武广高铁车轮多边形综合整治研究

钱 卿

(中国铁路广州局集团有限公司 车辆处， 广州 510601)

从我国开行第一列动车组至今已有10年，随着车辆轨道部件的老化、运营速度不断提高，轮轨间的相互动力作用越来越强，造成了车轮磨耗加剧。当车轮磨耗延圆周方向形成周期性的磨耗，我们称之为车轮多边形磨耗，也可以解释为沿车轮踏面圆周方向的波浪形磨损。当动车组车轮出现多边形，在高速运行时将形成强烈的高频轮轨冲击，可造成轴箱螺栓松脱断裂，轴温传感器固定线卡座疲劳裂纹等故障，影响列车运行安全，同时也会产生尖锐的轮轨噪声，影响乘坐舒适性。

车轮多边形在铁道机车车辆上都有出现，国内外学者对车轮多边形的机理有众多研究，总结起来主要有以下几种：①车轮旋修夹具及旋床支撑轮作用导致车轮旋修后形成初始的车轮多边形[1]；②轨道结构模态引起车轮多边形[2]；③轮对弯曲、扭转模态与轮轨激扰共振引起车轮多边形[3-4]；④轮轨间相互作用的P2力共振[5-6]；⑤车轮缺陷引起轮轨冲击形成车轮多边形[7];⑥车轮硬度延圆周分布不均；⑦轮轨饱和滑力导致的轮轨系统的摩擦自激振动[8]等。由于车轮多边形的影响因素众多，车轮多边形形成机理仍未能达成共识，尚待深入系统地进行研究。

车轮多边形已经成为影响我国动车组运行安全的故障之一，在机理没研究透彻的情况下，需要从工程控制的角度提出缓解措施。文中以武广高铁服役的CRH3型系列动车组为研究对象，通过对车轮多边形的跟踪测试得到了车轮多边形特征与影响，通过对车轮多边形试验研究提出了针对武广高铁车轮多边形的多项工程控制措施，取得了良好的成效。

1 武广高铁动车组车轮多边形特征分析

1.1 车轮多边形特征

配属广铁集团的CRH3型技术平台动车组，从2014年以来车轮多边形故障开始增多，通过对车轮多边形动车组长期的测试，研究了CRH3型技术平台动车组车轮多边形的规律，图1为典型的车轮多边形特征，图2分别为车轮多边形随运行里程的发展规律以及车轮多边形随车轴的分布规律。具体特征总结如下：

(2)CRH3型系列动车组车轮多边形高阶幅值≥20 dB的占比随旋后里程的增加而增长，即车轮多边形故障率随着运行里程的增加呈增加趋势，见图1(a)。

(3)动车车轮多边形高阶幅值≥20 dB的占比明显高于拖车，见图1(b)。

(4)1轴和4轴车轮多边形高阶幅值≥20 dB的占比明显高于2轴和3轴，见图2(a)。

(5)车轮多边形高阶幅值随轮径的减小而逐渐增大，小轮径的车轮更易产生车轮多边形。

1.2 车轮多边形激扰频谱特征分析

武广高铁车轮多边形阶次为17～20阶，从统计发现车轮多边形的阶次与车轮直径对应，即车轮多边形的波长基本相同。当动车组以300 km/h运行时，因多边形引起的轮轨力激扰频率可以由式(1)进行计算，而波长则可由式(2)得到。

(1)

λ=πd/n

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(2)

图1 典型的武广车轮多边形

其中，f为车轮多边形激振频率；v为列车运行速度；d为车轮名义滚动圆直径；n为车轮多边形阶次；λ为车轮多边形波长。

图2 武广车轮多边形特征

车轮多边形波长与激扰频率的计算结果见表1，武广高铁车轮多边形的激扰频率范围为540～590 Hz，而车轮多边形的波长约为145～160 mm。

表1 车轮多边形波长与激扰频率

2 多边形影响的线路试验研究

2.1 旋修前后车轮多边形的影响

为了研究车轮多边形磨耗对转向架部件的影响，选取了具有20阶21 dB幅值的车轮多边形转向架进行试验(5 kHz滤波)，对比了新旋修与车轮多边形时轴箱、构架振动加速度以及频谱特性，如图3、图4所示。

由图3可知：车轮多边形显著加大了轴箱与构架的垂向振动加速度幅值，有无车轮多边形时轴箱振动加速度分别为18.9g与13.0g，构架振动加速度最大值分别为12.4g与5.6g，最大值增加了45%～120%；从有效值对比有无多边形时轴箱振动加速度有效值分别为5.5g与1.2g，构架振动加速度有效值为2.3g与0.6g，有效值增加了280%～320%。

由图4可知，车轮旋修前轴箱、构架垂向振动在565 Hz、1 130 Hz、1 700 Hz频率处有显著峰值，这刚好对应车轮20阶多边形的激振频率以及其倍频。这说明车轮多边形产生的高频激扰造成了轴箱、构架振动加速度的增加，为主要的激扰频率，消除车轮多边形后车轮多边形激扰频率消失，振动加速度幅值显著降低。

