动车组车轮多边形机理分析

（1．中车长春轨道客车股份有限公司转向架研发部，130062，长春；2．长春汽车工业高等专科学校，130011，长春∥第一作者，教授级高级工程师）

动车组车轮多边形机理分析

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（1．中车长春轨道客车股份有限公司转向架研发部，130062，长春；2．长春汽车工业高等专科学校，130011，长春∥第一作者，教授级高级工程师）

介绍了高速动车组车轮多边形的形成机理以及与转向架结构之间的关系。转向架一系悬挂和定位结构不同，在动车组运行过程中对转向架固定轴距的影响也不同。当采用转臂定位结构时，由于一系钢弹簧的沉浮运动，使车轮在钢轨方向产生有规律的微小滑动，造成车轮多边形磨耗。

动车组；车轮；多边形；一系定位结构

First－author′saddressCRRC Chanchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

转向架是动车组的重要组成部件，其结构形式和悬挂参数决定了动车组的安全性以及运行品质。转向架中一系悬挂和定位结构形式繁多，并且对转向架固定轴距有不同程度的影响。动车组高速运行过程中，若转向架固定轴距数值不“固定”，则会使轮对在钢轨上产生微小滑动，尤其在长距离恒速运行条件下将造成车轮外周由圆形变为有规律的多边形。

1 转向架一系悬挂和定位结构

转向架一系悬挂主要作用是缓冲和衰减动车组竖向振动和冲击，一般由轴箱弹簧、橡胶节点、升降止挡及油压减振器等零部件组成。转向架一系定位主要作用是约束轴箱与构架之间在纵向和横向的相对位移，两者之间采用弹性定位，兼顾转向架蛇行运动稳定性和转向架曲线通过性能。转向架一系悬挂和一系定位结构形式多种多样，客运车辆主要有以下几种。

1．1 对称式定位装置

对称式定位装置在转向架的结构中比较常见。运行速度较低的车辆，多采用两侧橡胶弹簧方式（锥形簧或人字簧），如图1a）所示；200km／h以下的中速等级车辆，一般采用两侧圆钢弹簧方式，如图1b）所示；高速动车组转向架一般采用组合方式，两侧为橡胶弹簧，车轴上方为圆钢弹簧，如图1c）所示。其他的对称式定位装置如导框式定位装置等，已经很少使用。

图1 对称式定位装置

1．2 转臂式定位装置

转臂式定位装置结构简单，各方向刚度参数便于控制，广泛应用于中国、欧洲及日本的动车组，并可以覆盖全部速度等级车辆。目前高速动车组转向架多采用轴箱转臂定位方式（见图2）。

1．2．1 弹簧上置转臂式定位装置

弹簧上置转臂式定位装置是一系钢弹簧放置在车轴正上方，如图2a）所示。轮对和构架之间通过转臂联接，转臂和轴箱体采用整体或分体式结构。转臂和构架上的定位座通过橡胶弹性节点进行联接，橡胶弹性节点的扭转可实现轴箱相对构架竖向变位。橡胶弹性节点在径向和轴向根据动力学计算分析选择适合的刚度值，以满足车辆在纵向和横向定位要求，保证车辆具有良好的运行平稳性和稳定性。

1．2．2 弹簧侧置转臂式定位装置

弹簧侧置转臂式定位装置是将钢弹簧布置在车轴一侧，另一侧采用橡胶节点，如图2b）所示；或者另一侧采用橡胶弹簧，如图2c）所示。此种结构较简单，无磨耗且性能稳定，一系弹簧具有较大的设计空间。

图2 转臂式定位装置

1．3 拉板式定位装置

拉板式定位装置是采用弹簧钢材制成的薄形定位拉板，利用拉板在纵向和横向的不同刚度来约束构架与轴箱的相对运动，以实现弹性定位。拉板上下弯曲变形刚度小，对轴箱与构架垂直方向的相对位移约束小（见图3）。

