基于研磨子的車輪多邊形抑制機理與跟蹤試驗

伍安旭 馮 暢 吳 波 徐 昊 左建勇

(1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，213011,常州;2.同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院, 201804,上海//第一作者,高級工程師)

隨著我國軌道交通車輛運行速度的迅速提高，輪軌間的相互作用逐漸增強，車輪多邊形現(xiàn)象日益凸顯。車輪多邊形將會引起輪軌間強烈的沖擊，不僅影響車輛的乘坐舒適度，也會加劇車輛和軌道零部件的損傷，降低其使用壽命，嚴(yán)重的甚至威脅到車輛運行安全。

目前，車輪多邊形的誘發(fā)原因尚沒有明確的結(jié)論。國內(nèi)外眾多學(xué)者大多從現(xiàn)車運用跟蹤、仿真試驗等方向切入，尋找車輛多邊形的發(fā)生機理和形態(tài)。文獻[1-2]對車輪多邊形現(xiàn)象的產(chǎn)生進行了充分研究。文獻[3-5]深入分析了車輪多邊形對車輛以及線路的影響。文獻[6]通過仿真手段建立了由輪對-鋼軌-軌枕彈簧組成的系統(tǒng)有限元彈性振動模型，并通過該模型對鐵路車輪多邊形形成機理進行研究。

對于多邊形車輪,只有采用鏇修的方式恢復(fù)車輪狀態(tài)，而受限于車輛鏇修手段和車輪多邊形的發(fā)展速率，鏇修并不能完全抑制車輪多邊形的發(fā)展。所以，迫切需要尋找一種高效、可靠、響應(yīng)快速的車輪多邊形抑制措施，以有效抑制車輪多邊形的形成和發(fā)展，維護車輪踏面狀態(tài),延長車輪鏇修周期。

本文在總結(jié)我國軌道交通車輛研磨子運用效果的基礎(chǔ)上，提出基于研磨子的車輪多邊形抑制措施，并在運營線路中開展了運用效果跟蹤試驗。

1 研磨子運用概況

為增加雨、雪天氣下的輪軌黏著力,改善車輪踏面周向不圓順及滾動接觸疲勞，我國部分地鐵車輛的每個車輪上均配置了踏面清掃裝置和研磨子。同時，為適應(yīng)不同線路、不同車輛的車輪狀態(tài)，可通過調(diào)節(jié)研磨子裝置的動作時機和動作模式，精確控制研磨子與車輪的摩擦作用，從而改善研磨子的運用效果，實現(xiàn)對車輪狀態(tài)的適應(yīng)性修復(fù)。

我國地鐵車輛上的研磨子可在以下4種情況時動作：①車輛開始制動到一定速度內(nèi)時；②檢測到車輛較長時間處于高速勻速時；③檢測到車輛打滑、空轉(zhuǎn)時；④通過駕駛室的手動按鈕觸發(fā)施加。當(dāng)施加研磨子時，根據(jù)研磨子與車輪的匹配程度，可選用持續(xù)施加或間歇施加兩種動作模式。

跟蹤國內(nèi)裝載有TM型踏面清掃裝置的某A型地鐵車輛，其配置的研磨子性能偏重清掃車輪踏面和穩(wěn)定輪軌黏著系數(shù)，車輛踏面清掃裝置的動作時機和模式為制動時間歇施加。圖1所示為采用接觸式車輪測量儀測量鏇后16萬km時的車輪不圓度和廓形狀態(tài)。由圖1可見，經(jīng)研磨子的實時摩擦作用，車輪未見明顯多邊形現(xiàn)象，踏面磨耗為1.33 mm。

a) 車輪不圓度 b) 車輪廓形

2 研磨子修形基本原理

圖2所示為研磨子作用于車輪踏面示意圖，修形研磨子裝置通過特殊的減振擺動機構(gòu)達到與車輪踏面的匹配摩擦，實現(xiàn)對車輪踏面的均勻磨損。同時，研磨子摩擦面寬度完全覆蓋車輪踏面的磨損凹坑，因此，合理控制研磨子裝置的使用方式，可有效消除踏面凹坑磨損。

