全自動車輛車輪磨耗研究

路瑤 唐玉強

摘 要：北京市軌道交通燕房線是我國首條自主研發的全自動運行線路，全長14.4 km，因全自動運行的科技性備受業內同行關注，其運營安全性、設備可靠性更需要全力保障。車輪作為地鐵電動客車轉向架系統的關鍵部件，必須具有極高的可靠性，以保證電動客車在鋼軌上快速、穩定、安全行駛。鑒于此，電動客車車輪磨耗的研究，成為保證全自動地鐵線路安全穩定運行的關鍵?，F結合燕房線電動客車車輪的磨耗情況，針對運行中部分列車噪聲大、異常振動等現象，結合車輛走行部的檢測數據，分析了列車噪聲大、異常振動產生的原因，并提出了降低列車噪聲、消除異常振動的改進方法。

關鍵詞：燕房線;電動客車;車輪;磨耗

0 ? ?引言

近年來，軌道交通行業快速發展，對電動客車車輪磨耗的研究也不斷深入。北京、上海、廣州等城市地鐵在運營過程中，均存在不同程度的車輪異常磨耗問題，國內外對于車輪磨耗問題尚未完全解決。車輪的異常磨耗會導致輪軌接觸狀態不良，從而影響列車的安全性、平穩性及舒適性，因此，分析車輪異常磨耗的原因，制訂有效的改進措施非常必要。燕房線自開通以來，電動客車運行情況整體平穩，個別車輛出現了噪聲大、異常振動等現象，鑒于此，本文跟蹤分析了燕房線電動客車車輪的磨耗情況，分析了列車噪聲大、異常振動產生的原因，并提出了降低列車噪聲、消除異常振動的改進方法。

1 ? ?車輪運用現狀

燕房線電動客車采用GoA4全自動駕駛方式，須定期對車輪的磨耗情況進行數據監測。車輪磨耗數據每半年記錄一次，主要測量輪徑值、徑向跳動、輪緣高、輪緣厚等關鍵數據。

在車輛運營期間，車輪會出現不同程度的磨耗，一旦磨耗情況異常，會出現車輛噪聲大、車體異?；蝿拥痊F象，從而影響列車的安全性、平穩性及舒適性。2018年11月至2019年6月，列車007、列車008反饋Tc車運營期間噪聲大、車體振動大，下面從車輪踏面磨耗和車輪多邊形磨耗兩個方面來進行研究和分析。

2 ? ?車輪磨耗分析

2.1 ? ?車輪踏面磨耗

2.1.1 ? ?輪軌磨耗

大量研究表明，車輪磨耗主要是由與車輪踏面直接接觸的軌道發生相對滑動引起的，踏面的磨耗深度隨運行里程數的增加而逐漸增大。

為掌握車輪磨耗的規律，選取走行里程數相近的4列電動客車（含列車007和008），對其Tc車的車輪廓形進行了數據統計分析。車輛踏面累計磨耗量、磨耗率隨著里程數的變化如圖1、圖2所示。

由圖1可知，4列電動客車在運行至5萬km時，平均磨耗量在1.5 mm左右;運行至8萬km時，平均磨耗量在2 mm左右;運行至12萬km時，平均磨耗量在2.4 mm左右;運行至20萬km時，平均磨耗量在4 mm左右。由圖2可知，選取的4列Tc車的車輪累計磨耗率在0.2 mm/萬km左右。

