車(chē)輪非圓化對(duì)地鐵車(chē)輛振動(dòng)的影響研究

張凱軒，周勁松，宮 島，楊 陳

(1．同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)(2．中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，江蘇 南京 210032)

車(chē)輪非圓化指的是鐵路車(chē)輛車(chē)輪名義滾動(dòng)圓出現(xiàn)不均勻磨耗的一種現(xiàn)象[1]，普遍出現(xiàn)在地鐵、城軌和高速鐵路等運(yùn)營(yíng)車(chē)輛較固定的專(zhuān)用鐵路中。它是鐵路界有關(guān)輪軌關(guān)系方面研究難以徹底解決的問(wèn)題之一，其形成和發(fā)展機(jī)理尚不明確[2-3]。隨著列車(chē)運(yùn)營(yíng)速度的提升和運(yùn)營(yíng)里程的增加，輪軌之間的相互作用不斷增強(qiáng)，輪軌關(guān)系越發(fā)復(fù)雜，車(chē)輪磨耗不斷加劇，車(chē)輪會(huì)表現(xiàn)出非圓化特性。當(dāng)車(chē)輪非圓化特性越來(lái)越明顯時(shí)，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的輪軌沖擊作用增大，會(huì)引起車(chē)輛振動(dòng)[4-5]和噪聲加大，降低乘坐舒適性[6]；嚴(yán)重情況下甚至對(duì)軌道和車(chē)輛系統(tǒng)零部件如軌枕、鋼軌、輪對(duì)和軸承等產(chǎn)生損傷，增加運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用，危害行車(chē)安全。

針對(duì)這一問(wèn)題，NIELSEN等[7]發(fā)表綜述文章對(duì)車(chē)輪多邊形磨耗的研究現(xiàn)狀、產(chǎn)生機(jī)理以及防止措施進(jìn)行總結(jié)；韓光旭等[8]通過(guò)對(duì)高速動(dòng)車(chē)組進(jìn)行跟蹤測(cè)試以探究車(chē)輪非圓化水平對(duì)車(chē)內(nèi)振動(dòng)的影響。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某型地鐵列車(chē)出現(xiàn)的振動(dòng)過(guò)大現(xiàn)象，對(duì)車(chē)輪非圓化磨耗和列車(chē)關(guān)鍵部件振動(dòng)加速度進(jìn)行了測(cè)試，系統(tǒng)地分析了車(chē)輪鏇修前后車(chē)輪非圓化磨耗的徑跳值大小和階次分布，得到了軸箱、構(gòu)架及地板的振動(dòng)響應(yīng)及列車(chē)平穩(wěn)性指標(biāo)，并通過(guò)對(duì)車(chē)輪鏇修前后軸箱振動(dòng)加速度進(jìn)行時(shí)頻分析，探究車(chē)輪非圓化階次對(duì)地鐵車(chē)輛振動(dòng)頻率的影響。

1 車(chē)輪非圓化測(cè)試及分析

本文采取機(jī)械接觸式測(cè)量方法對(duì)車(chē)輪非圓化進(jìn)行了測(cè)試，采用德國(guó)BBM公司生產(chǎn)的M|wheel型號(hào)車(chē)輪粗糙度測(cè)試儀(傳感器精度0.1μm，傳感器位移12mm，車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)掃描間距1mm)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 車(chē)輪非圓化測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

測(cè)試時(shí)需要用液壓千斤頂將車(chē)軸兩側(cè)軸箱抬起，并緩解車(chē)輪制動(dòng)裝置，使車(chē)輪可繞車(chē)軸中心自由旋轉(zhuǎn)。測(cè)試儀固定在鋼軌上方，位移傳感器1探頭與車(chē)輪表面垂直接觸，用于采集車(chē)輪徑向跳動(dòng)位移信息，測(cè)試位置為車(chē)輪名義滾動(dòng)圓位置處(距離輪緣70mm)。傳感器2與車(chē)輪緊貼并隨車(chē)輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，用于記錄車(chē)輪的周長(zhǎng)信息，以確定傳感器1所采集的非圓化的相位信息。

車(chē)輪旋轉(zhuǎn)一周，傳感器1采集車(chē)輪的非圓化數(shù)據(jù)為車(chē)輪各位置處的半徑波動(dòng)量。規(guī)定車(chē)輪平均半徑幅值為0，在非圓化幅值圖上，大于平均半徑時(shí)標(biāo)為正值，小于則為負(fù)值，其大小表示車(chē)輪半徑偏離平均半徑的程度。為直觀表示車(chē)輪非圓化的特征，非圓化幅值圖通常用極坐標(biāo)表示。圖2為該列車(chē)鏇修前非圓化測(cè)試結(jié)果的極坐標(biāo)幅值圖。

