踏面清掃裝置抑制車輪多邊形現象的試驗研究

馮 暢 陳 遜 伍安旭 吳 波 汪冬冬

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

機車輪軸驅動試驗臺可模擬不同工況進行輪驅系統型式試驗，從而驗證車輛輪軸驅動系統的可靠性，但是隨著試驗速度的不斷提高，試驗臺面臨的車輪周期性多邊形磨耗也日益明顯。周期性的車輪多邊形磨耗使得車輪和軌道輪間作用力急劇增大，導致輪軌之間產生強烈的振動和輻射噪聲，嚴重影響試驗臺運行品質和安全[1]。踏面清掃裝置是高速動車組和盤形制動城軌車輛配置的固體車輪踏面摩擦控制裝置[2]，通過風壓控制踏面清掃裝置前端摩擦材料(研磨塊)以一定壓力壓附車輪踏面，從而實現對車輪踏面的摩擦作用，達到穩定輪軌黏著、修整踏面和清掃雜質的作用[3]。

1 試驗臺車輪多邊形磨耗

被試輪軸系統在一定軸重下安裝在輪軸試驗臺軌道輪上，試驗臺通過電機帶動下方軌道輪滾動，從而驅動被試輪軸系統轉動，如圖1所示。

由于整個試驗過程中輪對關系相對穩定，導致車輪踏面持續在滾動圓處產生磨損，且未實時采取對車輪踏面的鏇修，在某些振動頻率的影響下，車輪極易出現周期性車輪不圓，具體表現為車輪周向方向上31階車輪多邊形磨耗突出，如圖2所示。當車輪線速度保持在160 km/h時，該31階車輪多邊形產生的頻率約為410 Hz。經測試，軸端垂向加速度有效值達4.3g，輻射噪聲達100 dB。

圖1 輪軸驅動試驗臺

圖2 車輪狀態

2 踏面清掃裝置

踏面清掃裝置為氣動式結構，本文所述的研磨塊為復合材料，設計有樹脂、纖維和填料等成分，通過壓制燒結而成。踏面清掃裝置通過研磨塊摩擦車輪踏面，改善車輪踏面滾動接觸疲勞，去除微小裂紋和剝離層，抑制車輪局部不圓發展。同時，通過研磨塊拋光車輪，實現消除或抑制周期性車輪多邊形[4]。

為使研磨塊能夠實現對車輪踏面的均勻磨損和匹配，設計了踏面清掃裝置安裝座，在保證不偏磨的情況下，實現研磨塊完全覆蓋車輪踏面滾動接觸圓處，并且不會對車輪踏面輪緣產生任何影響，如圖3所示。同時，為實現對踏面清掃裝置動作模式的可控性，設計了如圖4所示的控制系統，可實現對踏面清掃裝置進風壓力、動作次數、動作節拍的調節。

圖3 踏面清掃裝置圖4 控制系統

3 試驗研究

3.1 試驗方案

為掌握輪軸臺車輪異常磨耗的變化規律，確定研磨塊對輪軸臺車輪異常磨耗的改善效果，開展了輪軸臺車輪多邊形、振動和噪音的對比試驗。試驗方案主要分為下述兩個階段：(1)不施加研磨子，跟蹤輪軸臺和研磨塊狀態；(2)施加研磨子，跟蹤輪軸臺和研磨塊狀態。

由于車輪多邊形磨耗將直接影響軸箱振動，試驗中采取單軸加速度傳感器，全程捕捉試驗臺軸箱振動。考慮到輪軌間劇烈振動將輻射噪音，試驗中在試驗臺四角(距離輪軌約1 m)安裝了聲壓探頭，通過NI數采系統全程捕捉試驗臺噪音變化。同時，間隔對車輪多邊形、車輪廓形和研磨子磨耗進行測試分析。

