地鐵車輪失圓原因分析及鏇修策略分析

摘要：為提升整個(gè)地鐵運(yùn)行質(zhì)量與效率，本文分析了地鐵車輪失圓原因分析和鏇修策略。通過實(shí)踐調(diào)查與模擬分析的方式論述地鐵車輪失圓主要原因，并通過車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、結(jié)合動(dòng)力學(xué)性能評價(jià)提出相應(yīng)車輪失圓鏇修策略。結(jié)果表明，P2共振是車輪5～8邊形主要成因，采取的鏇修策略如下：在同軸輪徑差為1mm條件下，車輛行駛5.3萬km時(shí)控制車輛調(diào)頭；在同軸輪差為2mm條件下，車輛行駛10.5萬km時(shí)對車輛進(jìn)行檢查，針對具體情況合理選擇29.5mm、30mm、31mm或31.5mm的輪緣厚度進(jìn)行鏇修處理。本文通過上述策略為地鐵車輛安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供支持，對保障地鐵車輛安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：地鐵；車輪；失圓；鏇修

中圖分類號：U231""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

地鐵是現(xiàn)代城市交通的重要組成部分，直接關(guān)系到城市居民的生活與社會(huì)發(fā)展。然而大量實(shí)踐研究表明，在地鐵運(yùn)行過程中，地鐵車輪很容易出現(xiàn)各種問題，失圓是較常見的一種，會(huì)影響地鐵車輛的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。因此，相關(guān)部門應(yīng)對地鐵車輪失圓問題予以高度重視，針對失圓問題的主要原因制定出科學(xué)、合理的鏇修策略方案，以加強(qiáng)車輪失圓問題防治。基于此，本文研究了地鐵車輪失圓原因分析和鏇修策略，對進(jìn)一步提升地鐵車輛運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性具有重要意義。

1地鐵車輪失圓原因分析

1.1車輪不圓度通過頻率

為了準(zhǔn)確了解地鐵車輪失圓的主要原因，本文分析了車輪不圓度通過頻率。所研究地鐵列車為ATO模式，車輛運(yùn)行速度為0km/h～75km/h，其中，速度在60km/h以上的時(shí)間段較多，占整個(gè)車輛行駛時(shí)間的66.4%左右。車輪的半徑為420mm，5～8階多邊形的波長（λ）處于0.33mm～0.53mm。由此可以計(jì)算出該車輪的不圓度通過頻率f，如公式（1）所示。

f=v（1）

式中：v為最高速與速度為60km/h的差值。

由計(jì)算可知，f為30Hz～63Hz。以此為基礎(chǔ)，找出與f相差較小的車輪固有頻率，從而確定車輪失圓的主要原因。

1.2輪對模態(tài)分析

為了了解車輪的固有頻率特點(diǎn)，本文采用模態(tài)分析方式，對地鐵動(dòng)車與拖車輪對進(jìn)行模擬分析，以此確定不同模態(tài)條件下車輪的固有頻率。觀察輪對實(shí)際情況可發(fā)現(xiàn)，拖車輪對結(jié)構(gòu)比動(dòng)車輪對更復(fù)雜，多出1個(gè)輪齒與齒輪箱。構(gòu)建車輛模型時(shí)，通過剛性連接方式，將輪對與軸向連接到一起，忽略其他模塊間的相互作用。構(gòu)建車輛模型后，在輪對軸向方面，將網(wǎng)格劃分模式設(shè)置成“8節(jié)點(diǎn)6面體”；在齒輪與齒輪箱方面，將網(wǎng)格劃分模式設(shè)置成“4節(jié)點(diǎn)4面體”，并將整個(gè)模型設(shè)置成自由邊界，并通過ANSYS軟件對車輛模型進(jìn)行模擬分析[1]。結(jié)果顯示，在一階模態(tài)條件下，動(dòng)車輪對的扭轉(zhuǎn)頻率為74.7Hz，拖車輪對的扭轉(zhuǎn)頻率為80.4Hz，動(dòng)車輪對彎曲共振頻率為84.3Hz，拖車輪對彎曲共振頻率為81.6Hz。以此為基礎(chǔ)，與上述計(jì)算出來的f值進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)模態(tài)分析結(jié)果與f值存在較大差異，表明地鐵車輛運(yùn)行時(shí)，在彎曲工作作用下，基本不會(huì)出現(xiàn)車輪失圓問題。