上述這些數值都是可接受的，而且隨著運行里程數的遞增，萬千米平均磨耗值還將有所下降。根據現場數據，可以判定車輪踏面未發生磨耗過快等異常情況。

2.1.2 ? ?制動力分配

電動客車制動系統采用電制動和空氣制動，電制動力應能單獨滿足常用制動的要求，當運行速度低于電制動臨界消失速度時，由空氣制動力進行補充[1]。調查發現，噪聲大、異常振動等現象多發生在Tc車上，M車很少產生。這種狀況的出現主要是因為列車在制動時首先采用電制動，電制動力不足才由Tc車空氣制動進行補充。當Tc車實施空氣制動后仍不滿足制動要求時，M車才會在電制動的基礎上實施空氣制動，此時施加的空氣制動力較小，不會造成M車踏面過度磨耗，而Tc車實施空氣制動相對頻繁，因此，制動力分配原則是造成Tc車車輪踏面磨耗的原因之一。

2.2 ? ?車輪多邊形磨耗

車輪多邊形磨耗是指軌道車輛車輪名義滾動圓周向出現不均勻磨損的現象。大量研究表明，引起車輪多邊形化的原因是多方面的，線路條件、運行工況、車輛狀態等都是重要因素[2]。

車輪多邊形化的形成原因之一是車輛的規則振動，當規則振動處于常規隨機激勵響應的程度時，并不會造成較大影響;當規則振動的響應超過了隨機響應的程度，具有向共振發展的趨勢時，將有可能與車輪多邊形化發生關聯[3]。下面主要從輪對自身振動及軌道激擾兩個方面進行分析。

2.2.1 ? ?輪對自身振動

輪對的自振頻率是固有屬性，由其質量、材料、結構形式等決定[4]。車輛運行時，輪對的一階彎曲共振導致輪對在垂向平面彎曲變形，輪對一階彎曲振動引起輪軌接觸區車輪相對鋼軌橫向滑動，輪對一階彎曲振動導致的變形較小，輪軌相互滑動較小，其稱為“輪軌間橫向蠕滑率”。在車輪長時間運行過程中，輪軌間橫向蠕滑率的周期性變化導致車輪多邊形磨損過程逐漸形成。輪軌間橫向蠕滑率變化周期與輪軌彎曲共振相同，激發出輪對一階彎曲共振，導致車輪多邊形產生。

若輪對的一階模態被激勵，則其共振將導致車輪踏面出現諧波磨損（即車輪多邊形磨損），波長可由式（1）計算得出：

式中：λ為波長（mm）;v為車輛運行速度（km/h）;f為輪對的模態頻率（Hz）。

根據車輪測試結構，燕房線車輪對應的波長為200～300 mm。燕房線車輛運行速度為50～80 km/h，則由式（1）計算出輪對一階共振頻率為69.4～74 Hz。由于未對輪對模態進行有限元分析及敲擊測試，車輪多邊形是否是由輪對一階彎曲頻率引起在本文未驗證。

2.2.2 ? ?軌道激擾

在確定的速度v下，由式（2）可計算得出每秒鐘車輪轉動的周數：

式中：n為每秒鐘車輪轉動的周數;v為車輛運行速度（km/h）;R為車輪半徑（m）。

根據燕房線車輛技術規格書，v=50～80 km/h，為與測試結果進行對比，這里取v=55～70 km/h，R=0.42 m，計算得到n=5.79～7.37，即當速度為55～70 km/h時，每秒鐘車輪轉動5.79～7.37周。假定該速度下輪軌垂向力主導頻率為f，則相鄰峰值頂點的理論相位角為p，p=360°×（1/f）×n。以九邊形來說，其相位角為40°，因而車輪若要形成九邊形，則其輪軌垂向力主導頻率需要滿足f=9n。

如果假設車輪多邊形化是由車輪滾動一周的振動所形成的，根據公式f=9n，當速度取55～70 km/h時，需要其具有主頻率為52.11～66.33 Hz的振動。

軌道測試結果顯示，車輛運行速度為55～70 km/h時，250～350 mm波磨導致的通過頻率（速度/波長）為61.1～77.8 Hz，與車輪形成九邊形需要的振動主頻（52.11～66.33 Hz）部分重合，因此軌道激擾即鋼軌波磨后產生的振動頻率是導致車輪多邊形的原因之一。

