動車組不落輪車床等效錐度及車輪多邊形檢測功能的設計與實現

高靜濤， 楊 鑫, 秦傳鑫

(1 中國鐵路北京局集團有限公司 車輛處， 北京 100860； 2 中國鐵路北京局集團有限公司 北京動車段， 北京 100039)

近年，部分動車組在輪對旋修后運行3萬km時，發生了較明顯的晃車，導致構架橫向加速度報警。經過對報警動車組的車輪踏面進行測量并對輪軌匹配進行分析，發現報警車輛踏面等效錐度為0.35，其他車輛踏面等效錐度為0.3，普遍較其他跟蹤的未報警動車組等效錐度偏大。

同時，部分動車組頻繁出現運行時車輪振動過大，導致動輪軸箱端蓋固定螺栓斷裂的情況，武廣高鐵和京滬、京津高鐵上也出現此現象[1]。經過對車輪踏面外形和輪軌匹配等方面的研究，國內專家開始對車輪多邊形化進行了深入研究，當輪對踏面磨耗成20階高階多邊形，在線路上按正常速度運行時，輪對自身的激發振動頻率和線路及車體本身的頻率接近，導致動車組產生共振。

經過對輪對旋修前、后的運行情況進行跟蹤檢測，已得出初步結果：導致出現橫向加速度報警的原因是輪軌匹配的等效錐度偏大；導致軸端安裝螺栓斷裂或松脫的原因是引發高頻垂向輪軌沖擊振動的車輪高階多邊形。

1 車輪等效錐度及高階多邊形

我國動車組運用檢修規程中對于輪對直徑、輪緣高度、輪緣厚度、同軸輪徑差、同轉向架輪徑差以及qR值等數據均有明確規定，之前并未對等效錐度和高階多邊形的標準進行明確。這兩個概念在國外軌道車輛中已有涉及，而通過我國高速鐵路起步不到十年的運營經驗，也逐漸開始認識到這兩個因素對于高速列車運行品質的影響。

1.1 等效錐度的定義與計算

早期，國內外鐵路的輪對踏面外形普遍采用錐形踏面，這種踏面型式的車輪滾動圓附近被設計為斜率固定的直線段，如圖1所示，所以，在直線段范圍內車輪踏面錐度為常數。我國動車組輪對均采用磨耗型踏面，同時由于運行過程中的車輪踏面本身就處在不斷的磨耗過程中，所以滾動圓附近一般不是直線段，這時計算車輪踏面外形錐度需要采用其等效值，稱為等效錐度。等效錐度是指與給定輪對運動波長相同的錐形車輪輪對的車輪錐度角的正切值[1]。歐洲鐵路經過多年試驗研究，制定了等效錐度的計算方法和使用限值。同時，EN 15302也明確闡述了等效錐度的定義、計算流程和評估方法。輪軌等效錐度計算需要考慮輪軌廓形和輪軌實際接觸點位置，它反映了一根軸的2個車輪同鋼軌廓面的實際接觸幾何關系。

對于確定的輪對踏面廓形，其可直接測量的參數均為確定值，但由于采用不同的輪軌廓形平滑插值方法計算出的等效錐度不盡相同，所以等效錐度算法并不局限于一種，因此需要有相關驗證標準對等效錐度算法進行驗證，一種等效錐度算法只有在完全通過相關標準驗證后其計算結果才能被認可。目前，我國動車組車輪等效錐度的計算方法一般使用積分法和簡化法[2]，無論采用哪種方法，均要求必須通過UIC 519驗證標準的驗證。

經過跟蹤測試，車輪旋修后輪徑差過大、踏面形狀偏差過大，均會引起等效錐度發生變化，由此導致的輪軌等效錐度偏離設計值太遠，或是隨著運行動車組車輪的不斷磨耗，均會引起高速運行的動車組車體振動性能發生極大變化。例如，CRH3C動車組的輪軌等效錐度設計值為0.166～0.18，輪對運行中當等效錐度小于0.08時，會引起車體失穩，大于0.35后會引起構架失穩。所以車輪旋修后等效錐度值應控制在合理范圍內。

