動(dòng)車組車輪多邊形機(jī)理分析

（1．中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春；2．長(zhǎng)春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，130011，長(zhǎng)春∥第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師）

動(dòng)車組車輪多邊形機(jī)理分析

周殿買1楊集友1徐 彬2

（1．中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春；2．長(zhǎng)春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，130011，長(zhǎng)春∥第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師）

介紹了高速動(dòng)車組車輪多邊形的形成機(jī)理以及與轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)向架一系懸掛和定位結(jié)構(gòu)不同，在動(dòng)車組運(yùn)行過程中對(duì)轉(zhuǎn)向架固定軸距的影響也不同。當(dāng)采用轉(zhuǎn)臂定位結(jié)構(gòu)時(shí)，由于一系鋼彈簧的沉浮運(yùn)動(dòng)，使車輪在鋼軌方向產(chǎn)生有規(guī)律的微小滑動(dòng)，造成車輪多邊形磨耗。

動(dòng)車組；車輪；多邊形；一系定位結(jié)構(gòu)

First－author′saddressCRRC Chanchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

轉(zhuǎn)向架是動(dòng)車組的重要組成部件，其結(jié)構(gòu)形式和懸掛參數(shù)決定了動(dòng)車組的安全性以及運(yùn)行品質(zhì)。轉(zhuǎn)向架中一系懸掛和定位結(jié)構(gòu)形式繁多，并且對(duì)轉(zhuǎn)向架固定軸距有不同程度的影響。動(dòng)車組高速運(yùn)行過程中，若轉(zhuǎn)向架固定軸距數(shù)值不“固定”，則會(huì)使輪對(duì)在鋼軌上產(chǎn)生微小滑動(dòng)，尤其在長(zhǎng)距離恒速運(yùn)行條件下將造成車輪外周由圓形變?yōu)橛幸?guī)律的多邊形。

1 轉(zhuǎn)向架一系懸掛和定位結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向架一系懸掛主要作用是緩沖和衰減動(dòng)車組豎向振動(dòng)和沖擊，一般由軸箱彈簧、橡膠節(jié)點(diǎn)、升降止擋及油壓減振器等零部件組成。轉(zhuǎn)向架一系定位主要作用是約束軸箱與構(gòu)架之間在縱向和橫向的相對(duì)位移，兩者之間采用彈性定位，兼顧轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向架曲線通過性能。轉(zhuǎn)向架一系懸掛和一系定位結(jié)構(gòu)形式多種多樣，客運(yùn)車輛主要有以下幾種。

1．1 對(duì)稱式定位裝置

對(duì)稱式定位裝置在轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)中比較常見。運(yùn)行速度較低的車輛，多采用兩側(cè)橡膠彈簧方式（錐形簧或人字簧），如圖1a）所示；200km／h以下的中速等級(jí)車輛，一般采用兩側(cè)圓鋼彈簧方式，如圖1b）所示；高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架一般采用組合方式，兩側(cè)為橡膠彈簧，車軸上方為圓鋼彈簧，如圖1c）所示。其他的對(duì)稱式定位裝置如導(dǎo)框式定位裝置等，已經(jīng)很少使用。

圖1 對(duì)稱式定位裝置

1．2 轉(zhuǎn)臂式定位裝置

轉(zhuǎn)臂式定位裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各方向剛度參數(shù)便于控制，廣泛應(yīng)用于中國(guó)、歐洲及日本的動(dòng)車組，并可以覆蓋全部速度等級(jí)車輛。目前高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架多采用軸箱轉(zhuǎn)臂定位方式（見圖2）。

