武廣高鐵車輪多邊形綜合整治研究

錢 卿

(中國鐵路廣州局集團有限公司 車輛處， 廣州 510601)

從我國開行第一列動車組至今已有10年，隨著車輛軌道部件的老化、運營速度不斷提高，輪軌間的相互動力作用越來越強，造成了車輪磨耗加劇。當車輪磨耗延圓周方向形成周期性的磨耗，我們稱之為車輪多邊形磨耗，也可以解釋為沿車輪踏面圓周方向的波浪形磨損。當動車組車輪出現多邊形，在高速運行時將形成強烈的高頻輪軌沖擊，可造成軸箱螺栓松脫斷裂，軸溫傳感器固定線卡座疲勞裂紋等故障，影響列車運行安全，同時也會產生尖銳的輪軌噪聲，影響乘坐舒適性。

車輪多邊形在鐵道機車車輛上都有出現，國內外學者對車輪多邊形的機理有眾多研究，總結起來主要有以下幾種：①車輪旋修夾具及旋床支撐輪作用導致車輪旋修后形成初始的車輪多邊形[1]；②軌道結構模態引起車輪多邊形[2]；③輪對彎曲、扭轉模態與輪軌激擾共振引起車輪多邊形[3-4]；④輪軌間相互作用的P2力共振[5-6]；⑤車輪缺陷引起輪軌沖擊形成車輪多邊形[7];⑥車輪硬度延圓周分布不均；⑦輪軌飽和滑力導致的輪軌系統的摩擦自激振動[8]等。由于車輪多邊形的影響因素眾多，車輪多邊形形成機理仍未能達成共識，尚待深入系統地進行研究。

車輪多邊形已經成為影響我國動車組運行安全的故障之一，在機理沒研究透徹的情況下，需要從工程控制的角度提出緩解措施。文中以武廣高鐵服役的CRH3型系列動車組為研究對象，通過對車輪多邊形的跟蹤測試得到了車輪多邊形特征與影響，通過對車輪多邊形試驗研究提出了針對武廣高鐵車輪多邊形的多項工程控制措施，取得了良好的成效。

1 武廣高鐵動車組車輪多邊形特征分析

1.1 車輪多邊形特征

配屬廣鐵集團的CRH3型技術平臺動車組，從2014年以來車輪多邊形故障開始增多，通過對車輪多邊形動車組長期的測試，研究了CRH3型技術平臺動車組車輪多邊形的規律，圖1為典型的車輪多邊形特征，圖2分別為車輪多邊形隨運行里程的發展規律以及車輪多邊形隨車軸的分布規律。具體特征總結如下：

(2)CRH3型系列動車組車輪多邊形高階幅值≥20 dB的占比隨旋后里程的增加而增長，即車輪多邊形故障率隨著運行里程的增加呈增加趨勢，見圖1(a)。

(3)動車車輪多邊形高階幅值≥20 dB的占比明顯高于拖車，見圖1(b)。

(4)1軸和4軸車輪多邊形高階幅值≥20 dB的占比明顯高于2軸和3軸，見圖2(a)。

(5)車輪多邊形高階幅值隨輪徑的減小而逐漸增大，小輪徑的車輪更易產生車輪多邊形。

1.2 車輪多邊形激擾頻譜特征分析

武廣高鐵車輪多邊形階次為17～20階，從統計發現車輪多邊形的階次與車輪直徑對應，即車輪多邊形的波長基本相同。當動車組以300 km/h運行時，因多邊形引起的輪軌力激擾頻率可以由式(1)進行計算，而波長則可由式(2)得到。

(1)

λ=πd/n

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(2)

圖1 典型的武廣車輪多邊形

其中，f為車輪多邊形激振頻率；v為列車運行速度；d為車輪名義滾動圓直徑；n為車輪多邊形階次；λ為車輪多邊形波長。

圖2 武廣車輪多邊形特征

車輪多邊形波長與激擾頻率的計算結果見表1，武廣高鐵車輪多邊形的激擾頻率范圍為540～590 Hz，而車輪多邊形的波長約為145～160 mm。

表1 車輪多邊形波長與激擾頻率

2 多邊形影響的線路試驗研究

2.1 旋修前后車輪多邊形的影響

為了研究車輪多邊形磨耗對轉向架部件的影響，選取了具有20階21 dB幅值的車輪多邊形轉向架進行試驗(5 kHz濾波)，對比了新旋修與車輪多邊形時軸箱、構架振動加速度以及頻譜特性，如圖3、圖4所示。

由圖3可知：車輪多邊形顯著加大了軸箱與構架的垂向振動加速度幅值，有無車輪多邊形時軸箱振動加速度分別為18.9g與13.0g，構架振動加速度最大值分別為12.4g與5.6g，最大值增加了45%～120%；從有效值對比有無多邊形時軸箱振動加速度有效值分別為5.5g與1.2g，構架振動加速度有效值為2.3g與0.6g，有效值增加了280%～320%。

由圖4可知，車輪旋修前軸箱、構架垂向振動在565 Hz、1 130 Hz、1 700 Hz頻率處有顯著峰值，這剛好對應車輪20階多邊形的激振頻率以及其倍頻。這說明車輪多邊形產生的高頻激擾造成了軸箱、構架振動加速度的增加，為主要的激擾頻率，消除車輪多邊形后車輪多邊形激擾頻率消失，振動加速度幅值顯著降低。

