全自动车辆车轮磨耗研究

2021-12-23路瑶唐玉强

机电信息 2021年30期

关键词：车轮

路瑶唐玉强

摘要：北京市轨道交通燕房线是我国首条自主研发的全自动运行线路，全长14.4 km，因全自动运行的科技性备受业内同行关注，其运营安全性、设备可靠性更需要全力保障。车轮作为地铁电动客车转向架系统的关键部件，必须具有极高的可靠性，以保证电动客车在钢轨上快速、稳定、安全行驶。鉴于此，电动客车车轮磨耗的研究，成为保证全自动地铁线路安全稳定运行的关键。现结合燕房线电动客车车轮的磨耗情况，针对运行中部分列车噪声大、异常振动等现象，结合车辆走行部的检测数据，分析了列车噪声大、异常振动产生的原因，并提出了降低列车噪声、消除异常振动的改进方法。

关键词：燕房线;电动客车;车轮;磨耗

0 引言

近年来，轨道交通行业快速发展，对电动客车车轮磨耗的研究也不断深入。北京、上海、广州等城市地铁在运营过程中，均存在不同程度的车轮异常磨耗问题，国内外对于车轮磨耗问题尚未完全解决。车轮的异常磨耗会导致轮轨接触状态不良，从而影响列车的安全性、平稳性及舒适性，因此，分析车轮异常磨耗的原因，制订有效的改进措施非常必要。燕房线自开通以来，电动客车运行情况整体平稳，个别车辆出现了噪声大、异常振动等现象，鉴于此，本文跟踪分析了燕房线电动客车车轮的磨耗情况，分析了列车噪声大、异常振动产生的原因，并提出了降低列车噪声、消除异常振动的改进方法。

1 车轮运用现状

燕房线电动客车采用GoA4全自动驾驶方式，须定期对车轮的磨耗情况进行数据监测。车轮磨耗数据每半年记录一次，主要测量轮径值、径向跳动、轮缘高、轮缘厚等关键数据。

在车辆运营期间，车轮会出现不同程度的磨耗，一旦磨耗情况异常，会出现车辆噪声大、车体异常晃动等现象，从而影响列车的安全性、平稳性及舒适性。2018年11月至2019年6月，列车007、列车008反馈Tc车运营期间噪声大、车体振动大，下面从车轮踏面磨耗和车轮多边形磨耗两个方面来进行研究和分析。

2 车轮磨耗分析

2.1 车轮踏面磨耗

2.1.1 轮轨磨耗

大量研究表明，车轮磨耗主要是由与车轮踏面直接接触的轨道发生相对滑动引起的，踏面的磨耗深度随运行里程数的增加而逐渐增大。

为掌握车轮磨耗的规律，选取走行里程数相近的4列电动客车（含列车007和008），对其Tc车的车轮廓形进行了数据统计分析。车辆踏面累计磨耗量、磨耗率随着里程数的变化如图1、图2所示。

由图1可知，4列电动客车在运行至5万km时，平均磨耗量在1.5 mm左右;运行至8万km时，平均磨耗量在2 mm左右;运行至12万km时，平均磨耗量在2.4 mm左右;运行至20万km时，平均磨耗量在4 mm左右。由图2可知，选取的4列Tc车的车轮累计磨耗率在0.2 mm/万km左右。

上述这些数值都是可接受的，而且随着运行里程数的递增，万千米平均磨耗值还将有所下降。根据现场数据，可以判定车轮踏面未发生磨耗过快等异常情况。

2.1.2 制动力分配

电动客车制动系统采用电制动和空气制动，电制动力应能单独满足常用制动的要求，当运行速度低于电制动临界消失速度时，由空气制动力进行补充[1]。调查发现，噪声大、异常振动等现象多发生在Tc车上，M车很少产生。这种状况的出现主要是因为列车在制动时首先采用电制动，电制动力不足才由Tc车空气制动进行补充。当Tc车实施空气制动后仍不满足制动要求时，M车才会在电制动的基础上实施空气制动，此时施加的空气制动力较小，不会造成M车踏面过度磨耗，而Tc车实施空气制动相对频繁，因此，制动力分配原则是造成Tc车车轮踏面磨耗的原因之一。

2.2 车轮多边形磨耗

车轮多边形磨耗是指轨道车辆车轮名义滚动圆周向出现不均匀磨损的现象。大量研究表明，引起车轮多边形化的原因是多方面的，线路条件、运行工况、车辆状态等都是重要因素[2]。

车轮多边形化的形成原因之一是车辆的规则振动，当规则振动处于常规随机激励响应的程度时，并不会造成较大影响;当规则振动的响应超过了随机响应的程度，具有向共振发展的趋势时，将有可能与车轮多边形化发生关联[3]。下面主要从轮对自身振动及轨道激扰两个方面进行分析。

2.2.1 轮对自身振动

轮对的自振频率是固有属性，由其质量、材料、结构形式等决定[4]。车辆运行时，轮对的一阶弯曲共振导致轮对在垂向平面弯曲变形，轮对一阶弯曲振动引起轮轨接触区车轮相对钢轨横向滑动，轮对一阶弯曲振动导致的变形较小，轮轨相互滑动较小，其称为“轮轨间横向蠕滑率”。在车轮长时间运行过程中，轮轨间横向蠕滑率的周期性变化导致车轮多边形磨损过程逐渐形成。轮轨间横向蠕滑率变化周期与轮轨弯曲共振相同，激发出轮对一阶弯曲共振，导致车轮多边形产生。

