地鐵車輪不圓度控制方案分析

李哲豪

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安 710043)

車輪不圓度是指列車在運行過程中,由于車輪所受的非均勻磨耗而造成的車輪多邊形現(xiàn)象。車輪的多邊形現(xiàn)象會導致輪軌接觸過程中出現(xiàn)異常振動[1],異常振動又會使車輪非均勻磨耗加劇,最終,輕則導致列車運行時乘客的乘坐舒適度下降,重則導致列車脫軌,危及乘客生命安全。隨著城市人口不斷增長,地鐵憑借其超高的運量及較高的運營速度,逐漸成為市民出行的主要交通工具,與此同時,車輛振動問題也引起了越來越多的關注,為抑制車輛的異常振動現(xiàn)象,對地鐵車輪不圓度進行控制迫在眉睫[2]。

車輪不圓度的階次表示車輪多邊形的數(shù)量,車輪1階不圓度指車輪出現(xiàn)偏心,2階不圓度指車輪出現(xiàn)橢圓,以此類推[3],車輪不圓度階次越高,對應車輪多邊形的邊數(shù)越多。本文針對車輪的5～7階不圓度現(xiàn)象,采用“兩刀鏇”方案進行控制,跟蹤測試結果顯示,該控制方案效果良好,為地鐵實際運行時的車輪不圓度控制提供了參考依據(jù)[4]。

1 車輛異常振動原因分析

1.1 車輛振動測試及分析

為探究車輛異常振動原因,鏇修前,在車輛的軸箱位置處安裝振動加速度傳感器,測量軸箱振動加速度,傳感器量程±50g。測試過程中,車輛啟動加速至70 km/h,并在勻速行駛一段時間后,減速至停止。在這一過程中,采集軸箱的垂向振動加速度數(shù)據(jù),并對采集的振動加速度進行時頻特性分析,即將采集的時域數(shù)據(jù)按時間區(qū)間(時間區(qū)間長度取1 s)分成多段,分別對各段數(shù)據(jù)做傅里葉變換。為防止能量泄漏,在進行傅里葉變換前,對時間信號施加漢寧窗。傅里葉變換后,將加速度在頻域下的幅值乘以幅值修正因子2,最終得到各時間段的振動加速度的頻域數(shù)據(jù)。將時間和頻率繪制在二維坐標系內,并以色標表示加速度幅值大小,得到如圖1所示的振動加速度時頻特性云圖[5]。軸箱的振動加速度峰值頻率隨時間歷程呈現(xiàn)出增大—保持—減小的趨勢,而試驗車輛沿時間歷程的車速也呈現(xiàn)加速—勻速—減速的趨勢,這表明軸箱振動包含隨車速變化的車輪轉頻成分,車輛異常振動現(xiàn)象是由車輪多階不圓度造成的。

圖1 鏇修前軸箱振動加速度時頻特性

軸箱的振動加速度峰值頻率f與車輪不圓度階次、車輛運行速度和車輪直徑有關,其計算公式為[6]:

(1)

式中:v為車速,km/h;n為車輪不圓度階次;d為車輪直徑,mm。

當列車以70 km/h的速度勻速行駛時,軸箱的振動加速度在35、45、52 Hz頻率處存在峰值。由式(1)可以計算出這些頻率所對應的車輪不圓度階次為5～7階(車輪直徑為840 mm)。

1.2 車輪不圓度測試及分析

利用車輪粗糙度測試儀對軸箱下方的左右兩個車輪進行不圓度測試,傳感器測試精度為0.1 μm,采集間距為1 mm(車輪每轉過1 mm,測試儀采集一個數(shù)據(jù)點),測試時車輛需處于制動緩解狀態(tài),使用千斤頂同時抬起一個輪對的兩個車輪,并保證兩個車輪抬升高度一致,傳感器與車輪接觸位置位于車輪的名義滾動圓處(距輪緣70 mm處),將一磁座吸附于車輪輪緣位置,測試儀磁感裝置第一次掃過磁座時,測量開始,第二次掃過磁座時,測量結束,以此記錄車輪旋轉一周的不圓度數(shù)據(jù)。

將車輪不圓度數(shù)據(jù)直觀地表示在極坐標下,如圖2所示,在車輪不圓度幅值圖上,規(guī)定測量起始位置的不圓度幅值為0 μm,測量位置的半徑大于起始位置時不圓度幅值標為正值,小于起始位置時坐標為負值。由圖可以看出,左右兩個車輪的車輪徑跳均較大,左輪為459.7 μm,右輪為 338.9 μm,并且左輪存在明顯的六邊形,右輪存在明顯的五邊形,車輪狀況惡劣[7]。

圖2 鏇修前車輪不圓度幅值圖

為更準確地判斷車輪不圓度階次,通過希爾伯特-黃變換,同時參考輪軌接觸濾波[8],將車輪不圓度數(shù)據(jù)換算到波數(shù)域上,得到如圖3所示的車輪不圓度階次圖,圖中縱坐標用對數(shù)形式來表示車輪的不圓度幅值,參考值取1 μm。

