動車組輪對多邊形危害及預防措施分析

宋相威

摘要：CRH3型動車組是我國高速鐵路客車的主要車型，自2015年CRH3型動車組發生多起車輪多邊形引起軸端螺栓松脫折斷故障，嚴重影響動車組的行車安全。本文簡述了輪對多邊形對動車組行車安全產生的影響，掌握了多邊形的形成和發展規律，提出了改進車輪鏇修工藝、噪聲監控、提高車輪硬度、增加踏面修形器等抑制車輪多邊形的措施。

關鍵詞：動車組;多邊形;輪對

一、車輪多邊形概念及危害

車輪多邊形是指車輪沿圓周方向存在規則的波浪形狀的磨耗，是車輪失圓的一種形式。車輪沿圓周方向極坐標圖可反映車輪的多邊形狀態，1、2、3和4階不圓分別表現為偏心、橢圓、三角形和四邊形，依次類推為高階多邊形。

二、多邊形發生頻次的數據統計

1、噪音監控原理，及噪聲與多邊形的關系

高速鐵路噪聲主要有輪軌噪聲、氣動噪聲、集電系統噪聲、車體鋼結構振動噪聲等部分組成，當列車運行速度達到300km/h時，輪軌激烈及其產生的的噪聲起主要作用。輪軌激烈常由鋼軌表面粗糙度（波磨、焊接接頭和擦傷）、車輪表面粗糙度等因素決定。

車輪多邊形與振動、噪聲在頻域上存在對應關系：鏇修前，車內振動、噪聲異常的頻率與車輪的19、20 階相對應;車輪鏇修后，無多邊形，使得之前振動、噪聲的主導頻率564 Hz、532 Hz 顯著降低。多邊形顯著的車內噪聲一定大，噪聲大的多邊形不一定顯著，因此噪聲測試可作為初步檢測手段，在噪聲大的基礎上需進一步測試車輪多邊形。

2、基于噪音測試判定的多邊形故障分布情況

（1）故障和噪聲隨月份分布情況。2016年1-3月轉向架故障和噪聲超標車組較少，在4月份開始凸顯，5、6月份爆發，7月份仍有增加的趨勢。2015年同樣是5、6、7月份屬于故障的高發期。

（2）故障、噪聲與車型的分布情況。轉向架故障主要發生在CRH380BL型動車上，CRH380BL累計發生了79起，CRH380CL發生3起，CRH380B/BG/BK發生7起。

（3）故障、噪聲與輪對廠家統計結果。轉向架故障主要發生在裝用BVV車輪的動車組上，共發生83起，其余6起發生在裝用智奇車輪的車組上;噪聲超80dB的車組大部分也是BVV車輪，累計131列次，智奇15列次，BVV和智奇混裝車組13列次。

（4）北京局CRH3動車組多邊形故障和噪聲情況

故障主要發生在CRH380BL型動車組上：84起故障中77起發生在CRH380BL型車，其余7起發生在CRH380B型動車組上。（配屬北京局CRH3型動車組77列，35列CRH380BL/CL型車，42列為CRH380B/BG型車）

三、多邊形的整治及效果

1、利用踏面修形減少多邊形故障及應用效果

（1）結構及控制邏輯介紹

既有CRH3型動車組需對轉向架構架及枕梁進行適應性改造，設計新的制動吊座，采用4個M12螺栓安裝踏面修形器。CR400BF動車組新造時已全部加裝踏面修形器。

研制特殊配方的研磨子，在樹脂、橡膠材料中加入剛玉、氧化硅等高莫氏硬度的材料（莫氏硬度為8以上），以達到高效修正車輪踏面的目的并適當延長研磨子使用壽命。

為更好的起到踏面修形功能，在大量試驗基礎上，采用了如下控制邏輯：（1）手柄常用制動（非EB、UB緊急制動）;（2）速度大于30km/h;（3）輪對無滑行。動作形式：動作20s，緩解10s進行間歇式動作。

2017年2月，配屬北京局的CRH380B-5545L動車組結合高級修加裝了踏面修形器，中車長客股份對車輪多邊形、踏面磨耗和研磨子磨耗等進行跟蹤測試，目前已運用考核58萬公里，經歷了3個鏇修周期。

加裝踏面修形器的車輪在3個鏇修周期均未出現多邊形，未加裝修形器的車輪在鏇修周期內部分車輪出現了顯著的多邊形。CR400BF動車組均安裝了踏面清掃裝置（除首列試驗車0503），對5列車（5001-5005）的多邊形進行了跟蹤，5列車鏇修里程25萬公里，鏇后走行15萬公里時5列車均無多邊形，鏇后20萬和25萬公里時，個別車輪存在多邊形，0503有7個車輪存在多邊形（無踏面清掃裝置）。CR400BF動車組由于運行交路和踏面修形器控制方式原因，導致其研磨子量和車輪磨耗量是5545動車組的四分之一，通過踏面修形器起到的作用有限，還不足以完全抑制車輪多邊形

2、采用車輪滾壓方式減少多邊形及應用效果

通過滾壓強化，對表層材料局部加壓，使車輪表面發生微小的塑性變形，產生壓縮殘余應力強化車輪表面，提高車輪的硬度和疲勞強度，以增強車輪的耐磨性。

滾壓是在輪對鏇修完后進行，將切削刀具更換為滾壓輪，按照鏇修后的踏面廓形進行滾壓，由于滾壓是以加工后的實測數據為基準，因此滾壓精度高，同時無需為滾壓單獨進行裝夾和測量。

累計跟測試經滾壓的車輪232片，其中11片車輪存在顯著的多邊形，多邊形占比為4.7%;測試未滾壓的車輪200片，其中21片車輪存在多邊形，多邊形占比為10.5%。

可見，滾壓后的部分車輪仍出現了多邊形，但多邊形比例要小于未滾壓的車輪，因此，滾壓可在一定程度上抑制多邊形的發展，但無法徹底解決多邊形問題。尤其是針對小輪徑的車輪，滾壓后的硬度只能提升到290-300HB;針對這一問題，江西中機公司同赫根賽特公司進一步優化了滾壓參數，車輪硬度能進一步提升到340HB，且縮短滾壓時間。

3、改變材質提升車輪硬度

BVV車輪和小輪徑的智奇車輪硬度偏低是多邊形比例高的原因之一，采用ER8C和Q3R車輪材質，提高車輪硬度可在一定程度上抑制多邊形的產生：

BVV公司ER8C材質車輪;經檢測分析，BVV公司的ER8C材質車輪在踏面及以下10mm以內存在貝氏體組織，不滿足標準要求，運用考核失敗，待專家評審后確定后續方案。

新日鐵Q3R材質車輪。日本新日鐵住金公司研發了整體硬度較歐系車輪提升約20HB的Q3R材質車輪，于2017年6月13日通過了專家評審，目前正在進行CRCC認證相關工作，2018年5月完成認證，并進行裝車運用考核。

參考文獻：

[1]陳偉，高速列車車輪多變形研究，西南交通大學