，確保車輛的動力學性能，主要解決了車輛的橫向穩(wěn)定性問題，但對于車輪圓周不均勻磨耗修形考慮較少。為此從驅動輪徑跳、進刀量及鏇修次數(shù)等角度進行鏇修，以消除車輪多邊形，鏇修前人工將車輪打磨成多邊形。試驗結果顯示，當驅動輪徑跳大于0.10 mm時，加大鏇修量或者增加鏇修次數(shù)無法消除多邊形；驅動輪徑跳小于0.08 mm時，第一次鏇修可有效降低高階多邊形的幅值，但不能徹底消除已存在的多邊形，第二次鏇修后，高階多邊形消除的效果較好，不存在0 dB以上的高階多邊形，可有效消降低高階多邊形的幅值（見圖12）。

表1 有無車輪多邊形對轉向架關鍵部位應力的影響 MPa

圖12 車輪鏇修后車輪多邊形消除效果

對目前運用的不落輪鏇床進行分析，為采用的驅動輪上壓定位，非中心孔定位，驅動輪既提供旋轉動力，也提供上壓支撐，車輪多邊形對鏇輪進刀量的影響公式為：

驅動輪直徑為220 mm，間距為440 mm，且車輪與不落輪鏇床驅動輪相接觸區(qū)域存在多邊形，波長介于140～150 mm時，如車輪存在多邊形引起的凸起，驅動輪被迫下降，進刀量隨之減小，鏇床有仿形特征，無法完全消除車輪多邊形。如要有效消除存在的車輪多邊形，需要對既有不落輪鏇床進行適應性改進，可考慮增加下支撐結構模擬中心孔定位，而驅動輪僅提供車輪鏇修的旋轉驅動力。車輪鏇修后車輪多邊形消除效果見圖13。

圖13 車輪鏇修后車輪多邊形消除效果

4.2 機械滾壓提高車輪表面硬度

我國客運專線鋼軌主要有2種材質，CH60廓形鋼軌材質為U75VG，60N廓形鋼軌材質為U71MnG；動車組采用ER8、ER8C、ER9、SSW-Q3R等4種車輪材質硬度匹配。其中，SSW-Q3R硬度最高，ER9次之，ER8C、ER8硬度最低（見表2）。雖然ER8C、ER8標準中要求硬度一致，但由于材質及熱處理差異，ER8C較ER8硬度大15～20 HB。

表2 我國高鐵輪軌硬度匹配情況

多邊形磨耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示當車輪硬度偏低時，多邊形發(fā)生比例明顯增高，可考慮增加車輪硬度，降低車輪多邊形發(fā)生比例。當車輪接近磨耗到限時，車輪表面硬度隨之降低，屬于車輪材料熱處理特性，較難通過改變車輪熱處理工藝提高車輪磨耗到限位置的車輪硬度，可考慮對出現(xiàn)多邊形的車輪進行機械滾壓。通過表面一定程度塑性變形增強表面強度，提高車輪表面硬度，降低車輪多邊形的發(fā)生比例。通過臺架試驗研究不同滾壓力對提升車輪表面硬度的影響，試驗結果顯示，通過增加滾壓力可使表面硬度提升20%以上，且可一定程度上改善車輪周向硬度不均，即滾壓前硬度越小，增加量越大；硬度越大，增加量越小的問題（見圖14）。

圖14 車輪滾壓前后硬度變化情況

4.3 車輛增加踏面修形裝置

提高車輪硬度雖然可避免或緩解車輪多邊形的發(fā)生、發(fā)展，但車輪硬度與車輪材料斷裂韌性、材料化學成分、顯微組織等有直接關系，較難大幅度提高。而車輪多邊形又容易引起車輛的異常振動。鑒于車輪多邊形成因較多，國內外學者對發(fā)生機理尚存爭論，面對我國鐵路工程的迫切需求，首先從控制車輪多邊形發(fā)展的角度出發(fā)，使車輪多邊形控制在一定范圍內。參考踏面制動的結構形式，研究增加踏面研磨修形裝置，當車輪存在多邊形時，定時施加摩擦消除多邊形。踏面研磨修形裝置研發(fā)時為盡量減小車輪磨耗，考慮了研磨子與車輪之間的硬度匹配、研磨子作用時間等因素；結構可靠性方面考慮了研磨修形裝置的模態(tài)匹配和施加時的振動響應問題。研磨子消除多邊形的臺架試驗見圖15。

