汪林峰， 陳清明，2， 陳國勝，2， 陳喜紅，2

（1. 中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412001；2. 大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室，湖南株洲 412001）

1 概述

車輪失圓是鐵路系統(tǒng)中較為常見的問題，車輪失圓（尤其是車輪高階多邊形）會引起許多嚴重問題。由車輪失圓所產(chǎn)生的周期性輪軌力會傳遞給列車和軌道部件，引起部件的損壞或失效［1-2]，會顯著降低部件的疲勞強度（如軸箱轉(zhuǎn)臂）［3]。車輪多邊形還會顯著增加機車車輛運行過程中的振動噪聲。相關(guān)研究表明，車輪多邊形是導致HXD1C 型機車運行過程中司機室振動較大的原因；高速列車車輪多邊形引起齒輪箱箱體共振，導致齒輪箱箱體振動劇烈；車輪第20 階多邊形是使高速列車車內(nèi)振動和噪聲偏大的主要原因；在極端情況下車輪失圓可能會引起安全問題，如1998年德國發(fā)生的ICE高速列車脫軌事故，就是由于車輪失圓導致車輪萌生裂紋引起車輪崩裂所致［4-7]。

車輪失圓問題在我國鐵路和城市軌道交通系統(tǒng)運用現(xiàn)場廣泛存在，如直線電機地鐵列車、B 型地鐵列車、25G 客車和HXD1 型機車，均有車輪失圓問題的相關(guān)報道［8-9]。我國高速動車組也存在車輪多邊形，通過安裝踏面清掃裝置可有效抑制多邊形的發(fā)展［10-11]。目前，在處理車輪失圓問題時普遍采用鏇修的方法。該方法最直接，效果也較明顯，但不可避免會增加機車車輛的運營維護成本。治理車輪失圓問題最根本的辦法就是找到車輪失圓的形成機理和關(guān)鍵影響因素，然后采取相應措施。通過對不同型號HXD1 型機車車輪不圓度進行大量的測試和統(tǒng)計分析，為調(diào)查車輪失圓的形成機理提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 車輪不圓度測試和數(shù)據(jù)處理方法

車輪不圓度測試采用機械接觸測量方法，測試現(xiàn)場見圖1。為保證測試過程中車輪可繞軸心自由旋轉(zhuǎn)，采用機務段頂輪檢測專用的液壓千斤頂將輪對頂起，使輪對與鋼軌分離2～3 mm。將不圓度測試專用設(shè)備固定于鋼軌上方，位移傳感器與車輪垂直接觸，用于記錄車輪不圓度信息；旋轉(zhuǎn)傳感器用于測量車輪的周長信息，以便準確記錄位移傳感器所測不圓度的相位信息。

傳感器采集車輪1周的非圓化數(shù)據(jù)，實際為車輪各相位處的半徑波動量。數(shù)據(jù)處理時將車輪的平均半徑定義為非圓化幅值的0值，比平均半徑大的位置在非圓化幅值圖上標示為正值，比平均半徑小的位置則為負值，其值的大小代表車輪半徑偏離程度。

圖1 車輪不圓度測試現(xiàn)場

車輪周期性的多邊形見圖2，變化的圓周曲線依次定義為1階（偏心）、2階（橢圓）和3階（三邊形）多邊形，依次類推還有高階多邊形。實際情況下的車輪是非周期性不圓順，即由不同幅值、階次和相位的諧波疊加而成。

圖2 車輪周期性的多邊形

通常采用徑跳值和粗糙度水平作為車輪非圓化的評價指標。車輪徑跳值是指車輪圓周上不同位置處的半徑最大值與最小值之差，用于評價車輪1周上的非圓化程度（見圖3），然而徑跳值不能完全反映車輪多邊形特征。

粗糙度水平可反映每階多邊形的貢獻量，其數(shù)值越大說明該階次多邊形所占成分越大。粗糙度水平Lrk定義如下：

式中：rk2為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；rref2為車輪粗糙度的參考值。

在國際標準單位下頻帶中心波長為：

在每個1/3 倍頻程中將所得窄帶頻譜幅值的平方再求和，并除以計算點數(shù)即可獲得rk2。在粗糙度的定義中，10 μm 粗糙度的有效幅值（均方根值）對應20 dB的粗糙度等級，而1 μm 的粗糙度幅值則對應0 dB 粗糙度等級。

