武廣高鐵車(chē)輪多邊形綜合整治研究

錢(qián) 卿

(中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 車(chē)輛處， 廣州 510601)

從我國(guó)開(kāi)行第一列動(dòng)車(chē)組至今已有10年，隨著車(chē)輛軌道部件的老化、運(yùn)營(yíng)速度不斷提高，輪軌間的相互動(dòng)力作用越來(lái)越強(qiáng)，造成了車(chē)輪磨耗加劇。當(dāng)車(chē)輪磨耗延圓周方向形成周期性的磨耗，我們稱(chēng)之為車(chē)輪多邊形磨耗，也可以解釋為沿車(chē)輪踏面圓周方向的波浪形磨損。當(dāng)動(dòng)車(chē)組車(chē)輪出現(xiàn)多邊形，在高速運(yùn)行時(shí)將形成強(qiáng)烈的高頻輪軌沖擊，可造成軸箱螺栓松脫斷裂，軸溫傳感器固定線卡座疲勞裂紋等故障，影響列車(chē)運(yùn)行安全，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生尖銳的輪軌噪聲，影響乘坐舒適性。

車(chē)輪多邊形在鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛上都有出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車(chē)輪多邊形的機(jī)理有眾多研究，總結(jié)起來(lái)主要有以下幾種：①車(chē)輪旋修夾具及旋床支撐輪作用導(dǎo)致車(chē)輪旋修后形成初始的車(chē)輪多邊形[1]；②軌道結(jié)構(gòu)模態(tài)引起車(chē)輪多邊形[2]；③輪對(duì)彎曲、扭轉(zhuǎn)模態(tài)與輪軌激擾共振引起車(chē)輪多邊形[3-4]；④輪軌間相互作用的P2力共振[5-6]；⑤車(chē)輪缺陷引起輪軌沖擊形成車(chē)輪多邊形[7];⑥車(chē)輪硬度延圓周分布不均；⑦輪軌飽和滑力導(dǎo)致的輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)[8]等。由于車(chē)輪多邊形的影響因素眾多，車(chē)輪多邊形形成機(jī)理仍未能達(dá)成共識(shí)，尚待深入系統(tǒng)地進(jìn)行研究。

車(chē)輪多邊形已經(jīng)成為影響我國(guó)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全的故障之一，在機(jī)理沒(méi)研究透徹的情況下，需要從工程控制的角度提出緩解措施。文中以武廣高鐵服役的CRH3型系列動(dòng)車(chē)組為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)車(chē)輪多邊形的跟蹤測(cè)試得到了車(chē)輪多邊形特征與影響，通過(guò)對(duì)車(chē)輪多邊形試驗(yàn)研究提出了針對(duì)武廣高鐵車(chē)輪多邊形的多項(xiàng)工程控制措施，取得了良好的成效。

1 武廣高鐵動(dòng)車(chē)組車(chē)輪多邊形特征分析

1.1 車(chē)輪多邊形特征

配屬?gòu)V鐵集團(tuán)的CRH3型技術(shù)平臺(tái)動(dòng)車(chē)組，從2014年以來(lái)車(chē)輪多邊形故障開(kāi)始增多，通過(guò)對(duì)車(chē)輪多邊形動(dòng)車(chē)組長(zhǎng)期的測(cè)試，研究了CRH3型技術(shù)平臺(tái)動(dòng)車(chē)組車(chē)輪多邊形的規(guī)律，圖1為典型的車(chē)輪多邊形特征，圖2分別為車(chē)輪多邊形隨運(yùn)行里程的發(fā)展規(guī)律以及車(chē)輪多邊形隨車(chē)軸的分布規(guī)律。具體特征總結(jié)如下：

(2)CRH3型系列動(dòng)車(chē)組車(chē)輪多邊形高階幅值≥20 dB的占比隨旋后里程的增加而增長(zhǎng)，即車(chē)輪多邊形故障率隨著運(yùn)行里程的增加呈增加趨勢(shì)，見(jiàn)圖1(a)。

