劉志遠(yuǎn) 高純友 陰曉銘 李 濤 薛世海 趙正華

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部， 130062，長(zhǎng)春//第一作者，高級(jí)工程師)

北京地鐵14號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“14號(hào)線”)東段于2013年5月開始上線運(yùn)營，2016年5月乘客反饋車輛存在振動(dòng)和噪聲等異?，F(xiàn)象。跟蹤發(fā)現(xiàn)，該線大多數(shù)車輛均存在上述異?，F(xiàn)象，且較嚴(yán)重的異常振動(dòng)和噪聲出現(xiàn)的線路區(qū)段基本相同。

針對(duì)14號(hào)線車輛振動(dòng)和噪聲異常的特點(diǎn)初步判斷：①該現(xiàn)象非個(gè)別現(xiàn)象，屬于系統(tǒng)問題；②在運(yùn)營初期未出現(xiàn)，說明其可能與車輪和軌道磨耗狀態(tài)有關(guān)；③出現(xiàn)較嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲異常的線路區(qū)段基本相同，說明其與線路狀態(tài)有一定聯(lián)系。為確認(rèn)振動(dòng)和噪聲異常的產(chǎn)生原因，本文選擇了不同運(yùn)營里程的多組車輛,并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試和分析。

1 車輪踏面狀態(tài)測(cè)試分析

對(duì)14號(hào)線車輛輪對(duì)的車輪廓形、車輪周向非圓化(或稱車輪多邊形磨損)及踏面硬度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試車輛信息如表1所示。

表1 北京地鐵14 號(hào)線測(cè)試車輛運(yùn)營里程信息

車輪周向非圓化測(cè)試結(jié)果顯示，車輪踏面存在車輪周向表現(xiàn)幾何偏心以及11～16邊形磨損等現(xiàn)象;8萬～12萬km是車輪多邊形發(fā)展高峰期，12 萬km之后，車輪平均的11～16 邊形粗糙度水平表現(xiàn)顯著，其值為25～30 dB，如圖1 所示。從圖1可以看出，鏇修后的211車輛的車輪仍然有16～17 邊形現(xiàn)象，說明鏇修不能較為理想地消除車輪多邊形現(xiàn)象，該現(xiàn)象與鏇床車輪定位方式有關(guān)，鏇床采用的是驅(qū)動(dòng)輪定位方式，不利于消除多邊形和幾何偏心。

車輪廓形和踏面硬度測(cè)試結(jié)果顯示，運(yùn)營里程大于8萬km時(shí)，車輪磨耗表現(xiàn)為以踏面磨耗為主、輪緣磨損輕微；運(yùn)營里程小于8 萬 km時(shí)，踏面磨耗和輪緣磨損都較小(見圖2)。當(dāng)車輛運(yùn)營里程小于8 萬 km時(shí)，輪對(duì)的名義等效錐度隨著運(yùn)行里程的增大而增大，運(yùn)行里程大于8 萬km后，車輛輪對(duì)的平均名義等效錐度的變化范圍為0.55～0.75。不同運(yùn)營里程車輛車輪名義滾動(dòng)圓硬度值在312～336 HB之間，且相對(duì)穩(wěn)定。

因此，8萬～12萬km是車輪多邊形發(fā)展高峰期，且當(dāng)運(yùn)營里程處于8萬km左右時(shí)，車輪名義等效錐度非常大，易導(dǎo)致輪軌出現(xiàn)接觸疲勞現(xiàn)象。

a) 車輪的平均粗糙度水平

b) 11～16邊形車輪的平均粗糙度水平

a) 不同車輛的車輪磨耗量

b) 不同車輛輪對(duì)的平均名義等效錐度

2 鋼軌狀態(tài)測(cè)試分析

對(duì)14號(hào)線7 個(gè)區(qū)間的鋼軌不平順、焊接接頭不平順及鋼軌踏面進(jìn)行了測(cè)試(測(cè)試區(qū)間包含不同軌道結(jié)構(gòu)形式)。結(jié)果顯示，鋼軌波磨發(fā)展與軌道曲線半徑有關(guān)，波磨幅值隨著曲線半徑的增大而減小，如圖3所示。由圖3可知，半徑不大于400 m的曲線段上，波磨現(xiàn)象較嚴(yán)重；曲線半徑大于600 m的曲線段和直線段上，波磨現(xiàn)象較輕微。

注：R代表線路曲線半徑

圖3 重量級(jí)浮置板在不同曲線半徑處低軌/左軌不平順頻譜圖

對(duì)14號(hào)線4 個(gè)區(qū)間某車輛輪對(duì)R350 m圓曲線處的焊接接頭不平順情況進(jìn)行了隨機(jī)抽樣測(cè)量，結(jié)果顯示，曲線區(qū)段的大部分焊接接頭1 m 范圍內(nèi)中心位置處存在上凸現(xiàn)象(平直度允許偏差標(biāo)準(zhǔn)為不大于0.3 mm)，如圖4所示。