圖1 錐形踏面滾動圓踏面錐度

圖2 MiniProf輪廓測量儀

1.2 離線車輪等效錐度的檢測

前期的跟蹤測試中，受測量條件的影響，大部分數據均采用對離線輪對的各項參數進行人工手動測量的方法(只有動車組運行至軌道橋上時，方可進行人工在線測量)。手動測量的工具為丹麥格林伍德工程公司的產品MiniProf輪廓測量儀(如圖2所示)，再根據相應的計算軟件計算出輪對等效錐度。這種儀器對于個別輪對尚可滿足需求，但對于動車運用所來說，就顯得測量效率低下。同時，使用MiniProf輪廓測量儀對輪對外形尺寸進行測量時，使用人操作的熟練度、按壓力度、速度均會對結果產生較大影響，往往同一條輪對需要3～4次測量。

1.3 車輪多邊形的定義與計算

國外對多邊形問題的研究起步較早。運行中的動車組，隨著車輪踏面的不斷磨耗，車輪圓周方向會出現波狀磨損，使車輪呈現多邊形化[3]。車輪多邊形可以直觀的理解為車輪圓周方向出現的徑跳值變化，主要反映輪對滾動圓周的徑向跳動變化趨勢。圖3所示的是使用早期不落輪旋床對某一輪對旋修加工后的測量結果，從(b)中可以直觀的看出，該條輪對加工后的滾動圓形狀近似為四邊形。早起不落輪車床未加入車輪多邊形檢測功能的精確控制，僅靠驅動輪及液壓缸來旋轉支撐輪對轉動，車輪直徑大致為驅動輪直徑的4倍，因此驅動輪旋轉4周左右，被旋輪對旋轉1周，從而形成了近似四邊形。

計算車輪多邊形需要的數據是車輪圓周方向的徑向跳動和相位，這些都屬于時域范疇，為了能計算車輪多邊形的階次，最普遍的方法就是使用傅立葉變換，將時域信號轉換為頻域信號。通過傅立葉變換后，將信號的幅值相對0.001 mm的對數值作為該階次下的水平粗糙度的衡量標準。此時，水平粗糙度值越大，則階次越明顯(可近似理解為多邊形的邊數)。

1.4 離線車輪多邊形的檢測

目前，國內大多使用BBM的車輪不圓度測量儀來獲取計算多邊形階數所需要的數據。這種方法，必須將輪對從運營的動車組中拆下后進行測量，同樣的，測量效率低，而且測量時，必須將輪對的軸頸頂起，并旋轉，才能進行。

2 等效錐度及車輪多邊形檢測功能在不落輪旋床上的實現

盡管我國對于車輪等效錐度及多邊形問題的研究起步較晚，參考借鑒國外鐵路的經驗，我國專家也取得了許多研究成果，但眾多的研究均著重于等效錐度、車輪多邊形如何計算，以及對車輪和列車運行的影響，而且車輪等效錐度和多邊形計算數據的測量還僅是手持式設備測量。文中就是針目前全路使用的U2000型動車組不落輪車床的數控系統進行二次開發，在提高不落輪車床測量精度的基礎上，將測量的結果進行分析處理，并集成應用在不落輪車床的旋修加工程序中，控制車輪加工精度，既提高了不落輪車床本身的測量精度，同時也提高了車輪的加工品質。

2.1 不落輪車床的軟硬件系統

U2000型不落輪車床同時具備輪對幾何參數測量、分析、修復、加工等多項功能。該設備采用接觸式自動測量方式，可以在動車組輪對測量旋修過程中對同一輪對上兩個輪柄的幾何尺寸進行自動測量[4]。