1.3軌道振動(dòng)測試

現(xiàn)代地下鐵路領(lǐng)域共有5種軌道形式，分別為普通扣件軌道（A類型），豎直靜態(tài)剛度為40kN/mm左右；雙層非線性減振扣件軌道（B類型），豎直靜態(tài)剛度為8～14kN/mm；中量級鋼彈簧浮置板軌道（C類型）；重量級鋼彈簧浮置板軌道（D類型）；減振墊浮置板軌道（E類型）。其中，E類型軌道較稀少，在軌道中的比例只有2.5%左右，因此可省略該類型軌道[2]。進(jìn)一步觀察4種常見類型軌道，可以發(fā)現(xiàn)，軌道運(yùn)行時(shí)表面出現(xiàn)的波磨非常小，基本可以忽略不計(jì)。將軌道軌枕上部與跨中區(qū)域作為測點(diǎn)，對軌道進(jìn)行敲擊試驗(yàn)，確定出不同類型軌道的頻響函數(shù)。鑒于篇幅有限，在此省略模擬分析結(jié)果（下同）。由模擬分析可知，對于A類型鋼軌，測點(diǎn)在跨中鋼軌區(qū)域，處于一階條件下時(shí)，共振頻率約為204Hz。說明軌道使用過程中，鋼軌、軌枕與軌道板的振動(dòng)形式基本一致。從豎直pinned-pinned共振頻率角度來看，試驗(yàn)結(jié)果約為1100Hz，這種情況下，軌枕處的振動(dòng)波長與2個(gè)軌枕間距基本相同，節(jié)點(diǎn)在軌枕區(qū)域。其他3種類型軌道的頻響函數(shù)基本一致，但共振頻率存在一定差異。由此表明，在軌道結(jié)構(gòu)方面，共振頻率與輪對的f值差異較大，因而出現(xiàn)車輪失圓問題的概率并不高。

1.4車輛振動(dòng)測試

以上述4種類型軌道為例，對列車在不同軌道條件下行駛時(shí)的軸箱豎直振動(dòng)加速度進(jìn)行時(shí)頻分析與頻譜分析。進(jìn)行時(shí)頻分析時(shí)，振動(dòng)加速度頻率為0Hz～800Hz，列車行駛速度為60km/h～75km/h。由分析結(jié)果可知，軌道形式的不同對加速度的頻率基本無明顯影響，結(jié)果數(shù)值相差不大，主要為50Hz～80Hz。由頻譜分析結(jié)果可知，采用A類型軌道時(shí)，車輛的振動(dòng)加速度頻率約為64Hz；采用B類型軌道時(shí)，加速度頻率約為53Hz；采用C類型軌道時(shí)，加速度頻率為58Hz～66Hz；采用D類型軌道時(shí)，加速度頻率則為66Hz。由此可以發(fā)現(xiàn)，不論采用哪種類型軌道，車輛振動(dòng)頻率與f值的差異均不大，表明車輛共振是導(dǎo)致地鐵車輪失圓的主要原因。

2地鐵車輪失圓的鏇修策略

2.1車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

為了設(shè)計(jì)出最佳鏇修策略，應(yīng)對地鐵車系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行模擬分析。模擬分析過程中，本文以SIMPACK軟件為主要工具，構(gòu)建出地鐵車輛的有限元模型。構(gòu)建模型時(shí)，先對車輛進(jìn)行簡化，去除車輛中座椅、電氣設(shè)備等對車輛動(dòng)力學(xué)特性影響較小的部件，將整個(gè)車輛簡化成含有1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架和4個(gè)輪對的模型。構(gòu)建轉(zhuǎn)向架模型時(shí)，選擇“H”形焊接結(jié)構(gòu)，其中一系為疊層橡膠彈簧，二系為大撓度高柔性空氣彈簧。同時(shí)，結(jié)構(gòu)中還包括減振器等部件。進(jìn)而本文以一系彈簧為媒介，將輪對與轉(zhuǎn)向架固定到一起，以二系空氣彈簧為媒介，將車體與構(gòu)件固定到一起。此外，為了降低研究難度，還應(yīng)考慮下述3個(gè)方面：將整個(gè)車輛均看成鋼體結(jié)構(gòu)；忽略車輛行駛中產(chǎn)生的彈性變形；忽略其他因素對輪軌接觸的影響，將二者看成非線性接觸等[3]。并以此為基礎(chǔ)，在SIMPACK軟件中分別設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，其中部分主要參數(shù)見表1，使軟件自動(dòng)構(gòu)建出車輛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。