3 車輪不圓度測試結(jié)果及分析

從2013年開始對4 種干線HXD1 型機車超過4000 個車輪進行了不圓度測試。機車車型信息見表1，4種機車均采用電制動和輪盤制動。

表1 機車車型匯總

3.1 典型測試結(jié)果

在車輪不圓度測試過程中，發(fā)現(xiàn)HXD1 和HXD1C 型機車存在明顯的多邊形（見圖4），圖中數(shù)字表示測量位置離輪背的距離，如“70”表示距離輪背70 mm 處，即名義滾動圓處車輪不圓度。典型多邊形為18、19 和24 邊形（圖4 僅給出19 邊形測試結(jié)果）。18 和19 邊形對應的1/3 倍頻程中心波長為200 mm，24 邊形對應的1/3倍頻程中心波長為160 mm。對個別車輪踏面不同橫向位置的不圓度進行了測量，發(fā)現(xiàn)幾乎整個踏面均存在相同形式的失圓。此外，同一輪對左右車輪幾乎表現(xiàn)為相同的多邊形，且相位基本一致。

某車輪采用機加工鏇修時一次進刀鏇修后的車輪踏面狀態(tài)見圖5。由于鏇修時進刀量較小，車刀未切削到踏面中部車輪多邊形波谷處的材料，在車輪踏面上留下明顯黑皮，可清晰看出留下的黑皮呈現(xiàn)明顯的波浪形，即該車輪出現(xiàn)明顯的諧波磨耗。

3.2 不同車型對比

3.2.1 國產(chǎn)化HXD1型機車

安康機務段HXD1型機車共測試71臺次，共測試車輪1088 個，測試的機車中鏇后最高運行里程13.33 萬km。小于5 萬km 的車輪共測試912 個，5 萬～10萬km的車輪共測試128個，大于10萬km的車輪共測試48個。

圖4 典型車輪不圓度測試結(jié)果

安康機務段HXD1 型機車所有測試車輪徑跳值見圖6。車輪徑跳值離散性較大，并不隨鏇后里程呈線性增加，最大徑跳值接近0.6 mm。當機車鏇后運行里程小于5 萬km 時，64.4%的車輪徑跳值小于0.1 mm，僅2.0%的車輪徑跳值超過0.3 mm；當鏇后運行里程在5 萬～10 萬km 時，徑跳值在0.1～0.2 mm 的車輪占主導，占比41.3%，10.0%的車輪徑跳值超過0.3 mm；當鏇后里程大于10 萬km 時，仍是徑跳值在0.1～0.2 mm的車輪占主導，占比58.3%，8.3%的車輪徑跳值超過0.3 mm；鏇后運行里程超過5 萬km 后出現(xiàn)了徑跳值超過0.5 mm的車輪。

圖5 某車輪鏇修后車輪踏面狀態(tài)

圖6 安康機務段HXD1型機車所有測試車輪徑跳值

安康機務段HXD1 型機車高階多邊形統(tǒng)計結(jié)果見圖7，統(tǒng)計了16～20 邊形和24 邊形的占比，統(tǒng)計時僅考慮粗糙度水平超過10 dB且存在峰值的多邊形階次。

由圖7可知：

（1）不同運行里程下，18 和19 邊形的占比最高，鏇后運行里程小于5 萬km、5 萬～10 萬km 和大于10 萬km 的18～19 邊形占比分別為62.1%、48.4%和72.9%，即在安康機務段測試的HXD1 型機車車輪中有61.1%的車輪存在18或19邊形。

（2）隨著運行里程的增加車輪多邊形現(xiàn)象越明顯，鏇后運行里程小于5 萬km、5 萬～10 萬km 和大于10 萬km 時高階多邊形（16～20 階和24 階）粗糙度水平高于20 dB 的車輪占出現(xiàn)多邊形車輪的比例分別為30.5%、52.3%和89.6%。