圖3 鏇修前車輪不圓度階次圖

由圖可以看出左輪和右輪5～7階不圓度階次的幅值較大,這與軸箱振動測試結果相符,故針對車輪的不圓度問題,提出了“兩刀鏇”的控制方案[9],試圖通過增大鏇修深度消除車輪的5～7階不圓度現(xiàn)象。

1.3 二次鏇修車輛測試分析

對二次鏇修后的車輛,進行相同工況下相同軸箱位置處的振動加速度對比測試。對軸箱測點處采集到的振動加速度進行時頻特性分析,得到如圖4所示的振動加速度時頻特性云圖,為了方便與鏇輪前的振動加速度時頻特性云圖進行對比,云圖的色標采用相同的量程(0～20 m/s2)。結果表明,軸箱的振動加速度在35、45、52 Hz頻率處的幅值較鏇輪前明顯下降。觀察圖5所示的車輪不圓度階次圖,發(fā)現(xiàn)車輪的5～7階不圓度幅值明顯下降,這表明通過對車輪的二次鏇修,有效地抑制了車輪的5～7階不圓度現(xiàn)象,從而抑制了車輛的異常振動現(xiàn)象[10]。

圖4 鏇修后軸箱振動加速度時頻特性

圖5 鏇修后車輪不圓度階次圖

2 鏇修后車輛跟蹤測試及對比

為了驗證二次鏇修控制方案的效果,對二次鏇修車輛(記為A車)的車輪進行了車輪不圓度的跟蹤測試,并與B車和C車的車輪不圓度數(shù)據(jù)進行對比。其中B車僅進行了一次鏇修,并且在每次進出車庫時司機均會采用緊急制動的措施,即每次車輛進出車庫時都通過閘瓦磨削車輪踏面來實現(xiàn)對車輪的打磨調整。C車僅進行了一次鏇修,不作其他處理。6次跟蹤測試車輛運行的里程數(shù)見表1。由表可知,第3次試驗中A車和C車的鏇修后運行里程和第4次試驗中B車的鏇修后運行里程均達到了45 000 km左右,因此選擇第3次試驗A車和C車的車輪不圓度數(shù)據(jù),以及第4次試驗B車的車輪不圓度數(shù)據(jù)作為對比數(shù)據(jù)。為了更好地驗證“兩刀鏇”的效果,車輪不圓度的分析對象從所測軸箱下方的左右兩個車輪擴展到整節(jié)車輛全部的8個輪子。

表1 跟蹤測試車輛運行里程表

表2為A、B、C三車車輪徑跳數(shù)據(jù)的統(tǒng)計表,由表可以看出,A車和B車的整體車輪徑跳水平相當,范圍為50～300 μm,C車整體車輪徑跳水平高于A車和B車,范圍為100～550 μm,可見每次進出車庫時所采用的緊急制動措施有效抑制了車輪徑跳發(fā)展。

表2 車輪徑跳數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)1.1節(jié)和1.2節(jié)的分析可知,軸箱在35、45、52 Hz頻率處的較高振動能量是由5～7階車輪不圓度導致的,車輛異常振動現(xiàn)象與5～7階車輪不圓度有關,圖6～圖8列出了三車5～7階車輪不圓度幅值的對比情況,由圖可以看出,A車8個車輪5～7階不圓度的幅值圖線整體上位于B車和C車的下方,這也表明A車5～7階車輪不圓度的幅值整體上小于B車和C車,結合前一章的分析內容可知,A車所采用的“兩刀鏇”方案可以保證車輛在更長的運行里程中保持較好的運行品質。

圖6 第5階不圓度幅值對比

圖7 第6階不圓度幅值對比

圖8 第7階不圓度幅值對比

綜合比較三車車輪徑跳水平和5～7階車輪不圓度幅值的計算結果發(fā)現(xiàn),在進出車庫時采用緊急制動措施雖然能抑制車輪徑跳的發(fā)展,但是無法有效抑制車輪5～7階不圓度的發(fā)展,“兩刀鏇”方案的控制效果最優(yōu)。

3 結論

本文探討了車輛異常振動問題與車輪不圓度現(xiàn)象之間的關系,并有針對性地跟蹤研究了不同控制方案的控制效果,研究結果表明:

1)車輛在運行過程中出現(xiàn)的異常振動現(xiàn)象主要是由車輪的第5～7階車輪不圓度造成的,針對該問題所采用的“兩刀鏇”的控制方案,在鏇輪初期大幅削減了第5～7階車輪不圓度的幅值,也有效抑制了車輛的異常振動。

2)緊急制動措施在一定程度上可以抑制車輪徑跳的發(fā)展,但無法有效抑制車輪5～7階不圓度的發(fā)展,而“兩刀鏇”的控制方案在抑制車輪徑跳發(fā)展的同時,有效地抑制了車輪5～7階不圓度的發(fā)展,從而保證車輛在更長的運行里程中能保持良好的運行品質。