1．2．1 彈簧上置轉(zhuǎn)臂式定位裝置

彈簧上置轉(zhuǎn)臂式定位裝置是一系鋼彈簧放置在車軸正上方，如圖2a）所示。輪對(duì)和構(gòu)架之間通過轉(zhuǎn)臂聯(lián)接，轉(zhuǎn)臂和軸箱體采用整體或分體式結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)臂和構(gòu)架上的定位座通過橡膠彈性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)接，橡膠彈性節(jié)點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)軸箱相對(duì)構(gòu)架豎向變位。橡膠彈性節(jié)點(diǎn)在徑向和軸向根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析選擇適合的剛度值，以滿足車輛在縱向和橫向定位要求，保證車輛具有良好的運(yùn)行平穩(wěn)性和穩(wěn)定性。

1．2．2 彈簧側(cè)置轉(zhuǎn)臂式定位裝置

彈簧側(cè)置轉(zhuǎn)臂式定位裝置是將鋼彈簧布置在車軸一側(cè)，另一側(cè)采用橡膠節(jié)點(diǎn)，如圖2b）所示；或者另一側(cè)采用橡膠彈簧，如圖2c）所示。此種結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，無磨耗且性能穩(wěn)定，一系彈簧具有較大的設(shè)計(jì)空間。

圖2 轉(zhuǎn)臂式定位裝置

1．3 拉板式定位裝置

拉板式定位裝置是采用彈簧鋼材制成的薄形定位拉板，利用拉板在縱向和橫向的不同剛度來約束構(gòu)架與軸箱的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)彈性定位。拉板上下彎曲變形剛度小，對(duì)軸箱與構(gòu)架垂直方向的相對(duì)位移約束小（見圖3）。

圖3 拉板式定位裝置

2 一系定位結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)向架固定軸距關(guān)系

轉(zhuǎn)向架的一系定位結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)向架的固定軸距密切相關(guān)。對(duì)稱式一系定位裝置能夠保證轉(zhuǎn)向架的固定軸距數(shù)值在一系懸掛豎向振動(dòng)時(shí)維持不變；轉(zhuǎn)臂式定位裝置由于一系懸掛振動(dòng)時(shí)的豎向位移會(huì)在列車運(yùn)行方向產(chǎn)生微小的縱向位移，使固定軸距數(shù)值不“固定”，且不同結(jié)構(gòu)形式造成的縱向位移也不同；拉板式定位裝置在輪對(duì)處于自由狀態(tài)時(shí)，也會(huì)使固定軸距數(shù)值不“固定”，但由于拉板彎曲剛度小，運(yùn)行時(shí)變形量可以由拉板承擔(dān)。

（1）采用彈簧上置轉(zhuǎn)臂式定位裝置的轉(zhuǎn)向架固定軸距變化為λ1（如圖4a）所示）。

式中：

β1＝arcsin X／L；

X——鋼彈簧振幅；

L——轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度；

β1——轉(zhuǎn)臂偏轉(zhuǎn)角。

（2）采用彈簧側(cè)置轉(zhuǎn)臂式定位裝置的轉(zhuǎn)向架固定軸距變化為λ2（如圖4b）所示）。

式中：

L2——轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度；

β2——轉(zhuǎn)臂偏轉(zhuǎn)角，β2＝arcsinX1／L2；

X1——構(gòu)架下降量，即節(jié)點(diǎn)處轉(zhuǎn)臂的豎向位移。

圖4 轉(zhuǎn)向架固定軸距的變化

式中：

X2——轉(zhuǎn)臂豎向位移造成的鋼彈簧變化量；

L1——鋼彈簧與車軸中心距離。

3 車輪多邊形的形成機(jī)理

相關(guān)車輛實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，車輪在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，由于轉(zhuǎn)向架固定軸距的微小變化，車輪在鋼軌上有產(chǎn)生滑動(dòng)的可能性（見圖5）。

圖5 車輪轉(zhuǎn)動(dòng)和平移

設(shè)某動(dòng)車組相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：軸重16t；定位節(jié)點(diǎn)剛度C＝120MN／m；車輪與鋼軌間磨擦系數(shù)μ＝0．3；一系鋼彈簧沉浮H＝15mm；轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度L＝480mm。則計(jì)算可得：輪軌間磨擦力為23．52kN；鋼彈簧沉浮造成的縱向力為27．05kN。

