宋慶偉，伍安胥，陳 遜，李春來，相運成，任 毅，劉海濤

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213000；3.吉林交通職業(yè)技術(shù)學院，吉林 長春 130062)

近年來，在地鐵車輛服役過程中車輪踏面出現(xiàn)了多邊形磨耗現(xiàn)象，該現(xiàn)象加劇了輪軌動態(tài)相互作用，導致車輛和軌道產(chǎn)生強烈振動和噪聲，對車輛和軌道部件造成了破壞[1]。為了有效消除車輪多邊形磨耗，通常在車輛轉(zhuǎn)向架上安裝踏面修形器對車輪修形(圖1)，進而減少后期維修的工作量，提高車輛運營利用率。

圖1 踏面修形器對車輪修形

踏面修形器主要由研磨子、氣缸作動器和研磨子托組成。研磨子由摩擦體和背板組成，研磨子安裝于研磨子托上，并通過安裝鉤防止脫落，如圖2所示。踏面修形器的研磨子按照一定的控制邏輯對車輪踏面持續(xù)施加磨削作用，從而消除車輪踏面多邊形，提高輪軌黏著系數(shù)，延長車輪旋修周期和車輪使用壽命。由于個別踏面修形器在使用過程中背板出現(xiàn)裂紋，影響了車輛運用安全，所以，本文將針對踏面修形器背板裂紋原因進行分析，并制定有效措施，延長其使用壽命，保障車輛安全運行。

1 原因分析

圖3為某地鐵車輛在運營約25萬km后研磨子背板出現(xiàn)裂紋，可以看出，裂紋位于背板與安裝鉤配合處。

圖2 踏面修形器結(jié)構(gòu)圖

圖3 踏面修形器背板裂紋

1.1 材料理化分析

對開裂背板進行理化檢驗分析，分析結(jié)果表明，其化學成分、金相組織均滿足JIS G 3113：1990《汽車結(jié)構(gòu)用熱軋鋼板、薄板及鋼帶》中對SAPH400鋼板材料要求。如圖4所示，故障研磨子背板的微觀斷口表現(xiàn)為疲勞斷裂，裂源處可見疲勞貝殼紋，源區(qū)和擴展區(qū)表面均被磨光，瞬斷區(qū)呈韌窩微觀形貌，說明背板在運用過程中由于承受橫向彎曲應(yīng)力使其出現(xiàn)疲勞裂紋。

圖4 故障踏面修形器研磨子背板斷口微觀形貌

在生產(chǎn)現(xiàn)場，抽取新生產(chǎn)的研磨子背板實物實施滲透及磁粉檢測，結(jié)果顯示，踏面修形器背板未見異常，進一步說明原始裂紋缺陷出現(xiàn)在運用過程中。

1.2 線路振動測試分析

為了進一步分析踏面修形器振動情況，在試驗車的軸箱和踏面修形器上加裝加速度傳感器，在運營正線上對試驗車進行轉(zhuǎn)向架振動測試[2-3]。測試前對車輪多邊形情況進行檢查和測量[4]，發(fā)現(xiàn)試驗車存在車輪多邊形磨耗問題，以5階多邊形居多，且首尾車的車輪多邊形較為顯著。圖5、圖6分別為試驗車6車4軸右側(cè)車輪多邊形極坐標圖和試驗車車輪多邊形階次圖。

圖5 試驗車6車4軸右側(cè)車輪多邊形極坐標圖

圖6 試驗車車輪多邊形階次圖

對測試數(shù)據(jù)進行時域分析，結(jié)果顯示，開裂的踏面修形器振動加速度分別為496 m/s2(垂向)、509 m/s2(橫向)和430 m/s2(縱向)，均遠遠大于IEC 61373：2010《鐵路應(yīng)用 鐵道車輛設(shè)備 沖擊和振動試驗》中2類要求的限度值(300 m/s2)。圖7為軸箱和踏面修形器振動加速度頻域圖，可以看出，6車4軸右軸箱存在45 Hz和400～437 Hz主頻，踏面修形器安裝座僅有45 Hz主頻，而5車4軸右軸箱僅存在400～437 Hz主頻，說明踏面修形器疲勞損傷主要是因45 Hz的振動產(chǎn)生的，且此主頻振動源自于輪軌振動[5]。

圖7 軸箱和踏面修形器振動加速度頻域圖

為了進一步分析45 Hz輪軌振動產(chǎn)生的原因，結(jié)合車輛參數(shù)進行計算，圖8為測試車輛試驗速度曲線圖。

圖8 測試車輛試驗速度曲線圖

測試區(qū)間車輛速度約為85 km/h，利用式(1)計算得出：車輪為5階多邊形時的軸箱主頻f為45 Hz，說明軸箱、踏面修形器的主要振動能量源自于車輪多邊形激勵。

(1)