(3)動(dòng)車(chē)車(chē)輪多邊形高階幅值≥20 dB的占比明顯高于拖車(chē)，見(jiàn)圖1(b)。

(4)1軸和4軸車(chē)輪多邊形高階幅值≥20 dB的占比明顯高于2軸和3軸，見(jiàn)圖2(a)。

(5)車(chē)輪多邊形高階幅值隨輪徑的減小而逐漸增大，小輪徑的車(chē)輪更易產(chǎn)生車(chē)輪多邊形。

1.2 車(chē)輪多邊形激擾頻譜特征分析

武廣高鐵車(chē)輪多邊形階次為17～20階，從統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)車(chē)輪多邊形的階次與車(chē)輪直徑對(duì)應(yīng)，即車(chē)輪多邊形的波長(zhǎng)基本相同。當(dāng)動(dòng)車(chē)組以300 km/h運(yùn)行時(shí)，因多邊形引起的輪軌力激擾頻率可以由式(1)進(jìn)行計(jì)算，而波長(zhǎng)則可由式(2)得到。

(1)

λ=πd/n

現(xiàn)代人長(zhǎng)期面對(duì)電視、電腦、手機(jī)等各種屏幕或電子產(chǎn)品，更愿意在網(wǎng)絡(luò)中與人無(wú)壓力地交流或發(fā)表意見(jiàn)，缺少與現(xiàn)實(shí)中人交流的主動(dòng)性與技巧。所以針對(duì)此情況，我才設(shè)置此次活動(dòng)，平時(shí)也開(kāi)展關(guān)于友情、心理健康等的主題班會(huì)，還分男女抽簽，全班分組搞游園或文體活動(dòng)，這些活動(dòng)都是為了讓他們?cè)诰o張學(xué)習(xí)之余，能夠主動(dòng)敞開(kāi)心扉，通過(guò)口頭紙筆等形式真心交流，希望三年間能收獲滿(mǎn)滿(mǎn)的友情和無(wú)悔的青春。我相信，這樣長(zhǎng)期地有形無(wú)形地教育滲透，會(huì)讓他們的性情成長(zhǎng)得較為健康陽(yáng)光，更易融入社會(huì)。

(2)

圖1 典型的武廣車(chē)輪多邊形

其中，f為車(chē)輪多邊形激振頻率；v為列車(chē)運(yùn)行速度；d為車(chē)輪名義滾動(dòng)圓直徑；n為車(chē)輪多邊形階次；λ為車(chē)輪多邊形波長(zhǎng)。

圖2 武廣車(chē)輪多邊形特征

車(chē)輪多邊形波長(zhǎng)與激擾頻率的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，武廣高鐵車(chē)輪多邊形的激擾頻率范圍為540～590 Hz，而車(chē)輪多邊形的波長(zhǎng)約為145～160 mm。

表1 車(chē)輪多邊形波長(zhǎng)與激擾頻率

2 多邊形影響的線路試驗(yàn)研究

2.1 旋修前后車(chē)輪多邊形的影響

為了研究車(chē)輪多邊形磨耗對(duì)轉(zhuǎn)向架部件的影響，選取了具有20階21 dB幅值的車(chē)輪多邊形轉(zhuǎn)向架進(jìn)行試驗(yàn)(5 kHz濾波)，對(duì)比了新旋修與車(chē)輪多邊形時(shí)軸箱、構(gòu)架振動(dòng)加速度以及頻譜特性，如圖3、圖4所示。

由圖3可知：車(chē)輪多邊形顯著加大了軸箱與構(gòu)架的垂向振動(dòng)加速度幅值，有無(wú)車(chē)輪多邊形時(shí)軸箱振動(dòng)加速度分別為18.9g與13.0g，構(gòu)架振動(dòng)加速度最大值分別為12.4g與5.6g，最大值增加了45%～120%；從有效值對(duì)比有無(wú)多邊形時(shí)軸箱振動(dòng)加速度有效值分別為5.5g與1.2g，構(gòu)架振動(dòng)加速度有效值為2.3g與0.6g，有效值增加了280%～320%。

由圖4可知，車(chē)輪旋修前軸箱、構(gòu)架垂向振動(dòng)在565 Hz、1 130 Hz、1 700 Hz頻率處有顯著峰值，這剛好對(duì)應(yīng)車(chē)輪20階多邊形的激振頻率以及其倍頻。這說(shuō)明車(chē)輪多邊形產(chǎn)生的高頻激擾造成了軸箱、構(gòu)架振動(dòng)加速度的增加，為主要的激擾頻率，消除車(chē)輪多邊形后車(chē)輪多邊形激擾頻率消失，振動(dòng)加速度幅值顯著降低。