圖2 研磨子作用車輪踏面示意圖

研磨子裝置通過踏面清掃裝置的氣缸帶動向前推進，從而以一定的正壓力壓附車輪踏面。研磨子主要由酚醛樹脂、增強纖維及摩擦材料壓制燒結(jié)而成。研磨子實時對車輪踏面進行摩擦，高效清理車輪踏面的異物和微小裂紋，修整車輪踏面形狀。同時，研磨子中硬質(zhì)顆粒會粘附于車輪踏面，隨著車輪旋轉(zhuǎn)嵌入車輪踏面表面波谷，穩(wěn)定水介質(zhì)下輪軌間的黏著系數(shù)。

基于摩擦學(xué)和車輛動力學(xué)，本文提出以下6點修形研磨子的運用效果評價和要求：①干燥、撒介質(zhì)工況下研磨子不會損傷車輪踏面；②研磨子可有效消除車輪已有的高階多邊形；③研磨子可有效抑制車輪高階多邊形的產(chǎn)生和發(fā)展；④研磨子對車輪踏面的磨削率應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)；⑤研磨子不會對車輪踏面廓形產(chǎn)生不利影響；⑥研磨子使用壽命應(yīng)滿足設(shè)計要求。

3 研磨子參數(shù)影響規(guī)律與試驗

在國內(nèi)的1∶1制動動力試驗臺上開展了一系列試驗驗證。分別模擬了車輛恒速運行、制動時的工況，通過研磨子和車輪狀態(tài)的變化趨勢驗證研磨子的運用效果，并量化車輪多邊形、踏面磨耗等數(shù)據(jù),用于綜合評價研磨子的修形性能。

3.1 研磨子的匹配性能

研磨子應(yīng)與車輪材質(zhì)匹配，使得摩擦?xí)r不會損傷車輪踏面。通過在車輪和研磨子間噴射不同介質(zhì)，改變不同的作用壓力(模擬現(xiàn)車中的惡劣工況)進行摩擦匹配驗證試驗。試驗裝置如圖3所示。

圖3 研磨子匹配性能試驗裝置

在有無介質(zhì)條件，以及不同的使用壓力、持續(xù)作用動作模式下，修形研磨子與車輪踏面匹配性能良好，均無金屬鑲嵌物產(chǎn)生。

3.2 研磨子的修形效果

選取現(xiàn)車運用過程中自然形成較為規(guī)則的多邊形車輪(代號為W1和W2)作為修形試驗的初始對比。采用接觸式測量儀對車輪不圓度進行測量，車輪多邊形狀態(tài)如圖4所示。可以看出,初始車輪存在明顯的周期性高階多邊形。

a) 車輪W1

b) 車輪W2

試驗中模擬了兩種不同的車輛工況，研磨子動作模式均設(shè)置為間歇施加。工況條件見表1。

表1 研磨子試驗工況條件

為量化評價車輪多邊形的變化情況，將車輪踏面粗糙度級Lr,k定義如下：

(1)

式中:

rk2——車輪踏面粗糙度r(x)的均方值,在1/3倍頻程k中進行量化;

為量化評價研磨子作用里程對車輪多邊形的消除效果，按實際車輛的制動次數(shù)折算研磨子的等效現(xiàn)車運行里程。

車輪恒速拖磨工況下不圓度測試結(jié)果如圖5所示。由圖可知：隨著研磨子對車輪的摩擦作用，車輪19階多邊形初始粗糙度等級為21 dB；當(dāng)車輪等效現(xiàn)車運行里程達到1萬km時，粗糙度等級降到0以內(nèi)；當(dāng)?shù)刃КF(xiàn)車運行里程達到2萬km時，粗糙度等級仍低于0。

圖5 W1車輪不圓度測量結(jié)果

車輪制動拖磨工況下不圓度測試結(jié)果如圖6所示。由圖可知：車輪19階多邊形初始粗糙度等級為26 dB；當(dāng)車輪等效現(xiàn)車運行里程達到5.5萬km時，粗糙度等級降到0以內(nèi)；當(dāng)?shù)刃КF(xiàn)車運行里程達到8萬km時，粗糙度等級仍低于0。

圖6 W2車輪不圓度測量結(jié)果

當(dāng)車輪粗糙度等級約降到0時，在恒速拖磨工況下,其平均降低速率約為20.00 dB/(萬km)；在制動拖磨工況下,其平均降低速率約為4.76 dB/(萬km)。因此，恒速拖磨工況下研磨子消除車輪多邊形的效果明顯大于制動拖磨工況下。