图3 拉板式定位装置

2 一系定位结构与转向架固定轴距关系

转向架的一系定位结构与转向架的固定轴距密切相关。对称式一系定位装置能够保证转向架的固定轴距数值在一系悬挂竖向振动时维持不变；转臂式定位装置由于一系悬挂振动时的竖向位移会在列车运行方向产生微小的纵向位移，使固定轴距数值不“固定”，且不同结构形式造成的纵向位移也不同；拉板式定位装置在轮对处于自由状态时，也会使固定轴距数值不“固定”，但由于拉板弯曲刚度小，运行时变形量可以由拉板承担。

（1）采用弹簧上置转臂式定位装置的转向架固定轴距变化为λ1（如图4a）所示）。

式中：

β1＝arcsin X／L；

X——钢弹簧振幅；

L——转臂长度；

β1——转臂偏转角。

（2）采用弹簧侧置转臂式定位装置的转向架固定轴距变化为λ2（如图4b）所示）。

式中：

L2——转臂长度；

β2——转臂偏转角，β2＝arcsinX1／L2；

X1——构架下降量，即节点处转臂的竖向位移。

图4 转向架固定轴距的变化

式中：

X2——转臂竖向位移造成的钢弹簧变化量；

L1——钢弹簧与车轴中心距离。

3 车轮多边形的形成机理

相关车辆实测数据表明，车轮在高速转动过程中，由于转向架固定轴距的微小变化，车轮在钢轨上有产生滑动的可能性（见图5）。

图5 车轮转动和平移

设某动车组相关技术参数如下：轴重16t；定位节点刚度C＝120MN／m；车轮与钢轨间磨擦系数μ＝0．3；一系钢弹簧沉浮H＝15mm；转臂长度L＝480mm。则计算可得：轮轨间磨擦力为23．52kN；钢弹簧沉浮造成的纵向力为27．05kN。

由于钢弹簧沉浮造成的纵向力大于轮轨间磨擦力，轮对必然产生滑动，造成车轮多边形磨耗。从计算过程可以看出，造成车轮滑动的条件与定位节点刚度数值密切相关，因此，可以通过降低定位节点刚度数值，减少或避免车轮滑动。

4 车轮多边形与振动传递关系

随着动车组的长时间运行，车轮踏面状态必然发生改变，无论是车轮多边形或牵引制动造成的车轮非圆现象，还是运行中擦伤、硌伤或剥离造成的车轮踏面损伤，均通过钢轨的激扰将振动传递至转向架及整个车辆，最终的表现是动车组异常振动、噪声增大及动力学性能下降，甚至出现零部件的松、脱、断裂等故障。车辆振动传递模型见图6。

图6 车辆振动传递模型

来自轮轨的激扰不可避免，且车轮非圆化及踏面损伤较难预期，因此，在转向架结构设计时，需从振动传递入手，通过减振措施达到衰减振动的效果，以保证转向架零部件可靠性并提高车辆运行品质。同时，在车辆运用维护中加强车轮状态检测，发现车轮多边形等踏面问题及时进行镟修处理，以保证车轮踏面状态良好。

5 结语

转向架一系定位结构不同，动车组运行过程中转向架固定轴距的变化也不同。采用转臂式定位装置的动车组，在长大线路、匀速运行的情况下，易导致转向架固定轴距有规律地变化，造成车轮多边形磨耗，使转向架振动加剧，导致轴端部件的松、脱、断等故障。

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Analysis of EMU Wheel Polygonization Mechanism

ZHOU Dianmai，YANG Jiyou，XU Bin

The relationship between the wheel polygonization formation mechanism and the structure of high－speed EMU bogie is introduced．Different primary suspensions and positioning structures of the bogie will cast different influences on the fixed wheelbase of bogie during the operation of EMU．When the tumbler axle－box positioning structure is adopted，the wheel set will produce tiny slide in the direction of the rail because of the up and down motions of the primary spring，thus resulting in the regular polygonization of wheel．

electric multiple unit（EMU）；wheel；polygonization；axle box positioning

U270．33

10．16037／j．1007－869x．2017．02．005

2016－09－15）