圖2 鏇修前車(chē)輪非圓化極坐標(biāo)幅值圖

由圖2可以看出，鏇修前車(chē)輪表面最大幅值與最小幅值相差0.492mm。根據(jù)目前車(chē)輪車(chē)削加工精度及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，徑跳值不超過(guò)0.1mm的車(chē)輪服役狀態(tài)良好，一般為新輪或新鏇修車(chē)輪；0.1mm～0.2mm表示車(chē)輪狀態(tài)一般；0.3mm以上則表示車(chē)輪狀態(tài)差，需要馬上進(jìn)行鏇修。該列車(chē)輪徑跳超出0.3mm，由此判斷車(chē)輪狀態(tài)較差。

(1)

λk=0.01×10k/10

(2)

式中：k=-10,-9,…,14,15。通過(guò)HHT黃變換，同時(shí)參考輪軌接觸濾波，將圖2中車(chē)輪周向不平順測(cè)試數(shù)據(jù)換算到波數(shù)域上，可以得到如圖3所示的車(chē)輪非圓化階次圖。與圖2中車(chē)輪輪廓明顯存在的7個(gè)花瓣相對(duì)應(yīng)，鏇修前車(chē)輪顯著表現(xiàn)出7階的非圓化特征。

圖3 鏇修前車(chē)輪非圓化階次圖

采用不落輪鏇床對(duì)車(chē)輪進(jìn)行鏇修，鏇修前后車(chē)輪表面質(zhì)量對(duì)比如圖4所示。對(duì)鏇修后的車(chē)輪再次進(jìn)行非圓化測(cè)試，得到的車(chē)輪非圓化極坐標(biāo)幅值圖和階次圖如圖5和6所示。

圖4 鏇修前后車(chē)輪表面質(zhì)量

由圖5可以看出，鏇修后車(chē)輪表面最大幅值與最小幅值相差0.046mm，不超過(guò)0.1mm，車(chē)輪狀態(tài)良好。由圖6可以看出，鏇修后車(chē)輪7階的非圓化特征消失并且階次不明顯。

2 車(chē)輛振動(dòng)測(cè)試及分析

在列車(chē)關(guān)鍵部件(軸箱、構(gòu)架、地板)位置處安

圖6 鏇修后車(chē)輪非圓化階次圖

裝加速度計(jì)，如圖7所示。其中地板測(cè)點(diǎn)按照GB5599—1985《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中規(guī)定的列車(chē)平穩(wěn)性測(cè)點(diǎn)位置，安裝在后部轉(zhuǎn)向架右側(cè)地板面(距離轉(zhuǎn)向架中心1m)。為提高測(cè)試精度，軸箱測(cè)點(diǎn)采用北智J13510型加速度計(jì)(量程±125g)，構(gòu)架測(cè)點(diǎn)采用北智J14533型加速度計(jì)(量程±50g)，地板測(cè)點(diǎn)采用日本共和AS-2GB型加速度計(jì)(量程±2g)。數(shù)據(jù)采集裝置采用丹麥B&K LAN-XI數(shù)據(jù)采集儀。為防止信號(hào)干擾，采用了具有屏蔽層的信號(hào)線。列車(chē)在正線上運(yùn)營(yíng)時(shí)，分別采集車(chē)輪鏇修前后各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度信號(hào)，數(shù)據(jù)采集方向?yàn)闄M向和垂向。

圖7 車(chē)輛振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

鏇修前后軸箱、構(gòu)架測(cè)點(diǎn)橫向和垂向振動(dòng)加速度均方根值(RMS值)見(jiàn)表1。

表1 振動(dòng)加速度均方根值對(duì)比 m/s2

由表1可知，鏇修后軸箱和構(gòu)架的振動(dòng)加速度均方根值都顯著降低，反映出各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)能量水平減弱。其中軸箱測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度均方根值降低37.9%，構(gòu)架測(cè)點(diǎn)降低47.7%。

地鐵列車(chē)在全線13個(gè)區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)，采集得到地板測(cè)點(diǎn)鏇修前后全程加速度時(shí)域信號(hào)對(duì)比圖，如圖8所示?？梢钥闯觯浶藓蟮匕宓臋M向和垂向振動(dòng)都減弱，其中橫向振動(dòng)減少更明顯，最大幅值在個(gè)別區(qū)段減少50%以上。

圖8 地板鏇修前后時(shí)域信號(hào)對(duì)比

列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)W按照下式計(jì)算：

(3)

式中：A為振動(dòng)加速度,g;f為振動(dòng)頻率,Hz;F(f)為頻率修正系數(shù)。

對(duì)圖8所示地板振動(dòng)加速度信號(hào)按照公式(3)計(jì)算平穩(wěn)性，得到鏇修前后平穩(wěn)性指標(biāo)分別如圖9、圖10所示。通過(guò)對(duì)鏇修前后平穩(wěn)性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)鏇修前平穩(wěn)性近乎一半在2.0以上，鏇修后平穩(wěn)性幾乎全部在2.0以下，平穩(wěn)性明顯改善。

圖9 鏇修前平穩(wěn)性指標(biāo)