圖3 有無(wú)車(chē)輪多邊形時(shí)軸箱、構(gòu)架振動(dòng)加速度波形

圖4 加速度級(jí)對(duì)比

2.2 車(chē)輪多邊形幅值的影響

本節(jié)選取了不同階次的車(chē)輪多邊形進(jìn)行線路試驗(yàn)，得到了新輪無(wú)多邊形、21 dB車(chē)輪多邊形、30 dB車(chē)輪多邊形、37 dB車(chē)輪多邊形時(shí)軸箱垂向振動(dòng)加速度幅值的變化，不同幅值車(chē)輪多邊形極坐標(biāo)見(jiàn)圖5，軸箱垂向振動(dòng)加速度時(shí)域波形對(duì)比見(jiàn)圖6，軸箱垂向振動(dòng)加速度最大值對(duì)比見(jiàn)圖7。

由圖可知，隨著車(chē)輪多邊形幅值的增加，軸箱垂向振動(dòng)加速度呈指數(shù)級(jí)增加，當(dāng)車(chē)輪多邊形幅值達(dá)到30 dB，軸箱垂向振動(dòng)加速度接近100g，而當(dāng)車(chē)輪多邊形幅值達(dá)到37 dB，軸箱垂向振動(dòng)加速度可達(dá)170g。過(guò)大的軸箱垂向激擾是引起軸箱端蓋螺栓松脫折斷的主要原因。

圖5 不同車(chē)輪多邊形極坐標(biāo)圖

圖6 軸箱垂向振動(dòng)加速度對(duì)比

圖7 軸箱垂向振動(dòng)加速度最大值對(duì)比

圖8 打磨前后軸箱垂向振動(dòng)加速度散點(diǎn)圖

3 車(chē)輪多邊形控制措施

通過(guò)對(duì)武廣高鐵車(chē)輪多邊形長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試以及車(chē)輪多邊形影響線路試驗(yàn)，論文研究了車(chē)輪多邊形的特征與影響。為了能夠控制乃至消除車(chē)輪多邊形故障的影響，針對(duì)武廣高鐵車(chē)輪多邊形提出了以下5項(xiàng)控制措施。

3.1 多邊形測(cè)試與旋修

車(chē)輪旋修可以顯著改善車(chē)輪表面狀態(tài)，消除車(chē)輪多邊形。廣鐵集團(tuán)與主機(jī)廠對(duì)武廣高鐵服役的動(dòng)車(chē)組開(kāi)展了大范圍的車(chē)輪多邊形持續(xù)測(cè)試，對(duì)車(chē)輪多邊形過(guò)大的車(chē)輪進(jìn)行及時(shí)旋修。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)用維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，形成了車(chē)輪多邊形的狀態(tài)修原則：

(1)對(duì)于出現(xiàn)軸箱端蓋螺栓松脫、軸箱線卡裂紋等故障的輪對(duì)立即進(jìn)行旋修；

(2)對(duì)于高階車(chē)輪多邊形幅值超過(guò)25 dB的輪對(duì)立即進(jìn)行旋修；

(3)對(duì)于高階車(chē)輪多邊形幅值超過(guò)20 dB的輪對(duì)，盡快安排車(chē)輪旋修。

通過(guò)對(duì)車(chē)輪多邊形車(chē)輪進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)旋修消除幅值超限的車(chē)輪多邊形，減小輪軌間的垂向激擾，車(chē)輪多邊形引起的故障大大降低。

3.2 鋼軌打磨

車(chē)輪多邊形是輪軌相互作用引起的，為了減小軌道激擾的影響，廣鐵集團(tuán)一方面對(duì)鋼軌波磨或鋼軌異常區(qū)段進(jìn)行故障打磨，另一方面定期對(duì)鋼軌進(jìn)行快速打磨與大機(jī)打磨。

圖8為鋼軌快速打磨前后的軸箱垂向振動(dòng)加速度最大值散點(diǎn)圖，由圖可知：鋼軌打磨可以顯著降低輪軌垂向作用力，降低軸箱垂向振動(dòng)加速度幅值。鋼軌打磨有利于減少車(chē)輪多邊形故障率。