图3 有无车轮多边形时轴箱、构架振动加速度波形

图4 加速度级对比

2.2 车轮多边形幅值的影响

本节选取了不同阶次的车轮多边形进行线路试验，得到了新轮无多边形、21 dB车轮多边形、30 dB车轮多边形、37 dB车轮多边形时轴箱垂向振动加速度幅值的变化，不同幅值车轮多边形极坐标见图5，轴箱垂向振动加速度时域波形对比见图6，轴箱垂向振动加速度最大值对比见图7。

由图可知，随着车轮多边形幅值的增加，轴箱垂向振动加速度呈指数级增加，当车轮多边形幅值达到30 dB，轴箱垂向振动加速度接近100g，而当车轮多边形幅值达到37 dB，轴箱垂向振动加速度可达170g。过大的轴箱垂向激扰是引起轴箱端盖螺栓松脱折断的主要原因。

图5 不同车轮多边形极坐标图

图6 轴箱垂向振动加速度对比

图7 轴箱垂向振动加速度最大值对比

图8 打磨前后轴箱垂向振动加速度散点图

3 车轮多边形控制措施

通过对武广高铁车轮多边形长期跟踪测试以及车轮多边形影响线路试验，论文研究了车轮多边形的特征与影响。为了能够控制乃至消除车轮多边形故障的影响，针对武广高铁车轮多边形提出了以下5项控制措施。

3.1 多边形测试与旋修

车轮旋修可以显著改善车轮表面状态，消除车轮多边形。广铁集团与主机厂对武广高铁服役的动车组开展了大范围的车轮多边形持续测试，对车轮多边形过大的车轮进行及时旋修。经过长时间的运用维护经验，形成了车轮多边形的状态修原则：

(1)对于出现轴箱端盖螺栓松脱、轴箱线卡裂纹等故障的轮对立即进行旋修；

(2)对于高阶车轮多边形幅值超过25 dB的轮对立即进行旋修；

(3)对于高阶车轮多边形幅值超过20 dB的轮对，尽快安排车轮旋修。

通过对车轮多边形车轮进行测试，及时旋修消除幅值超限的车轮多边形，减小轮轨间的垂向激扰，车轮多边形引起的故障大大降低。

3.2 钢轨打磨

车轮多边形是轮轨相互作用引起的，为了减小轨道激扰的影响，广铁集团一方面对钢轨波磨或钢轨异常区段进行故障打磨，另一方面定期对钢轨进行快速打磨与大机打磨。

图8为钢轨快速打磨前后的轴箱垂向振动加速度最大值散点图，由图可知：钢轨打磨可以显著降低轮轨垂向作用力，降低轴箱垂向振动加速度幅值。钢轨打磨有利于减少车轮多边形故障率。

3.3 旋修质量提升

通过长期运用经验发现车轮一次旋修有时候不能完全消除高阶车轮多边形。通过不落轮旋修工艺优化，按照两次进刀且单次进刀量不小于0.5 mm、进给倍率控制在80%以内的方式进行车轮旋修，有效去除车轮高阶多边形；同时在轴箱下部增加下部支撑，减小车轮径跳，进一步提升旋修质量。通过旋修质量的提升，运行10×104km以内的多边形故障基本消除。

3.4 换线运行

对常出现故障的动车组进行换线运行，可以有效降低车轮多边形故障率。以26列CRH3C动车组为例，动车组由武广高铁转属长沙所担当沪昆线运营交路，转属后动车组的百万公里故障率总体下降82.34%。

3.5 变速运行

图9为降速过程轴箱垂向加速度时域波形。通过试验发现车轮多边形激扰是和速度密切相关的轮轨外部激扰，当动车组以300 km/h运行时，车轮多边形激扰的特征频率与轮轨系统固有频率发生共振，使得轴箱加速度显著增加。当动车组运行速度降低至270 km/h及以下，车轮多边形激扰频率随之降低，避开轮轨系统固有频率后，轴箱振动加速度显著降低。

建议动车组服役时可以尝试变速度运行，或者在不同速度级线路交替运行。经常改变轮轨激扰频率，可以有效减缓或抑制高阶车轮多边形的形成，降低车轮多边形故障率。

图9 降速过程轴箱垂向加速度时域波形

4 结论与展望

对武广高铁服役的CRH3型系列动车组车轮多边形的跟踪与试验发现：武广高铁车轮多边形为17～20阶，随着车轮多边形幅值的增加，轴箱加速度呈指数级增加，过大的轴箱加速度引起了轴箱端盖螺栓松脱与折断。

针对车轮多边形问题，提出了5项整治措施：多边形车轮及时状态修、钢轨打磨、旋床升级、换线运行、变速运行。这些措施实施以来，一方面及时消除了幅值过大的车轮多边形，另一方面控制了车轮多边形的产生与发展速率，武广高铁车轮多边形故障率显著降低。从2015年6月至2016年3月武广高铁动车组故障件数由最高峰单月416件下降至单月100件以内，工程控制措施取得了显著的成效。

现阶段车轮多边形的测试主要还是靠人工测试，工作量大且容易产生误差。后续将开展车轮PHM研究，将车轮每日通过轮对故障动态检测系统的数据、每次旋轮前后的轮对参数及多边形数据、轮对走行里程等数据进行综合统计与分析，通过大数据构建轮对监控模型，达到车轮由定期检修向状态检修的目的，实现轮对状态的最优化及最优经济性。