圖4 重量級(jí)浮置板在R 350 mm圓曲線處高軌/

采用鋼軌廓形測(cè)量裝置(Miniprof)和便攜式硬度儀對(duì)鋼軌廓形和軌頭硬度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，鋼軌硬度基本穩(wěn)定，其值范圍為295～312 HB。

3 車輛振動(dòng)噪聲測(cè)試分析

為驗(yàn)證車輪多邊型和軌道波磨對(duì)車輛振動(dòng)和噪聲的影響，對(duì)鏇輪前車輛226和新輪車輛238的振動(dòng)和噪聲整體水平進(jìn)行測(cè)試分析。其中客室前端的噪聲測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，車輪鏇修(消除車輪多邊形)可降低異常噪聲區(qū)間車輛內(nèi)噪聲7～9 dB(A)。轉(zhuǎn)向架軸箱垂向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,車輪鏇修(消除車輪多邊形)可大幅降低軸箱垂向振動(dòng)幅值。

圖5 客室前端噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比圖

4 典型區(qū)段車輛振動(dòng)噪聲特征分析

為進(jìn)一步說明車輪多邊形和軌道波磨對(duì)振動(dòng)和噪聲異常的影響，選取振動(dòng)和噪聲顯著且存在明顯波磨(主波長(zhǎng)為160～200 mm)區(qū)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行振動(dòng)特征分析。當(dāng)列車分別以55 km/h和60 km/h的速度運(yùn)行時(shí)，由波長(zhǎng)為160 ～ 200 mm的波磨導(dǎo)致的車輛通過頻率分別為：f55=76.4～95.5 Hz，f60=91.7～104.2 Hz。

圖6 轉(zhuǎn)向架軸箱垂向振動(dòng)加速度測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比圖

編號(hào)為226的車輛(有多邊形)和編號(hào)為238的車輛(無多邊形)通過上述區(qū)段時(shí)，噪聲時(shí)頻特性如圖7所示，上述車輛軸箱振動(dòng)時(shí)頻特性如圖8所示。由圖7～8可知：①在70～110 Hz頻率區(qū)間存在明顯的能量集中，該頻率與上述分析的列車通過頻率范圍相同；②有多邊形車輛比無多邊形車輛的能量集中更為顯著，說明車輪多邊形是引起振動(dòng)和噪聲異常的主要原因；③對(duì)于無多邊形車輛，50～110 Hz頻段的能量集中明顯降低，但仍然存在，說明軌道波磨是引起振動(dòng)和噪聲異常的另外一個(gè)原因。

由上述分析可知，車輪多邊形是導(dǎo)致車輛振動(dòng)和噪聲異常的主要原因，鋼軌波磨是導(dǎo)致車輛振動(dòng)和噪聲異常的另一重要原因；8萬～12萬km是車輪多邊形發(fā)展的高峰期；鋼軌波磨嚴(yán)重程度與軌道曲線半徑有關(guān)，半徑不大于400 m曲線段上的鋼軌波磨現(xiàn)象嚴(yán)重。

5 結(jié)語

綜上所述，消除或降低車輪多邊形和鋼軌波磨是改善車輛振動(dòng)和噪聲異常的有效措施。具體建議如下：

(1) 定期進(jìn)行車輪鏇修，輪對(duì)鏇修控制在12萬km以下(8萬km左右較理想)。

a) 226車(鏇修前)0～200 Hz時(shí)頻特性

b) 238車(新車輪)0～200 Hz時(shí)頻特性

a) 226車(鏇修前、2車1軸左輪軸箱)0～200 Hz時(shí)頻特性

b) 238車(新車輪、5車1軸左輪軸箱)0～200 Hz時(shí)頻特性

(2) 采用踏面潤滑及軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑，以控制輪軌摩擦系數(shù),降低車輪磨損和鋼軌波磨。

(3) 改善車輛制動(dòng)狀態(tài)下閘瓦與車輪踏面貼合度，以發(fā)揮踏面修型的功能。

(4) 將車輪鏇修工藝進(jìn)行改進(jìn)，建議采用軸箱支撐多次(取3次)對(duì)進(jìn)刀方式進(jìn)行鏇修。

(5) 定期打磨鋼軌，鋼軌打磨主要實(shí)施在半徑小于450 m的曲線段。

(6) 采用軌道吸振器(變參數(shù))來改善鋼軌波磨狀態(tài)。

(7) 在鋼軌波磨嚴(yán)重的區(qū)間，采用定期變化運(yùn)營速度，從而降低鋼軌波磨的繼續(xù)發(fā)展。