3.3 旋修質(zhì)量提升

通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)車(chē)輪一次旋修有時(shí)候不能完全消除高階車(chē)輪多邊形。通過(guò)不落輪旋修工藝優(yōu)化，按照兩次進(jìn)刀且單次進(jìn)刀量不小于0.5 mm、進(jìn)給倍率控制在80%以?xún)?nèi)的方式進(jìn)行車(chē)輪旋修，有效去除車(chē)輪高階多邊形；同時(shí)在軸箱下部增加下部支撐，減小車(chē)輪徑跳，進(jìn)一步提升旋修質(zhì)量。通過(guò)旋修質(zhì)量的提升，運(yùn)行10×104km以?xún)?nèi)的多邊形故障基本消除。

3.4 換線運(yùn)行

對(duì)常出現(xiàn)故障的動(dòng)車(chē)組進(jìn)行換線運(yùn)行，可以有效降低車(chē)輪多邊形故障率。以26列CRH3C動(dòng)車(chē)組為例，動(dòng)車(chē)組由武廣高鐵轉(zhuǎn)屬長(zhǎng)沙所擔(dān)當(dāng)滬昆線運(yùn)營(yíng)交路，轉(zhuǎn)屬后動(dòng)車(chē)組的百萬(wàn)公里故障率總體下降82.34%。

3.5 變速運(yùn)行

圖9為降速過(guò)程軸箱垂向加速度時(shí)域波形。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)車(chē)輪多邊形激擾是和速度密切相關(guān)的輪軌外部激擾，當(dāng)動(dòng)車(chē)組以300 km/h運(yùn)行時(shí)，車(chē)輪多邊形激擾的特征頻率與輪軌系統(tǒng)固有頻率發(fā)生共振，使得軸箱加速度顯著增加。當(dāng)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度降低至270 km/h及以下，車(chē)輪多邊形激擾頻率隨之降低，避開(kāi)輪軌系統(tǒng)固有頻率后，軸箱振動(dòng)加速度顯著降低。

建議動(dòng)車(chē)組服役時(shí)可以嘗試變速度運(yùn)行，或者在不同速度級(jí)線路交替運(yùn)行。經(jīng)常改變輪軌激擾頻率，可以有效減緩或抑制高階車(chē)輪多邊形的形成，降低車(chē)輪多邊形故障率。

圖9 降速過(guò)程軸箱垂向加速度時(shí)域波形

4 結(jié)論與展望

對(duì)武廣高鐵服役的CRH3型系列動(dòng)車(chē)組車(chē)輪多邊形的跟蹤與試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：武廣高鐵車(chē)輪多邊形為17～20階，隨著車(chē)輪多邊形幅值的增加，軸箱加速度呈指數(shù)級(jí)增加，過(guò)大的軸箱加速度引起了軸箱端蓋螺栓松脫與折斷。

針對(duì)車(chē)輪多邊形問(wèn)題，提出了5項(xiàng)整治措施：多邊形車(chē)輪及時(shí)狀態(tài)修、鋼軌打磨、旋床升級(jí)、換線運(yùn)行、變速運(yùn)行。這些措施實(shí)施以來(lái)，一方面及時(shí)消除了幅值過(guò)大的車(chē)輪多邊形，另一方面控制了車(chē)輪多邊形的產(chǎn)生與發(fā)展速率，武廣高鐵車(chē)輪多邊形故障率顯著降低。從2015年6月至2016年3月武廣高鐵動(dòng)車(chē)組故障件數(shù)由最高峰單月416件下降至單月100件以?xún)?nèi)，工程控制措施取得了顯著的成效。

現(xiàn)階段車(chē)輪多邊形的測(cè)試主要還是靠人工測(cè)試，工作量大且容易產(chǎn)生誤差。后續(xù)將開(kāi)展車(chē)輪PHM研究，將車(chē)輪每日通過(guò)輪對(duì)故障動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、每次旋輪前后的輪對(duì)參數(shù)及多邊形數(shù)據(jù)、輪對(duì)走行里程等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)與分析，通過(guò)大數(shù)據(jù)構(gòu)建輪對(duì)監(jiān)控模型，達(dá)到車(chē)輪由定期檢修向狀態(tài)檢修的目的，實(shí)現(xiàn)輪對(duì)狀態(tài)的最優(yōu)化及最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性。