動車組車輪多邊形機理分析

（1．中車長春軌道客車股份有限公司轉向架研發部，130062，長春；2．長春汽車工業高等專科學校，130011，長春∥第一作者，教授級高級工程師）

動車組車輪多邊形機理分析

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（1．中車長春軌道客車股份有限公司轉向架研發部，130062，長春；2．長春汽車工業高等專科學校，130011，長春∥第一作者，教授級高級工程師）

介紹了高速動車組車輪多邊形的形成機理以及與轉向架結構之間的關系。轉向架一系懸掛和定位結構不同，在動車組運行過程中對轉向架固定軸距的影響也不同。當采用轉臂定位結構時，由于一系鋼彈簧的沉浮運動，使車輪在鋼軌方向產生有規律的微小滑動，造成車輪多邊形磨耗。

動車組；車輪；多邊形；一系定位結構

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

轉向架是動車組的重要組成部件，其結構形式和懸掛參數決定了動車組的安全性以及運行品質。轉向架中一系懸掛和定位結構形式繁多，并且對轉向架固定軸距有不同程度的影響。動車組高速運行過程中，若轉向架固定軸距數值不“固定”，則會使輪對在鋼軌上產生微小滑動，尤其在長距離恒速運行條件下將造成車輪外周由圓形變為有規律的多邊形。

1 轉向架一系懸掛和定位結構

轉向架一系懸掛主要作用是緩沖和衰減動車組豎向振動和沖擊，一般由軸箱彈簧、橡膠節點、升降止擋及油壓減振器等零部件組成。轉向架一系定位主要作用是約束軸箱與構架之間在縱向和橫向的相對位移，兩者之間采用彈性定位，兼顧轉向架蛇行運動穩定性和轉向架曲線通過性能。轉向架一系懸掛和一系定位結構形式多種多樣，客運車輛主要有以下幾種。

1．1 對稱式定位裝置

對稱式定位裝置在轉向架的結構中比較常見。運行速度較低的車輛，多采用兩側橡膠彈簧方式（錐形簧或人字簧），如圖1a）所示；200km／h以下的中速等級車輛，一般采用兩側圓鋼彈簧方式，如圖1b）所示；高速動車組轉向架一般采用組合方式，兩側為橡膠彈簧，車軸上方為圓鋼彈簧，如圖1c）所示。其他的對稱式定位裝置如導框式定位裝置等，已經很少使用。

圖1 對稱式定位裝置

1．2 轉臂式定位裝置

轉臂式定位裝置結構簡單，各方向剛度參數便于控制，廣泛應用于中國、歐洲及日本的動車組，并可以覆蓋全部速度等級車輛。目前高速動車組轉向架多采用軸箱轉臂定位方式（見圖2）。

1．2．1 彈簧上置轉臂式定位裝置

彈簧上置轉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。輪對和構架之間通過轉臂聯接，轉臂和軸箱體采用整體或分體式結構。轉臂和構架上的定位座通過橡膠彈性節點進行聯接，橡膠彈性節點的扭轉可實現軸箱相對構架豎向變位。橡膠彈性節點在徑向和軸向根據動力學計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行平穩性和穩定性。

1．2．2 彈簧側置轉臂式定位裝置

彈簧側置轉臂式定位裝置是將鋼彈簧布置在車軸一側，另一側采用橡膠節點，如圖2b）所示；或者另一側采用橡膠彈簧，如圖2c）所示。此種結構較簡單，無磨耗且性能穩定，一系彈簧具有較大的設計空間。

圖2 轉臂式定位裝置

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架與軸箱的相對運動，以實現彈性定位。拉板上下彎曲變形剛度小，對軸箱與構架垂直方向的相對位移約束小（見圖3）。

圖3 拉板式定位裝置

2 一系定位結構與轉向架固定軸距關系

轉向架的一系定位結構與轉向架的固定軸距密切相關。對稱式一系定位裝置能夠保證轉向架的固定軸距數值在一系懸掛豎向振動時維持不變；轉臂式定位裝置由于一系懸掛振動時的豎向位移會在列車運行方向產生微小的縱向位移，使固定軸距數值不“固定”，且不同結構形式造成的縱向位移也不同；拉板式定位裝置在輪對處于自由狀態時，也會使固定軸距數值不“固定”，但由于拉板彎曲剛度小，運行時變形量可以由拉板承擔。

（1）采用彈簧上置轉臂式定位裝置的轉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——轉臂長度；

β1——轉臂偏轉角。

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

式中：

L2——轉臂長度；

β2——轉臂偏轉角，β2＝arcsinX1／L2；

X1——構架下降量，即節點處轉臂的豎向位移。

圖4 轉向架固定軸距的變化

式中：

X2——轉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理

相關車輛實測數據表明，車輪在高速轉動過程中，由于轉向架固定軸距的微小變化，車輪在鋼軌上有產生滑動的可能性（見圖5）。

圖5 車輪轉動和平移

設某動車組相關技術參數如下：軸重16t；定位節點剛度C＝120MN／m；車輪與鋼軌間磨擦系數μ＝0．3；一系鋼彈簧沉浮H＝15mm；轉臂長度L＝480mm。則計算可得：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，輪對必然產生滑動，造成車輪多邊形磨耗。從計算過程可以看出，造成車輪滑動的條件與定位節點剛度數值密切相關，因此，可以通過降低定位節點剛度數值，減少或避免車輪滑動。

4 車輪多邊形與振動傳遞關系

隨著動車組的長時間運行，車輪踏面狀態必然發生改變，無論是車輪多邊形或牽引制動造成的車輪非圓現象，還是運行中擦傷、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傳遞至轉向架及整個車輛，最終的表現是動車組異常振動、噪聲增大及動力學性能下降，甚至出現零部件的松、脫、斷裂等故障。車輛振動傳遞模型見圖6。

圖6 車輛振動傳遞模型

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期，因此，在轉向架結構設計時，需從振動傳遞入手，通過減振措施達到衰減振動的效果，以保證轉向架零部件可靠性并提高車輛運行品質。同時，在車輛運用維護中加強車輪狀態檢測，發現車輪多邊形等踏面問題及時進行鏇修處理，以保證車輪踏面狀態良好。

5 結語

轉向架一系定位結構不同，動車組運行過程中轉向架固定軸距的變化也不同。采用轉臂式定位裝置的動車組，在長大線路、勻速運行的情況下，易導致轉向架固定軸距有規律地變化，造成車輪多邊形磨耗，使轉向架振動加劇，導致軸端部件的松、脫、斷等故障。

［1］ 嚴雋耄．車輛工程［M］．2版．北京：中國鐵道出版社，1999．

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

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

［4］ 張雪珊，肖新標，金學松．高速車輪橢圓化問題及其對車輛橫向穩定性的影響［J］．機械工程學報，2008，44（3）：50．

［5］ 李霞，溫澤峰，金學松．地鐵車輪踏面異常磨耗原因分析［J］．機械工程學報，2010，46（16）：60．

［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］．鐵道學報，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）