圖7 安康機務段HXD1型機車高階多邊形統(tǒng)計結(jié)果

3.2.2 西門子原型HXD1型機車

在湖東機務段測試了6 臺西門子原型HXD1 型機車部分車輪的不圓度，共測試了44個車輪。

以HXD10017 機車車輪不圓度測試結(jié)果為例進行說明（見圖8）?？梢?，雖然車輪的粗糙度水平較高，但未出現(xiàn)明顯突出的多邊形階次。

湖東機務段HXD1 型機車各測試車輪的徑跳值統(tǒng)計見圖9?？梢?，車輪徑跳值普遍低于0.4 mm，最大徑跳值接近0.5 mm。

圖8 湖東機務段HXD10017機車車輪不圓度階次

3.2.3 神華號HXD1型機車

在國家能源集團大準機務段對4 臺神華號HXD1 型機車進行了車輪不圓度測試，測試結(jié)果顯示：

（1）測試的4 臺機車均出現(xiàn)非常明顯的17～19 邊形，其中3臺機車幾乎每個車輪均出現(xiàn)明顯的多邊形。

（2）車輪的徑跳值普遍在0.20 mm以內(nèi)，最大徑跳值接近0.38 mm。

3.2.4 HXD1B型機車

在機車不圓度調(diào)查過程中，僅在向塘機務段測試了3 臺HXD1B 型機車的不圓度，分別為HXD1B0180、HXD1B0188和HXD1B0556機車，測試時3臺機車總運行里程分別為24.3 萬、92.9 萬和41.6 萬km。不圓度階次和徑跳值見圖10和圖11。由測試結(jié)果可知：

（1）測試的3臺HXD1B型機車未出現(xiàn)明顯的高階多邊形，僅HXD1B0556機車出現(xiàn)輕微的24邊形；

（2）機車主要表現(xiàn)為偏心和低階多邊形磨損，如4～8階，可能由車輪擦傷所致；

（3）個別車輪可能存在擦傷，車輪徑跳值非常大，約為1.3 mm。

圖10 HXD1B0556機車車輪不圓度階次

圖11 HXD1B型機車車輪不圓度徑跳值統(tǒng)計

3.2.5 HXD1C型機車

2016年在株洲機務段、嘉峪關(guān)機務段和西寧機務段對HXD1C 型機車進行了車輪不圓度測試，分別測試了3臺、2臺和2臺。由測試結(jié)果可知，7臺機車的圓度狀態(tài)非常好，無高階多邊形，主要為偏心磨損。但2013年在西寧機務段對HXD1C 型機車進行測試時，發(fā)現(xiàn)當時HXD1C 型機車與安康機務段HXD1 型機車類似，存在明顯的車輪多邊形現(xiàn)象。

3.2.6 HXD1D型機車

2016年在武昌南機務段對HXD1D0004 和HXD1D0007 機車進行了車輪不圓度測試。此外，對蘭州機務段HXD1D0093 機車（總走行里程36.60 萬km，未鏇過輪）和西寧機務段HXD1D0328 機車（總走行里程16.25萬km，未鏇過輪）也進行了不圓度測試。測試結(jié)果顯示：

（1）測試的4 臺HXD1D 型機車未出現(xiàn)明顯的高階多邊形，僅HXD1D0004機車6軸右輪出現(xiàn)明顯8邊形；

（2）機車主要表現(xiàn)為偏心和低階多邊形磨損，如4～8階，可能由車輪擦傷所致；

（3）個別車輪可能存在擦傷，車輪徑跳值非常大，約為1.7 mm。

3.3 制動系統(tǒng)影響研究

安康機務段HXD11201—1216 機車采用克諾爾制動系統(tǒng)，其他HXD1 型機車采用DK2 制動系統(tǒng)。所有測試的克諾爾制動系統(tǒng)機車鏇后運行里程均小于5 萬km。2 種制動系統(tǒng)機車的徑跳值和高階多邊形見圖12 和圖13。由統(tǒng)計結(jié)果可知，采用克諾爾和DK2 制動系統(tǒng)的機車均出現(xiàn)了相同形式的多邊形，鏇后運行里程小于5萬km時，均有約60%的車輪出現(xiàn)18或19邊形，可見，HXD1型機車車輪多邊形與制動系統(tǒng)無關(guān)。

圖122 種制動系統(tǒng)機車徑跳值統(tǒng)計

3.4 制動方式影響研究

機車在制動過程中存在電制動和空氣制動2種制動模式。通常情況下機車主要采用電制動，僅在減速停車時施加空氣制動。為了調(diào)查制動方式對車輪多邊形發(fā)展的影響，在安康機務段選取了HXD11076 和HXD11191 機車，鏇輪后進行空電聯(lián)合切除試驗，將原本優(yōu)先采用的電制動的制動力換算成空氣制動力，因此切除試驗后的制動方式是全部改用空氣制動，不用電制動。