圖3 有無車輪多邊形時軸箱、構架振動加速度波形

圖4 加速度級對比

2.2 車輪多邊形幅值的影響

本節選取了不同階次的車輪多邊形進行線路試驗，得到了新輪無多邊形、21 dB車輪多邊形、30 dB車輪多邊形、37 dB車輪多邊形時軸箱垂向振動加速度幅值的變化，不同幅值車輪多邊形極坐標見圖5，軸箱垂向振動加速度時域波形對比見圖6，軸箱垂向振動加速度最大值對比見圖7。

由圖可知，隨著車輪多邊形幅值的增加，軸箱垂向振動加速度呈指數級增加，當車輪多邊形幅值達到30 dB，軸箱垂向振動加速度接近100g，而當車輪多邊形幅值達到37 dB，軸箱垂向振動加速度可達170g。過大的軸箱垂向激擾是引起軸箱端蓋螺栓松脫折斷的主要原因。

圖5 不同車輪多邊形極坐標圖

圖6 軸箱垂向振動加速度對比

圖7 軸箱垂向振動加速度最大值對比

圖8 打磨前后軸箱垂向振動加速度散點圖

3 車輪多邊形控制措施

通過對武廣高鐵車輪多邊形長期跟蹤測試以及車輪多邊形影響線路試驗，論文研究了車輪多邊形的特征與影響。為了能夠控制乃至消除車輪多邊形故障的影響，針對武廣高鐵車輪多邊形提出了以下5項控制措施。

3.1 多邊形測試與旋修

車輪旋修可以顯著改善車輪表面狀態，消除車輪多邊形。廣鐵集團與主機廠對武廣高鐵服役的動車組開展了大范圍的車輪多邊形持續測試，對車輪多邊形過大的車輪進行及時旋修。經過長時間的運用維護經驗，形成了車輪多邊形的狀態修原則：

(1)對于出現軸箱端蓋螺栓松脫、軸箱線卡裂紋等故障的輪對立即進行旋修；

(2)對于高階車輪多邊形幅值超過25 dB的輪對立即進行旋修；

(3)對于高階車輪多邊形幅值超過20 dB的輪對，盡快安排車輪旋修。

通過對車輪多邊形車輪進行測試，及時旋修消除幅值超限的車輪多邊形，減小輪軌間的垂向激擾，車輪多邊形引起的故障大大降低。

3.2 鋼軌打磨

車輪多邊形是輪軌相互作用引起的，為了減小軌道激擾的影響，廣鐵集團一方面對鋼軌波磨或鋼軌異常區段進行故障打磨，另一方面定期對鋼軌進行快速打磨與大機打磨。

圖8為鋼軌快速打磨前后的軸箱垂向振動加速度最大值散點圖，由圖可知：鋼軌打磨可以顯著降低輪軌垂向作用力，降低軸箱垂向振動加速度幅值。鋼軌打磨有利于減少車輪多邊形故障率。

3.3 旋修質量提升

通過長期運用經驗發現車輪一次旋修有時候不能完全消除高階車輪多邊形。通過不落輪旋修工藝優化，按照兩次進刀且單次進刀量不小于0.5 mm、進給倍率控制在80%以內的方式進行車輪旋修，有效去除車輪高階多邊形；同時在軸箱下部增加下部支撐，減小車輪徑跳，進一步提升旋修質量。通過旋修質量的提升，運行10×104km以內的多邊形故障基本消除。

3.4 換線運行

對常出現故障的動車組進行換線運行，可以有效降低車輪多邊形故障率。以26列CRH3C動車組為例，動車組由武廣高鐵轉屬長沙所擔當滬昆線運營交路，轉屬后動車組的百萬公里故障率總體下降82.34%。

3.5 變速運行

圖9為降速過程軸箱垂向加速度時域波形。通過試驗發現車輪多邊形激擾是和速度密切相關的輪軌外部激擾，當動車組以300 km/h運行時，車輪多邊形激擾的特征頻率與輪軌系統固有頻率發生共振，使得軸箱加速度顯著增加。當動車組運行速度降低至270 km/h及以下，車輪多邊形激擾頻率隨之降低，避開輪軌系統固有頻率后，軸箱振動加速度顯著降低。

建議動車組服役時可以嘗試變速度運行，或者在不同速度級線路交替運行。經常改變輪軌激擾頻率，可以有效減緩或抑制高階車輪多邊形的形成，降低車輪多邊形故障率。

圖9 降速過程軸箱垂向加速度時域波形

4 結論與展望

對武廣高鐵服役的CRH3型系列動車組車輪多邊形的跟蹤與試驗發現：武廣高鐵車輪多邊形為17～20階，隨著車輪多邊形幅值的增加，軸箱加速度呈指數級增加，過大的軸箱加速度引起了軸箱端蓋螺栓松脫與折斷。

針對車輪多邊形問題，提出了5項整治措施：多邊形車輪及時狀態修、鋼軌打磨、旋床升級、換線運行、變速運行。這些措施實施以來，一方面及時消除了幅值過大的車輪多邊形，另一方面控制了車輪多邊形的產生與發展速率，武廣高鐵車輪多邊形故障率顯著降低。從2015年6月至2016年3月武廣高鐵動車組故障件數由最高峰單月416件下降至單月100件以內，工程控制措施取得了顯著的成效。

現階段車輪多邊形的測試主要還是靠人工測試，工作量大且容易產生誤差。后續將開展車輪PHM研究，將車輪每日通過輪對故障動態檢測系統的數據、每次旋輪前后的輪對參數及多邊形數據、輪對走行里程等數據進行綜合統計與分析，通過大數據構建輪對監控模型，達到車輪由定期檢修向狀態檢修的目的，實現輪對狀態的最優化及最優經濟性。