2.2.3 ? ?車輪鏇修誤差

車輪鏇修時，若車軸中心線始終保持恒定，則車輪多邊形可消除。但由于不落輪鏇床的結構，當鏇修具有多邊形的車輪時，車軸中心線會隨車輪轉動而不規則移動，同時鏇床刀頭的位置和切削量是固定值，因此鏇修后車輪仍為多邊形。

3 ? ?改進建議

綜合上述分析，提出了改善車輪異常磨耗的建議。

3.1 ? ?增加鏇修踏面曲線

改變車輪踏面形狀將直接改變輪軌接觸幾何關系[5]，進而改變車輪磨耗，因此可在鏇修時根據輪軌磨耗狀況，合理優化車輪踏面形狀，采用非標準LM踏面進行鏇修，在保證車輛動力學性能的基礎上減緩踏面磨耗。目前已新增加了兩種車輪鏇修踏面曲線，后期將從廓形、應用情況、動力、參數、動力學性能等方面進行對比，確定最終使用的鏇修曲線。

3.2 ? ?改造鏇修設備

由于不落輪鏇床的固定方式是卡鉗式，車輪鏇修時車軸中心線會隨車輪轉動，不能徹底消除多邊形。目前鏇修設備軸端為雙爪固定式，計劃改造為四爪固定式，且增加軸箱支撐裝置，這樣可以提高車輪鏇修時軸端固定的穩定性，控制驅動輪工作時車輪的徑跳值，可以有效改善車輪多邊形磨損現象。

3.3 ? ?設計曲線選擇

地鐵線路曲線運行必然會產生輪軌磨耗，內側鋼軌比外側鋼軌短，車輛的車輪剛性固定在車軸上，即沿曲線運行時不能獨立地轉動。車輪沿著鋼軌滾動，不可避免地會發生輪軌接觸表面的縱向滑動，當車輪滾動時輪緣在鋼軌軌頭側面產生滑動，使接觸點的塑性部分和彈性部分的過渡區間出現變形，形成了車輪磨耗。因此，在地鐵線路設計階段，盡量加大曲線半徑，對于改善車輪磨耗具有很大的作用。

4 ? ?結論

本文分析了燕房線車輪磨耗的發展趨勢，并針對車輪異常磨耗情況分析了形成原因。

（1）根據燕房線電動客車制動力分配原則，Tc車實施空氣制動比M車更頻繁，且Tc車凹形磨耗更加嚴重。因此，制動力分配原則是造成Tc車車輪凹形磨耗的原因之一。

（2）車輛運行速度為55～70 km/h時，250～350 mm波磨導致的通過頻率（速度/波長）為61.1～77.8 Hz，與車輪形成多邊形需要的振動主頻（52.11～66.33 Hz）部分重合，因此軌道激擾即鋼軌波磨后產生的振動頻率是導致車輪多邊形的原因之一。

（3）由于不落輪鏇床的結構限制，車輪鏇修時，車軸中心線會隨車輪轉動而不規則移動，造成車輪多邊形的情況在鏇輪后可以緩解但不能徹底消除。

[參考文獻]

[1] 鄔春暉.北京地鐵1號線車輪異常磨耗分析及其解決措施[J].鐵道車輛，2013，51（1）：40-42.

[2] 李偉，李言義，張雄飛，等.地鐵車輛車輪多邊形的機理分析[J].機械工程學報，2013，49（18）：17-22.

[3] 馬衛華，羅世輝，宋榮榮.地鐵車輛車輪多邊形化形成原因分析[J].機械工程學報，2012，48（24）：106-111.

[4] 嚴雋耄，傅茂海.車輛工程[M].3版.北京：中國鐵道出版社，2008.

[5] 任尊松.車輛系統動力學[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

收稿日期：2021-09-02

作者簡介：路瑤（1987—），男，河北赤城人，工程師，研究方向：軌道交通車輛。