對試驗機車進行了2個多月的跟蹤測試，測試結(jié)果見圖14?？梢姡焊淖冎苿臃绞胶?，鏇修后殘留的多邊形照常發(fā)展，改變制動控制方式并不能有效抑制車輪多邊形的發(fā)展，即制動方式不是影響車輪多邊形發(fā)展的關(guān)鍵因素。

圖132 種制動系統(tǒng)機車高階多邊形統(tǒng)計

圖14 制動方式對車輪徑跳值發(fā)展的影響（1076#機車）

3.5 結(jié)果討論

由以上測試結(jié)果可知，HXD1 和HXD1C 型機車在個別機務段出現(xiàn)明顯車輪多邊形現(xiàn)象，而HXD1B 和HXD1D 型機車車輪圓度狀態(tài)較好。通過進一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)明顯多邊形現(xiàn)象的機車主要出現(xiàn)在裝備某老式不落輪鏇床的機務段，如安康、大準、迎水橋、蘭州等機務段。該型鏇床采用車輪踏面定位鏇修。由圖4測試結(jié)果可知，如果車輪存在多邊形，在車輪踏面整個接觸光帶內(nèi)均存在相同形式的多邊形。如果采用踏面定位鏇修，在定位點處車輪存在多邊形，由于車輪鏇修的仿形作用，將會導致車輪鏇修后殘留明顯的多邊形，這對多邊形的發(fā)展極為不利。

2013年在西寧機務段調(diào)研測試時（裝備某老式不落輪鏇床），車輪多邊形非常明顯，主要表現(xiàn)為18 或19 邊形，且鏇修后車輪多邊形特征幾乎不變，僅徑跳值略有降低。車輪鏇修后運行不久機務段即反映機車出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象。2014年后西寧機務段裝備了采用軸箱定位鏇修的某新式不落輪鏇床，采用該鏇床鏇修后車輪圓度狀態(tài)較好，之后未再反映異常振動問題。2016年再次去西寧機務段進行調(diào)研測試時，車輪圓度狀態(tài)良好，所測試的2臺機車均未出現(xiàn)多邊形現(xiàn)象。

安康機務段與西寧機務段類似，2016年前也是采用某老式不落輪鏇床進行鏇修，經(jīng)常反映異常振動問題，車輪同樣出現(xiàn)明顯多邊形。2016年初裝備了某新式不落輪鏇床，之后幾乎沒再反映異常振動問題，后期車輪不圓度測試結(jié)果也表明該機務段車輪圓度狀態(tài)良好。

從以上2 個機務段HXD1C 和HXD1 型機車運用情況來看，在使用某老式不落輪鏇床鏇修時車輪多邊形明顯，且經(jīng)常反映異常振動問題，改用新式不落輪鏇床鏇修后這些問題幾乎沒再反映。因此，車輪鏇修方式對車輪多邊形的形成和發(fā)展具有重要作用，采用軸箱定位鏇修的車輪圓度狀態(tài)明顯好于采用踏面定位鏇修的車輪。

此外，HXD1 和HXD1C 型機車分別為2 軸和3 軸轉(zhuǎn)向架機車，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)完全不同，但車輪多邊形表現(xiàn)形式幾乎一樣。值得注意的是，這2個型號的機車驅(qū)動裝置一樣。車輪多邊形磨耗的形成是否與驅(qū)動裝置相關(guān)還有待進一步研究。

4 結(jié)束語

通過一系列試驗，對4 種干線HXD1 型機車車輪不圓度進行了測量，并研究了制動系統(tǒng)、制動方式對車輪多邊形的影響，得到以下結(jié)論：

（1）HXD1 和HXD1C 型機車車輪存在明顯的17～19邊形。

（2）HXD1B、HXD1D型機車未發(fā)現(xiàn)明顯多邊形，但個別車輪由于存在較嚴重擦傷，導致車輪的徑跳值較大。

（3）HXD1 型機車車輪多邊形與制動系統(tǒng)和制動控制方式關(guān)系不大。

（4）車輪鏇修時的定位方式對車輪多邊形磨耗的形成和發(fā)展具有重要影響，改善車輪鏇修方式能有效控制車輪多邊形磨耗的形成和發(fā)展。