為探究車(chē)輪非圓化階次對(duì)車(chē)輛振動(dòng)的頻率影響規(guī)律，對(duì)軸箱測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)加速度進(jìn)行時(shí)頻特性分析，如圖11所示。圖中，左側(cè)縱軸表示列車(chē)在某區(qū)段110s內(nèi)運(yùn)行的歷程時(shí)間(在0～110s內(nèi)列車(chē)先加速到70km/h，勻速行駛一段時(shí)間，然后再減速)，橫軸表示振動(dòng)頻率，顏色深淺表示加速度幅值大小。為方便鏇修前后對(duì)比，圖中采取相同的色標(biāo)尺度(0～5m/s2)。

圖10 鏇修后平穩(wěn)性指標(biāo)

圖11 鏇修前后軸箱振動(dòng)時(shí)頻特性

根據(jù)圖11，鏇修前軸箱測(cè)點(diǎn)加速度幅值呈現(xiàn)出明顯的隨時(shí)間歷程變化的特征，表明軸箱振動(dòng)包含隨車(chē)速變化的轉(zhuǎn)頻成分。這是由于列車(chē)行駛時(shí)旋轉(zhuǎn)的車(chē)輪存在非圓化磨耗而導(dǎo)致。車(chē)輪不同階次的非圓化磨耗產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)，因此振動(dòng)加速度時(shí)頻圖呈現(xiàn)出帶狀的波浪形條紋?？梢园l(fā)現(xiàn)，在車(chē)速70km/h時(shí)間段內(nèi)，軸箱在52Hz左右處加速度幅值最大。

車(chē)輪非圓化磨耗產(chǎn)生的輪軌激勵(lì)頻率fw計(jì)算公式如下:

(4)

式中：v為車(chē)速，km/h；N為車(chē)輪非圓化磨耗的階次；D為車(chē)輪直徑，mm。

由公式(4)可以計(jì)算出列車(chē)70km/h運(yùn)行時(shí)最大振動(dòng)頻率52Hz左右所對(duì)應(yīng)的車(chē)輪非圓化階次為7階(車(chē)輪直徑840mm)，與車(chē)輪非圓化測(cè)試結(jié)果相吻合。

經(jīng)過(guò)鏇修后，車(chē)輪的非圓化磨耗徑跳值顯著降低，車(chē)輪7階的非圓化特征消失，并且階次不明顯，因此軸箱振動(dòng)加速度幅值有了明顯的衰減，轉(zhuǎn)頻成分也基本消失。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵線路實(shí)際運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的車(chē)輛振動(dòng)過(guò)大問(wèn)題，通過(guò)車(chē)輪非圓化測(cè)試和列車(chē)關(guān)鍵部件振動(dòng)加速度測(cè)試，得到了鏇修前后車(chē)輪非圓化磨耗的徑跳值和非圓化階次，以及相應(yīng)的軸箱、構(gòu)架、地板振動(dòng)響應(yīng)和列車(chē)平穩(wěn)性指標(biāo)，并通過(guò)對(duì)車(chē)輪鏇修前后軸箱振動(dòng)加速度進(jìn)行時(shí)頻分析，得到了車(chē)輪非圓化階次對(duì)地鐵車(chē)輛振動(dòng)頻率的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：

1)車(chē)輪鏇修前非圓化磨耗徑跳值達(dá)到0.492mm，車(chē)輪狀態(tài)較差，并且顯著表現(xiàn)出7階的非圓化特征；車(chē)輪鏇修后非圓化磨耗徑跳值為0.046mm，7階的非圓化特征消失且階次不明顯，車(chē)輪狀態(tài)良好。

2)車(chē)輪鏇修后軸箱和構(gòu)架的振動(dòng)加速度均方根值比鏇修前顯著降低，其中軸箱、構(gòu)架測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度均方根值分別降低37.9% 、47.7%。地板的橫向和垂向振動(dòng)都得到顯著降低，其中橫向振動(dòng)減少更明顯，最大幅值在個(gè)別區(qū)段減少50%以上。

3)鏇輪前列車(chē)運(yùn)行全程平穩(wěn)性指標(biāo)近乎一半在2.0以上，鏇輪后幾乎全部在2.0以下，平穩(wěn)性得到明顯改善。

4)鏇修前軸箱振動(dòng)加速度呈現(xiàn)出明顯的隨速度變化的轉(zhuǎn)頻成分，在車(chē)速70km/h時(shí)間段內(nèi)，軸箱在52Hz左右處加速度幅值最大，對(duì)應(yīng)車(chē)輪非圓化階次為7階，與非圓化測(cè)試結(jié)果吻合。車(chē)輪鏇修后軸箱振動(dòng)加速度幅值有了明顯的衰減，轉(zhuǎn)頻成分也基本消失。

本文以車(chē)輪非圓化測(cè)試和車(chē)輛振動(dòng)測(cè)試為手段，探究了車(chē)輪非圓化磨耗對(duì)車(chē)輛振動(dòng)的影響，驗(yàn)證了車(chē)輪鏇修對(duì)改善車(chē)輛振動(dòng)的顯著作用，為地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)提供了參考依據(jù)。

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