动车组轮对踏面磨耗浅析及解决构架振动措施研究

姚志伟+徐兴涛

摘 要：高速动车组转向架是车辆重要的走行部位，在高速度、高密度运行一定里程后车轮圆周方向会出现不同程度的剥离进而出现车轮多边形引发轮、轨系统间的剧烈震动产生较大滚动噪声，进而影响旅客乘坐舒适性及检修运用成本，针对车轮多边形现象提出了相應的解决措施。

关键词：转向架；轮对踏面；转臂；镟修

中图分类号： TU275.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）32-191-2

1 车轮不圆顺测试与分析

随着高速动车组长线路、高密度的运行，车辆车轮不圆化磨耗现象比较突出。通过现场实测车轮踏面圆周不圆度，分析车轮不圆的分布特征，为研究车轮不圆对车辆动力学性能提供依据。

1.1 车轮不圆度测试

BST车轮多边形测试仪（或称轨道车辆车轮粗糙度测量仪）是用于测量轨道车辆车轮的周向不平顺，以获得车辆车轮的平均直径、车轮径跳值和车轮不圆特征（即车轮不圆的阶次）的仪器。

该仪器采用位移接触式测量方法进行测量，其滚轮和位移传感器探针直接与被测车轮踏面垂直接触；采用USB 接口供电，并传输数据；采用专门的软件进行数据的采集及处理。

车轮粗糙度的测试环境要求车辆静止在检修轨道上，轮对处于悬空状态，可以自由转动，BST车轮多边形测试仪要求放在一个固定的平台上，留出工作电源和试验人员适当的工作空间。

BST车轮多边形测试仪测试时，测试点可位于车轮踏面轮缘向外60mm处。

1.2 车轮不圆度测试结果分析

通过对轨道车辆车轮的不圆度测试数据分析得到车轮的阶次、车轮径跳统计值、粗糙度等。通常定义车轮多边形：车轮多边形是指车轮圆周方向存在规则的波浪形的形状，工程常采用阶次图表示。车轮径跳：车轮径跳是指车轮一周中最大车轮直径与最小直径的差值，通常用其表征车轮不圆化的严重程度。

2 轮对多边形的形成机理

2.1 轮对系统的自激振动频率

将高速列车车轮动多边形问题考虑成由轮轨系统间的自激振动引起，车轮多边形变数N=fz/fω，其中fz为系统自激振动频率，fω为这轮转动频率。

以现场测试发现的多阶多边形为例，当车辆速度分别以200km/h、250km/h和300km/h时，系统自激振动频率为fz=fω=Nv/（2∏.r）

式中：v=车辆运行速度。

R为车轮滚动圆半径，当车轮滚动圆半径为0.43m时，车轮周期性不圆顺引起的振动频率见表1。

2.2 轮轨异常振动机理

当轮轨激励大，激励出转向架固有模态的振动，激励消失后振动快速衰减；当轮轨持续激励大且车轮转速恒定，转向架会按固有模态频率持续谐振；车轮旋转过程中会叠加每秒N（N=车轮旋转周长/谐振频率波长）次的规律振动，从而形成车轮的N阶多边形。

通过研究16至21阶左右的轮对多边形所对应的系统自激振动频率在460-617Hz之间与该转向架的固有频率580Hz接近，容易引发共振；同时当轮对与钢轨之间存在500Hz以上的高频短时间接触振动，来不及向上和轨下传递，会引起轮轨间的强烈冲击，是轮对高阶多边形形成的原因之一。

2.3 钢轨波磨与轮对波长

钢轨波磨是指钢轨上表面出现规则的波浪形磨耗，表现为一高一低或一明一暗的光带，即轮轨表面短波周期不平顺

钢轨测试结果如图2显示存在80mm和160mm左右的波长以现场测试发现的20阶多边形为例，当车辆速度分别以200km/h、250km/h和300km/h时，轮对波长=v/f=137mm与钢轨波磨测试波长相接近。车轮多边形波长与钢轨波磨波长相同或相近易引发轮轨高频共振，进而形成论对多边形。

3 解决车轮多边形引发构架系统振动措施

3.1 车轮踏面镟修对构架振动的缓解（图3）

车轮踏面镟修消除多边形后构架振动明显减弱，掌握车轮多边形的演变规律及时镟修可以有效减缓构架及车体振动。

3.2 波磨钢轨打磨对构架振动的缓解

车体结构局部或整体模态靠近转向架蛇行频率是放大车体高频振动的重要元素，通过修整振动区段的轨形：降低转向架蛇行运动幅值和频率（图4）

3.3 降低高频振动的传递，减少转向架内部耦合振动

降低高频振动的耦合传递主要靠一系和二系悬挂装置，由于现有车辆悬挂参数已经非常适宜于降低高频振动，所以改进空间较小；但可以采用更换转臂节点，有效衰减动车轮对-转臂-构架间异常振动传递以耦合，降低车轮多边形的形成速率。

将动车转向架转臂节点换新周期由240万公里缩短到120万公里，故障率高发的拖车转向架转臂节点同时更换；进一步确定转向架相关减振部件的合理更换周期

车体结构最低模态频率对车体抖动的影响很大，应该避免它与转向架蛇行频率放生耦合、产生共振。

3.4 轨道系统的刚度应适度

轨道刚度低，列车振动传至轨下的响应会降低，但车内振动会增大；轨道刚度大，则列车振动传至轨下的响应会增大，但列车平稳性会较好。减振扣件的使用可以一定程度上缓解轨道结构振动，减小振动，但如果减振扣件的刚度太大，将会引起轨道固有振动频率降低。如到500Hz左右，有可能与转向架部件共振，从而导致异常振动发生，增加波磨的产生。应充分重视减振扣件与钢轨波磨的关系。

3.5 轮对镟修的优化

将之前车轮一刀0.5mm经济镟优化为两刀0.5+0.5mm镟修，彻底消除已形成的多边形；通过改进优化不落轮旋床的定位方式，加装转臂支撑装置，以减少车轮镟修后的径跳值同时增加车轮多边形在线监测功能，有效监控镟后质量。

通过上述措施有效降低了上线动车组转向架车轮多边形高发问题，解决了因轮、轨高频冲击造成的部分零部件加速磨损问题，降低了检修成本。

参 考 文 献

[1] 孙效杰，周文祥.踏面磨耗及其对轮轨接触几何关系的影响[J].铁道车2辆，2010，07.

[2] 田庆.避免城轨车辆车轮踏面异常磨耗的控制策略探讨[J].铁道车辆，2013，01.

[3] 沈玉飞.轨道轮外形及不圆度检测研究[D].西南交通大学，2011.