不落輪車床主要包括機架、軌道系統、輪對定位和參數測量裝置、輪對支撐驅動裝置、輪對固定和夾緊裝置、輪對旋修刀架刀具裝置。其數控系統硬件結構由數控單元NCU561.4及SIMODRIVE 611D驅動模塊，OP010C(MMC103和PCU50服務器)和MCP操作控制單元，S7-300 PLC模塊，4個1FK7三相數字伺服電動機，MicroMaster440變頻器，三相異步驅動輪電機等部件組成，系統的各個部件通過現場總線ProfiBus連接通訊。

該設備的數控系統采用了西門子公司20世紀90年代推出的高性能數控系統SINUMERIK 840D，它保持西門子前兩代系統SINUMERIK 880和840C的三CPU結構：人機通信CPU(MMC-CPU)、數字控制CPU(NC-CPU)和可編程邏輯控制器CPU(PLC-CPU)。三部分在功能上既相互分工，又互為支持。在物理結構上，NC-CPU和PLC-CPU合為一體，合成在NCU(Numerical Control Unit)中，但在邏輯功能上又相互獨立。

2.2 等效錐度和多邊形檢測功能的設計與實現

實現車輪等效錐度和多邊形的計算，首先要獲得較為準確的輪對外形尺寸數據，不僅僅包括輪徑、輪緣高度、輪緣厚度等宏觀尺寸，也包括滾動圓的粗糙度等微觀尺寸。所以首先需要對不落輪車床的測量系統進行改造，進而通過數控系統負責整個測量過程的過程控制和原始測量數據的獲取，然后在SINUMERIK 840D 數控系統平臺上的MMC軟件中嵌入等效錐度和多邊形的計算程序，對原始數據進行濾波、擬合、積分、快速傅里葉變換等大量的數據運算，從而在U2000型不落輪車床實現測量，分析、加工等功能。

開發的等效錐度計算程序同時包括了積分法和簡化法，以積分法為主，簡化法計算結果作為參考。車輪多邊形計算程序對多邊形數據進行處理，通過時-頻轉換最終計算出對應輪對的不同多邊形階數的相應數據，并生成相應的階次圖，周長坐標圖、圓周極坐標圖等記錄報表，如圖4所示。同時，該程序也可做適當的調整后用在動車組高級修程中使用的PN190型車輪車床上，如圖5所示。

圖3 車輪多邊形的不同顯示方式

圖4 U2000型不落輪車床數據報表

圖5 PN190型車輪車床顯示界面

2.3 等效錐度和多邊形檢測功能的對比驗證

經過改造，U2000型動車組不落輪車床等效錐度檢測精度：通過接觸方式連續測量輪對踏面輪廓，測量出的踏面輪廓(包括輪緣最高點)輸出點間距沿軸向不大于0.2 mm。等效錐度的計算結果與MiniProf踏面輪廓測量儀的測量計算結果誤差不大于0.025。

多邊形測量精度：通過接觸方式連續測量輪對滾動圓位置的徑向跳動，測量出的徑跳函數輸出點相位間隔不大于0.5°。車輪多邊形的計算結果與BBM輪對踏面不圓度測量儀的測量計算結果相比：高低階多邊形階次一致；高低階多邊形峰值誤差不大于3 dB。

同時配置在U2000型動車組不落輪車床以及PN190型動車組車輪車床上的程序，使得車床均滿足等效錐度和車輪多邊形的檢測需求的同時，沒有增加額外的測量時間，未降低測量結果生成效率。

3 結束語

動車組不落輪車床作為動車組輪對外形尺寸加工必配設備，經過功能升級，具備了對計算等效錐度和車輪多邊形條件數據的測量功能的同時，也對不同計算方法得出的等效錐度和車輪多邊形結果進行同步輸出，不僅解決了使用復雜測量手段以及繁瑣計算過程才能得出事后數據的尷尬，又為確保動車組運行安全、提高旅客旅行舒適度提供了非常重要的保障。