試驗過程中車輪線速度保持在160 km/h，踏面清掃裝置進風壓力保持在0.5 MPa，動作模式為間歇式動作。

3.2 軸箱振動

試驗階段一和階段二過程中左、右軸箱垂向振動加速度的變化情況如圖5所示。

未施加踏面清掃裝置時，隨著試驗臺跑合公里數的增加，右軸箱垂向振動加速度急劇增加，跑合約450 km時，右軸箱振動加速度達24.2 m/s2(見表1)。左軸箱垂向振動初始時未有明顯變化，當跑合約390 km時，振動開始逐漸增加，跑合約450 km時，左軸箱振動加速度達24.2 m/s2。這是由于車輪和軌道輪持續作用，車輪沿周向方向發生一定磨損，磨損處輪軌作用激烈，導致軸箱振動加大。

施加踏面清掃裝置后，隨著研磨塊的研磨，對車輪踏面進行持續“拋光”作用，左、右軸箱振動有明顯下降趨勢，踏面清掃施加約390 km后，右軸箱振動加速度下降約1.3 m/s2，左軸箱振動加速度下降約2.93 m/s2，降幅約11.5%。

圖5 左、右軸箱垂向振動曲線

表1 左、右軸箱垂向振動加速度/(m·s-1)

3.3 噪音

試驗階段一和階段二過程中輪軌附近噪音變化情況如圖6所示。對比施加踏面清掃裝置前后，S和W處噪音值有明顯下降趨勢，約降低0.35 dBA，考慮到T和W處靠近墻體和護欄，其噪音值波動較大。表2為每個階段最終噪音值，施加踏面清掃裝置一段時間后，4個方向噪音值均有所下降。

圖6 4個方位噪音變化曲線

表2 4個方位噪音均值/dBA

3.4 車輪多邊形

初始和每個階段結束后，均采用接觸式車輪粗糙度測量儀測試車輪周向多邊形磨耗、采用接觸式車輪廓形測量儀測試車輪橫向踏面磨耗，現場測試圖片如圖7所示。

圖7 車輪不圓和廓形測量示意圖

未施加踏面清掃裝置，試驗臺跑合一段時間后，車輪表現為明顯的31階多邊形，車輪多邊形狀態如圖8極坐標所示。

圖8 右、左車輪狀態極坐標表示

如圖9所示，以測量右車輪為例，試驗一階段結束后，車輪31階多邊形dB值從14.4 dB上升至16.2 dB，當施加踏面清掃裝置一段時間后，車輪31階多邊形dB值降至13.28 dB，降幅達18.4%，直接表現為輪軸右軸箱垂向加速度振動減弱。

圖9 采用階次表示的右車輪多邊形情況

表3 右車輪狀態

3.5 車輪踏面磨耗

將所測車輪廓形與標準LM車輪踏面廓形進行比對，計算其滾動圓處的車輪磨耗，結果如表4所示。研磨子通過硬質顆粒物的摩擦作用對車輪踏面產生輕量磨損，增加車輪踏面的磨耗量，從而實現對車輪多邊形峰值點的消除，降低車輪多邊形粗糙度幅值或抑制車輪多邊形的發展。該種研磨子在本次試驗工況下每1 000 km持續作用對車輪踏面的磨耗量約為0.052 mm，實際車輪磨耗量如表4所示。

表4 車輪踏面磨耗狀態 /mm

研磨子可實現對車輪踏面的均勻磨損，避免車輪踏面出現凹坑形磨耗，改善輪軌等效錐度，保證車輪旋轉時的平穩性。施加踏面清掃后，車輪和標準60 N鋼軌的接觸點對圖如圖10所示，輪軌接觸狀態良好，如圖11所示，輪對等效錐度未見明顯變化。

圖10 右、左車輪與軌道接觸點對圖

圖11 等效錐度

4 總結

本文基于輪軸試驗臺跑合過程中出現的車輪多邊形磨耗、異常振動和噪音等問題，提出了基于踏面清掃裝置的解決措施，針對振動、噪音、車輪多邊形和踏面磨耗等關鍵項點開展了對比研究性試驗，試驗結果表明：(1)踏面清掃裝置可有效抑制輪軸臺車輪多邊形的發展；(2)踏面清掃裝置通過消除或抑制車輪多邊形的發展可有效降低軸箱異常振動及輻射噪音；(3)踏面清掃裝置可實現對車輪踏面的均勻磨損，抑制輪對等效錐度的增長。