對存在多邊形的輪對進行跟蹤測試，測試結果顯示，當多邊形對應的波形幅值小于5μm時，多邊形擴展速率較慢，每萬公里多邊形磨耗幅值僅增加0.3 μm，多邊形越明顯，多邊形的擴展速率越快；當多邊形對應的波形幅值大于10 μm時，每萬公里多邊形磨耗幅值增加大于3.1 μm（見圖16）。因此，如果在車輪多邊形形成初期施加研磨，不需要較大的摩擦量就可以有效消除車輪多邊形，并抑制多邊形的持續(xù)發(fā)展。調查18～20階車輪多邊形對應的幅值均小于0.1 mm，只要維護周期內通過研磨子磨耗小于0.05 mm甚至更低，就可有效消除車輪多邊形。研磨子臺架磨耗試驗結果顯示，當研磨子施加8 000 km的有效作用里程，19階多邊形對應的粗糙度由18 dB降低至0 dB，無明顯高階多邊形，等效實際運營里程的車輪踏面磨耗量，每20萬km約為0.1 mm。對試驗前后的車輪踏面等效錐度進行分析，研磨子的磨耗對車輪等效錐度影響較小。研磨里程與去除多邊形效果見圖17。

圖15 研磨子消除多邊形臺架試驗

圖16 不同多邊形幅值的多邊形擴展速率

圖17 研磨里程與去除多邊形效果

針對車輪多邊形的成因較多，無法徹底消除車輪非圓化的現(xiàn)狀，中國鐵道科學研究院嘗試利用軌邊檢測裝置檢測車輛車輪多邊形狀態(tài)，可根據(jù)多邊形不同傷損程度，確定不同的維護等級，在車輪多邊形影響車輛振動之前及時進行維護。

5 結論

研究動車組車輪多邊形的特征、產生原因、車輪多邊形對車輛振動影響、抑制車輪多邊形的措施等，得到如下結論：

（1）車輪多邊形波長相對固定，不隨輪徑變化而變化，多邊形引起的振動頻率恒定，推斷車輪多邊形的產生與軌道、車輛的固有特性有關；

（2）通過提高車輪硬度可降低車輪多邊形的發(fā)生概率；

（3）車輪多邊形容易增加車輛振動，需及時鏇修消除車輪多邊形，對于目前特定條件下多邊形無法消除情況，應對鏇床進行優(yōu)化；

（4）通過增加研磨子裝置，可有效消除已出現(xiàn)的車輪多邊形。

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On the lnfluencing Factors and lnhibiting Measures of Wheel Polygons of High-speed EMUs

SONG Chunyuan，SHEN Wenlin，LI Xiaofeng，CUI Litong
（CRRC Changchun Railway Vehicles Co Ltd，Changchun Jilin 130062，China）

On the basis of summarizing the domestic and international studies on the polygons of wheels, the polygon of EMU wheels is investigated and the polygon data of the tested wheels are statistically analyzed. The paper looks for factors causing wheel polygons based on systematic study on aspects such as wheel polygons and the running speed, the operating conditions of the line, and the vehicle structure. It looks at the impact of wheel polygons on vehicle vibration, compares and tests the condition of EMUs with wheel polygons before and after repair, and finds that wheel polygons cause beat vibration, resulting in increased vibration of axle boxes. This paper also looks at the influence of reducing the wheel polygons on ride comfort and the reliability of bogies, studies the relationship between various amplitudes of different polygons and the vibration of the vehicle, proposes an optimized repair process for reducing polygons, and puts forward ways to reduce polygons appear during operation by controlling radial beats of driving wheels, adding jacking device, implementing double-lathe repair, etc. It also suggests adjusting wheel materials and using wheel rolling to increase the wheel strength, reduce wheel wear and delay the development of polygons, and describes a tread grinding device which is lately developed and can be applied in operation to eliminate polygons and reduce concave tread wears. As the causes of the wheel polygons are verified, non-rounding of the wheel cannot be completely eliminated, the paper proposes to detect the status of wheels with track detection device, and carry out maintenance before wheel polygons impact vehicle vibration.

high-speed EMU；wheel polygonal；modal；hardness；wheel repair；wheel-rail matching

U226.2

A

1001-683X（2017）11-0033-08

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.033

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目（Z2015—J006）

宋春元（1980—），男，高級工程師，碩士。E-mail：chunyuansong@163.com

責任編輯 李葳

2017-07-15