由于鋼彈簧沉浮造成的縱向力大于輪軌間磨擦力，輪對(duì)必然產(chǎn)生滑動(dòng)，造成車輪多邊形磨耗。從計(jì)算過程可以看出，造成車輪滑動(dòng)的條件與定位節(jié)點(diǎn)剛度數(shù)值密切相關(guān)，因此，可以通過降低定位節(jié)點(diǎn)剛度數(shù)值，減少或避免車輪滑動(dòng)。

4 車輪多邊形與振動(dòng)傳遞關(guān)系

隨著動(dòng)車組的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，車輪踏面狀態(tài)必然發(fā)生改變，無論是車輪多邊形或牽引制動(dòng)造成的車輪非圓現(xiàn)象，還是運(yùn)行中擦傷、硌傷或剝離造成的車輪踏面損傷，均通過鋼軌的激擾將振動(dòng)傳遞至轉(zhuǎn)向架及整個(gè)車輛，最終的表現(xiàn)是動(dòng)車組異常振動(dòng)、噪聲增大及動(dòng)力學(xué)性能下降，甚至出現(xiàn)零部件的松、脫、斷裂等故障。車輛振動(dòng)傳遞模型見圖6。

圖6 車輛振動(dòng)傳遞模型

來自輪軌的激擾不可避免，且車輪非圓化及踏面損傷較難預(yù)期，因此，在轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需從振動(dòng)傳遞入手，通過減振措施達(dá)到衰減振動(dòng)的效果，以保證轉(zhuǎn)向架零部件可靠性并提高車輛運(yùn)行品質(zhì)。同時(shí)，在車輛運(yùn)用維護(hù)中加強(qiáng)車輪狀態(tài)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)車輪多邊形等踏面問題及時(shí)進(jìn)行鏇修處理，以保證車輪踏面狀態(tài)良好。

5 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)向架一系定位結(jié)構(gòu)不同，動(dòng)車組運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)向架固定軸距的變化也不同。采用轉(zhuǎn)臂式定位裝置的動(dòng)車組，在長(zhǎng)大線路、勻速運(yùn)行的情況下，易導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架固定軸距有規(guī)律地變化，造成車輪多邊形磨耗，使轉(zhuǎn)向架振動(dòng)加劇，導(dǎo)致軸端部件的松、脫、斷等故障。

［1］ 嚴(yán)雋耄．車輛工程［M］．2版．北京：中國(guó)鐵道出版社，1999．

［2］ 李偉，李言義，張雄飛，等．地鐵車輛車輪多邊形的機(jī)理分析［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（18）：17．

［3］ 王偉，曾京，羅仁．列車車輪不圓順的研究現(xiàn)狀［J］．國(guó)外鐵道車輛，2009，46（1）：39．

［4］ 張雪珊，肖新標(biāo)，金學(xué)松．高速車輪橢圓化問題及其對(duì)車輛橫向穩(wěn)定性的影響［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（3）：50．

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［6］ 羅仁，曾京，鄔平波，等．高速列車車輪不圓順磨耗仿真及分析［J］．鐵道學(xué)報(bào)，2010，32（5）：30．

Analysis of EMU Wheel Polygonization Mechanism

ZHOU Dianmai，YANG Jiyou，XU Bin

The relationship between the wheel polygonization formation mechanism and the structure of high－speed EMU bogie is introduced．Different primary suspensions and positioning structures of the bogie will cast different influences on the fixed wheelbase of bogie during the operation of EMU．When the tumbler axle－box positioning structure is adopted，the wheel set will produce tiny slide in the direction of the rail because of the up and down motions of the primary spring，thus resulting in the regular polygonization of wheel．

electric multiple unit（EMU）；wheel；polygonization；axle box positioning

U270．33

10．16037／j．1007－869x．2017．02．005

2016－09－15）