若轮对的一阶模态被激励，则其共振将导致车轮踏面出现谐波磨损（即车轮多边形磨损），波长可由式（1）计算得出：

式中：λ为波长（mm）;v为车辆运行速度（km/h）;f为轮对的模态频率（Hz）。

根據车轮测试结构，燕房线车轮对应的波长为200～300 mm。燕房线车辆运行速度为50～80 km/h，则由式（1）计算出轮对一阶共振频率为69.4～74 Hz。由于未对轮对模态进行有限元分析及敲击测试，车轮多边形是否是由轮对一阶弯曲频率引起在本文未验证。

2.2.2 轨道激扰

在确定的速度v下，由式（2）可计算得出每秒钟车轮转动的周数：

式中：n为每秒钟车轮转动的周数;v为车辆运行速度（km/h）;R为车轮半径（m）。

根据燕房线车辆技术规格书，v=50～80 km/h，为与测试结果进行对比，这里取v=55～70 km/h，R=0.42 m，计算得到n=5.79～7.37，即当速度为55～70 km/h时，每秒钟车轮转动5.79～7.37周。假定该速度下轮轨垂向力主导频率为f，则相邻峰值顶点的理论相位角为p，p=360°×（1/f）×n。以九边形来说，其相位角为40°，因而车轮若要形成九边形，则其轮轨垂向力主导频率需要满足f=9n。

如果假设车轮多边形化是由车轮滚动一周的振动所形成的，根据公式f=9n，当速度取55～70 km/h时，需要其具有主频率为52.11～66.33 Hz的振动。

轨道测试结果显示，车辆运行速度为55～70 km/h时，250～350 mm波磨导致的通过频率（速度/波长）为61.1～77.8 Hz，与车轮形成九边形需要的振动主频（52.11～66.33 Hz）部分重合，因此轨道激扰即钢轨波磨后产生的振动频率是导致车轮多边形的原因之一。

2.2.3 车轮镟修误差

车轮镟修时，若车轴中心线始终保持恒定，则车轮多边形可消除。但由于不落輪镟床的结构，当镟修具有多边形的车轮时，车轴中心线会随车轮转动而不规则移动，同时镟床刀头的位置和切削量是固定值，因此镟修后车轮仍为多边形。

3 改进建议

综合上述分析，提出了改善车轮异常磨耗的建议。

3.1 增加镟修踏面曲线

改变车轮踏面形状将直接改变轮轨接触几何关系[5]，进而改变车轮磨耗，因此可在镟修时根据轮轨磨耗状况，合理优化车轮踏面形状，采用非标准LM踏面进行镟修，在保证车辆动力学性能的基础上减缓踏面磨耗。目前已新增加了两种车轮镟修踏面曲线，后期将从廓形、应用情况、动力、参数、动力学性能等方面进行对比，确定最终使用的镟修曲线。

3.2 改造镟修设备

由于不落轮镟床的固定方式是卡钳式，车轮镟修时车轴中心线会随车轮转动，不能彻底消除多边形。目前镟修设备轴端为双爪固定式，计划改造为四爪固定式，且增加轴箱支撑装置，这样可以提高车轮镟修时轴端固定的稳定性，控制驱动轮工作时车轮的径跳值，可以有效改善车轮多边形磨损现象。

3.3 设计曲线选择

地铁线路曲线运行必然会产生轮轨磨耗，内侧钢轨比外侧钢轨短，车辆的车轮刚性固定在车轴上，即沿曲线运行时不能独立地转动。车轮沿着钢轨滚动，不可避免地会发生轮轨接触表面的纵向滑动，当车轮滚动时轮缘在钢轨轨头侧面产生滑动，使接触点的塑性部分和弹性部分的过渡区间出现变形，形成了车轮磨耗。因此，在地铁线路设计阶段，尽量加大曲线半径，对于改善车轮磨耗具有很大的作用。

4 结论

本文分析了燕房线车轮磨耗的发展趋势，并针对车轮异常磨耗情况分析了形成原因。

（1）根据燕房线电动客车制动力分配原则，Tc车实施空气制动比M车更频繁，且Tc车凹形磨耗更加严重。因此，制动力分配原则是造成Tc车车轮凹形磨耗的原因之一。

（2）车辆运行速度为55～70 km/h时，250～350 mm波磨导致的通过频率（速度/波长）为61.1～77.8 Hz，与车轮形成多边形需要的振动主频（52.11～66.33 Hz）部分重合，因此轨道激扰即钢轨波磨后产生的振动频率是导致车轮多边形的原因之一。

（3）由于不落轮镟床的结构限制，车轮镟修时，车轴中心线会随车轮转动而不规则移动，造成车轮多边形的情况在镟轮后可以缓解但不能彻底消除。

[参考文献]

[1] 邬春晖.北京地铁1号线车轮异常磨耗分析及其解决措施[J].铁道车辆，2013，51（1）：40-42.

[2] 李伟，李言义，张雄飞，等.地铁车辆车轮多边形的机理分析[J].机械工程学报，2013，49（18）：17-22.

[3] 马卫华，罗世辉，宋荣荣.地铁车辆车轮多边形化形成原因分析[J].机械工程学报，2012，48（24）：106-111.

[4] 严隽耄，傅茂海.车辆工程[M].3版.北京：中国铁道出版社，2008.

[5] 任尊松.车辆系统动力学[M].北京：中国铁道出版社，2007.

收稿日期：2021-09-02