式中：v——車輛試驗速度，取v=85 km/h；

D——車輪直徑，取D=835 mm；

n——車輪多邊形階次，取5。

可見，踏面修形器背板早期疲勞裂紋主要是車輪5階多邊形導致的。輪軌振動使踏面修形器存在45 Hz的主頻，振動能量較大，致使踏面修形器背板出現(xiàn)早期疲勞裂紋。

2 優(yōu)化方案

基于上述裂紋分析結(jié)果對用戶現(xiàn)場條件進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)由于地鐵公司不具備車輪旋修條件，地鐵車輛運營近3年未實施過車輪旋修。同時，考慮到后期維護成本，踏面修形器控制邏輯僅在車輪滑行時動作，致使前期車輪就出現(xiàn)多邊形問題，且未即時消除。因此，為了解決踏面修形器45 Hz異常振動問題，并兼顧踏面修形器維護經(jīng)濟性，本文通過優(yōu)化研磨子配方和踏面修形器控制邏輯兩方面來消除車輪多邊形，并針對優(yōu)化方案進行持續(xù)1年的跟蹤試驗，最終通過車輪多邊形擴展趨勢和研磨子磨損情況確定最優(yōu)方案。

2.1 研磨子配方優(yōu)化

鑒于現(xiàn)車車輪及產(chǎn)品狀態(tài)，選用2種配方研磨子開展跟蹤試驗：

(1) QSA01配方。為現(xiàn)車配方，為車輪增黏而研發(fā)，質(zhì)量大(約2 kg)，含少量銅元素；

(2) QSB02配方。為新配方，為車輪修形而研發(fā)，質(zhì)量小(約1.1 kg)，綠色環(huán)保。

2.2 修形器控制邏輯優(yōu)化

由于目前車輪已存在多邊形問題，控制邏輯不僅要對多邊形進行抑制，還需要對現(xiàn)車多邊形進行修復(fù)，特制訂4種優(yōu)化控制邏輯，如表1所示。

表1 4種優(yōu)化控制邏輯

2.3 跟蹤試驗結(jié)果

按照優(yōu)化后的研磨子配方和控制邏輯對4列車進行了運營跟蹤試驗，試驗方案見表2。

表2 運營跟蹤試驗方案

2.3.1 模式1

模式1的實施條件是車輪未旋修。在模式1條件下，踏面修形器單程動作54次，作用里程占比為43%，踏面修形器使用壽命約為6.7萬km。模式1試驗的車輪多邊形改善情況如圖9所示，可以看出采用QSB02配方的車輛車輪多邊形磨耗改善效果優(yōu)于QSA01配方。

2.3.2 模式2

模式2的實施條件是車輪未旋修。在模式2條件下，踏面修形器單程動作46次，作用里程占比為42.8%，踏面修形器使用壽命約為7.6萬km。模式2試驗的車輪多邊形改善情況如圖10所示，可以看出，采用QSB02配方的車輛車輪多邊形磨耗改善效果優(yōu)于QSA01配方。

圖9 模式1試驗結(jié)果

圖10 模式2試驗結(jié)果

2.3.3 模式3

模式3實施條件是車輪未旋修。在模式3條件下，踏面修形器單程動作30次，作用里程占比為36.2%，踏面修形器使用壽命約為6.7萬km。模式3試驗的車輪多邊形改善情況如圖11所示，可以看出，采用QSA01配方的車輛車輪多邊形磨耗改善不明顯。

2.3.4 模式4

模式4的實施條件是車輪旋修。在模式4條件下，踏面修形器單程動作18次，作用里程占比為20%，試驗運行里程為5.5萬km，按照研磨子磨損量推測其使用壽命約為15萬km。試驗結(jié)果及車輪多邊形改善情況如圖12所示，可以看出，2個配方均可對車輪多邊形起到抑制作用，但采用QSB02配方的車輛車輪多邊形磨耗改善效果優(yōu)于QSA01配方。

圖11 模式3試驗結(jié)果

圖12 模式4試驗結(jié)果

3 結(jié)束語

本文對車輪踏面修形器裂紋產(chǎn)生的原因進行了分析，證實了地鐵車輛車輪引起踏面修形器產(chǎn)生45 Hz的高頻振動，由于沖擊振動能量較大，導致其出現(xiàn)早期疲勞裂紋。通過優(yōu)化研磨子配方和踏面修形器控制邏輯，可有效消除車輪多邊形，解決研磨子背板產(chǎn)生的疲勞裂紋問題。對于現(xiàn)場未旋修的車輛，車輪已存在多邊形磨耗情況，宜采用控制邏輯模式2+QSB02配方研磨子方式；對于已旋修或新造車輛，車輪初始狀態(tài)較好，宜采用控制模式4+QSB02配方研磨子方式。同時，結(jié)合現(xiàn)場車輛維修要求，定期對車輪踏面進行維護，可消除異常振動。建議結(jié)合現(xiàn)場車輛維修策略進一步優(yōu)化控制邏輯，提高車輪踏面修形器的經(jīng)濟性。