3.3 研磨子對車輪踏面磨耗的影響

使用接觸式車輪廓形測量儀捕捉車輪踏面廓形變化，并計算名義滾動圓處車輪踏面的磨耗量如圖7所示。由圖可知，因研磨子的摩擦作用，等效車輛運行里程為10萬km時，恒速拖磨工況下車輪踏面磨耗為0.15 mm，制動工況下車輪踏面磨耗為0.1 mm。進而推斷當(dāng)車輪高階多邊形幅值在0.2 mm左右時，通過研磨子對車輪的摩擦作用，可對踏面峰值點產(chǎn)生約0.1 mm/(10萬km)的磨耗，從而改善或抑制車輪高階多邊形的發(fā)展。

圖7 車輪踏面磨耗量

另一方面，可做適當(dāng)推斷：當(dāng)車輛在線路上運行時，存在輪軌間作用力，車輪多邊形幅值增長速度小于0.1 mm/(10萬km)時，通過制動工況施加研磨子作用，仍可抑制車輪多邊形的發(fā)生和擴展。

制動工況下施加研磨子作用，帶來踏面磨耗的增加量約為0.25 mm。而當(dāng)車輪已出現(xiàn)顯著高階多邊形時，必須采用機械鏇修的方式恢復(fù)車輪狀態(tài)，此時車輪單邊鏇修量每次約在1～4 mm。所以，相比于因車輪高階多邊形帶來的車輪頻繁鏇修，通過配置研磨子反而會減少車輛運用維護的成本,提高車輪材料利用率。

3.4 研磨子對車輪踏面廓形的影響

等效錐度是評價輪軌接觸幾何狀態(tài)的重要指標(biāo)，而踏面外形的變化會直接導(dǎo)致等效錐度的增大或減少。試驗中,基于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌廓形(60 N)，分析計算制動工況下研磨子作用前后車輪踏面廓形的變化情況。等效錐度計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 車輪踏面等效錐度變化量

由圖8可見,制動工況下，等效現(xiàn)車運行里程約8萬km時，等效錐度未見明顯增長或降低。修形研磨子可實現(xiàn)對車輪踏面的均勻磨損，保證車輪踏面初始廓形，改善車輪踏面凹坑磨損。

4 線路運用跟蹤

為驗證存在輪軌關(guān)系時研磨子對車輪多邊形的抑制效果，在某車輛上開展了有無配置研磨子的車輪狀態(tài)對比試驗。在車輛制動時間歇施加研磨子裝置，至車輛速度為30 km/h時停止施加。試驗結(jié)果如圖9所示。

經(jīng)線路運用考核，研磨子與車輪材質(zhì)、硬度和踏面廓形的匹配性能良好，研磨子磨擦面和車輪踏面均無金屬鑲嵌物產(chǎn)生。

鏇后20萬km，測量車輪高階(17～22階)不圓幅值，結(jié)果如圖10及圖11所示。

由圖10及圖11可以看出，通過配置研磨子，在車輛制動時實時對車輪踏面進行摩擦作用，20萬km后車輪的高階不圓幅值被控制在-12.0～7.2 dB。而未配置研磨子的車輪高階不圓幅值較高，多數(shù)車輪高階不圓幅值高于7 dB。其中，1-3R位車輪高階不圓幅值達28 dB。車輪高階不圓幅值會隨著車輛運行里程的增加而增加，如果不及時鏇修，極有可能引發(fā)輪軌間的振動沖擊和輻射噪聲，嚴(yán)重時甚至影響到車輛運行安全和乘坐舒適度。

圖10 配置研磨子的車輪高階不圓幅值

圖11 未配置研磨子的車輪高階不圓幅值

5 結(jié)論

(1) 輪軌間存在氧化鋁、硅砂、污泥時，研磨子與車輪材質(zhì)匹配性能良好；

(2) 在恒速拖磨和制動拖磨兩種情況下，研磨子對車輪踏面粗糙度等級的降低速率分別為20.00 dB/(萬km)和4.76 dB/(萬km)；

(3) 研磨子對車輪踏面廓形的影響基本可以忽略，對等效錐度影響較小；

(4) 線路跟蹤試驗表明，配置研磨子對車輪高階不圓幅值的擴展抑制效果明顯。