2.2動(dòng)力學(xué)性能評價(jià)分析

2.2.1評價(jià)指標(biāo)選擇

進(jìn)行軌道車輛動(dòng)力學(xué)性能評價(jià)時(shí)，一般選擇2個(gè)指標(biāo)，具體如下所示。

第一，平穩(wěn)性。平穩(wěn)性用于評價(jià)車輛行駛質(zhì)量，車輛穩(wěn)定性越好，車輛行駛質(zhì)量越高，內(nèi)部人員舒適性越好。對車輛平穩(wěn)性進(jìn)行評價(jià)的主要公式[4]如公式（2）所示。

式中：a為車輪的振動(dòng)加速度；f為振動(dòng)的頻率；F（f）為修正系數(shù)，可通過人類對振動(dòng)頻率的敏感性與相關(guān)資料查詢獲得。

計(jì)算出車輛的平穩(wěn)性后，通過查詢Sperling評價(jià)等級，確定車輛的平穩(wěn)性等級。其中，車輛W值在2.5以下、機(jī)車W值在2.75以下為1級，表明車輛平穩(wěn)性優(yōu)秀；車輛W值在2.5～2.75、機(jī)車W值在2.75～3. 10為2級，表明車輛穩(wěn)定性良好；車輛W值在2.75～3.0、機(jī)車W值在3.10～3.45為3級，表明車輛穩(wěn)定性合格。

第二，安全性。安全性用于評價(jià)地鐵車輛行駛過程中是否出現(xiàn)安全事故，是評價(jià)地鐵車輛動(dòng)力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。目前，進(jìn)行地鐵車輛安全性評價(jià)時(shí)主要考慮2個(gè)方面：一是脫軌系數(shù)，主要通過水平力與豎向力的比值來計(jì)算，記作Q/P，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將脫軌系數(shù)劃分成2個(gè)等級，分別為合格（≤0.9）與良好（≤0.8）；二是輪重減載率，即在水平力非常小的工況下，由一側(cè)車輪減載導(dǎo)致車輛脫軌的概率計(jì)算如公式（3）所示[5]。

（3）

式中：ΔP為輪對的減載量；P為兩側(cè)輪對豎向力的均值；P2與P1均為某一側(cè)輪對的豎向力。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將減載率劃分成2個(gè)等級，分別為合格（≤0.62）與良好（≤0.60）。

2.2.2車輛動(dòng)力學(xué)性能評價(jià)結(jié)果

以圖2所示模型為基礎(chǔ)，分別模擬分析車輛動(dòng)力學(xué)性能水平。由模擬分析結(jié)果可知，在平穩(wěn)性方面，行駛里程為20萬km范圍內(nèi)時(shí)，車輛平穩(wěn)性為1.7左右，屬于Sperling評價(jià)等級中的1級，即車輛平穩(wěn)性優(yōu)秀。與此同時(shí)，通過對車輛進(jìn)行實(shí)際檢測能夠發(fā)現(xiàn)，車輛平穩(wěn)性為1.5～2. 1，雖然存在較大波動(dòng)，但整體與模擬分析結(jié)果相差并不大，均處于Sperling評價(jià)等級中的1級范圍內(nèi)，表明模擬分析結(jié)果是準(zhǔn)確的，可作為車輛平穩(wěn)性的分析結(jié)果。在脫軌系數(shù)方面，行駛里程為20萬km范圍內(nèi)時(shí)，隨著車輛行駛里程數(shù)不斷提升，車輛脫軌系數(shù)基本無明顯改變，均處于0.15～0.43，遠(yuǎn)低于0.8，表明車輛安全性良好，在安全限值范圍內(nèi)。在減載率方面，行駛里程為20萬km范圍內(nèi)時(shí)，隨著車輛里程數(shù)不斷提升，減載率也基本無明顯變化，在0.19～0.22小幅變化，表明車輛安全性良好，在安全限值范圍內(nèi)。

2.3鏇修策略制定

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，地鐵車輛行駛20萬km范圍內(nèi)時(shí)，車輛動(dòng)力學(xué)特性基本保持良好，因此以20萬km為一個(gè)周期，定期對地鐵車輛進(jìn)行鏇修處理，即可使車輛安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

2.3.1車輛調(diào)頭與車輪鏇修周期確定

由實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)可知，由于車輛未調(diào)頭行駛，因此會(huì)導(dǎo)致車輛車輪出現(xiàn)磨損，使車輪失圓，從而影響車輛的正常運(yùn)行。為了提升車輛運(yùn)行效果，則應(yīng)注重車輛調(diào)頭與車輪鏇修周期的制定。通過對鏇修處理前、后車輛行駛狀況進(jìn)行整理與分析，可得如圖2所示的結(jié)果。由圖2可知，車輪鏇修前、后，隨著車輛里程數(shù)增加，兩側(cè)輪徑差呈逐漸上升的趨勢，相對于鏇修前，鏇修后的輪徑差上升幅度更顯著。行駛里程達(dá)到5.3萬km時(shí)，輪徑差超過1.0mm，應(yīng)控制車輛調(diào)頭行駛。當(dāng)車輛行駛里程達(dá)到10.5萬km時(shí)，輪徑差超過2.0mm，超過車輛安全行駛規(guī)定要求，因此需要對車輪進(jìn)行鏇修處理。但需要注意的是，由于車輪所處位置與轉(zhuǎn)動(dòng)速度并不相同，使車輪的磨耗水平存在一定差異，因此在實(shí)際中應(yīng)以2個(gè)月為周期，定期對車輪磨耗水平進(jìn)行檢查，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)車輪失圓問題，提升車輛運(yùn)行的安全性與平穩(wěn)性。

2.3.2輪對鏇修模版自動(dòng)匹配

由相關(guān)資料可知，我國地鐵車輛車輪共有9種薄輪緣踏面外形，其中常見的有4種，分別為LM-29.5、LM-30、LM-31和LM-31.5，因此本文研究中僅將這4種的車輪作為鏇修模版，對輪對鏇修模版自動(dòng)匹配進(jìn)行分析。為了快速選擇最佳的鏇修模版，本文設(shè)計(jì)了一種地鐵輪對鏇修模版自動(dòng)匹配程序。該程序先對輪對踏面外形進(jìn)行檢測，進(jìn)行初步處理后，將其作為鏇修模版匹配的主要參數(shù)。再將這些參數(shù)錄入匹配程序，即可針對輪對具體情況選擇最佳鏇修模版，在保證兩側(cè)輪徑差在0.5mm范圍內(nèi)的同時(shí)，控制鏇修切削量，提升車輪的使用黏性，降低車輛運(yùn)維成本。

3應(yīng)用分析

以某地鐵為例，根據(jù)上述鏇修策略處理地鐵車輪失圓問題，以驗(yàn)證上述鏇修策略是否合理。通過應(yīng)用分析可以得到如圖3所示的結(jié)果。由圖3可知，未采用上述鏇修策略前，車輛行駛80萬km左右時(shí)即可達(dá)到使用壽命限值；采用上述鏇修策略后，車輛行駛190萬km左右時(shí)才達(dá)到使用壽命限值，遠(yuǎn)高于未采用鏇修策略前。表明上述鏇修策略是合理的，有利于提升地鐵車輛行駛安全性、穩(wěn)定性與壽命，對地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行具有重要意義。

4結(jié)語

綜上所述，分析了地鐵車輪失圓原因，并介紹了一種車輪失圓問題的鏇修策略，通過該鏇修策略的應(yīng)用，可以在投入較低成本的同時(shí)，有效解決車輪失圓問題，顯著提升車輪的行駛里程數(shù)，為整個(gè)地鐵系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行提供支持。

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