全自動(dòng)車輛車輪磨耗研究

引言

近年來,軌道交通行業(yè)快速發(fā)展,對(duì)電動(dòng)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(yùn)營(yíng)過程中,均存在不同程度的車輪異常磨耗問題,國(guó)內(nèi)外對(duì)于車輪磨耗問題尚未完全解決。車輪的異常磨耗會(huì)導(dǎo)致輪軌接觸狀態(tài)不良,從而影響列車的安全性、平穩(wěn)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(jìn)措施非常必要。燕房線自開通以來,電動(dòng)客車運(yùn)行情況整體平穩(wěn),個(gè)別車輛出現(xiàn)了噪聲大、異常振動(dòng)等現(xiàn)象,鑒于此,本文跟蹤分析了燕房線電動(dòng)客車車輪的磨耗情況,分析了列車噪聲大、異常振動(dòng)產(chǎn)生的原因,并提出了降低列車噪聲、消除異常振動(dòng)的改進(jìn)方法。

1車輪運(yùn)用現(xiàn)狀

燕房線電動(dòng)客車采用GoA4全自動(dòng)駕駛方式,須定期對(duì)車輪的磨耗情況進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。車輪磨耗數(shù)據(jù)每半年記錄一次,主要測(cè)量輪徑值、徑向跳動(dòng)、輪緣高、輪緣厚等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

在車輛運(yùn)營(yíng)期間,車輪會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨耗,一旦磨耗情況異常,會(huì)出現(xiàn)車輛噪聲大、車體異?；蝿?dòng)等現(xiàn)象,從而影響列車的安全性、平穩(wěn)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(yùn)營(yíng)期間噪聲大、車體振動(dòng)大,下面從車輪踏面磨耗和車輪多邊形磨耗兩個(gè)方面來進(jìn)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(fā)生相對(duì)滑動(dòng)引起的,踏面的磨耗深度隨運(yùn)行里程數(shù)的增加而逐漸增大。

為掌握車輪磨耗的規(guī)律,選取走行里程數(shù)相近的4列電動(dòng)客車(含列車007和008）,對(duì)其Tc車的車輪廓形進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。車輛踏面累計(jì)磨耗量、磨耗率隨著里程數(shù)的變化如圖1、圖2所示。

圖1  燕房線4列電動(dòng)客車磨耗量

圖2 燕房線4列電動(dòng)客車磨耗率

由圖1可知,4列電動(dòng)客車在運(yùn)行至5萬km時(shí),平均磨耗量在1.5mm左右:運(yùn)行至8萬km時(shí),平均磨耗量在2mm左右:運(yùn)行至12萬km時(shí),平均磨耗量在2.4mm左右:運(yùn)行至20萬km時(shí),平均磨耗量在4mm左右。由圖2可知,選取的4列Tc車的車輪累計(jì)磨耗率在0.2mm/萬km左右。

上述這些數(shù)值都是可接受的,而且隨著運(yùn)行里程數(shù)的遞增,萬千米平均磨耗值還將有所下降。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),可以判定車輪踏面未發(fā)生磨耗過快等異常情況。

2.1.2制動(dòng)力分配

電動(dòng)客車制動(dòng)系統(tǒng)采用電制動(dòng)和空氣制動(dòng),電制動(dòng)力應(yīng)能單獨(dú)滿足常用制動(dòng)的要求,當(dāng)運(yùn)行速度低于電制動(dòng)臨界消失速度時(shí),由空氣制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)充。調(diào)查發(fā)現(xiàn),噪聲大、異常振動(dòng)等現(xiàn)象多發(fā)生在Tc車上,M車很少產(chǎn)生。這種狀況的出現(xiàn)主要是因?yàn)榱熊囋谥苿?dòng)時(shí)首先采用電制動(dòng),電制動(dòng)力不足才由Tc車空氣制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充。當(dāng)Tc車實(shí)施空氣制動(dòng)后仍不滿足制動(dòng)要求時(shí),M車才會(huì)在電制動(dòng)的基礎(chǔ)上實(shí)施空氣制動(dòng),此時(shí)施加的空氣制動(dòng)力較小,不會(huì)造成M車踏面過度磨耗,而Tc車實(shí)施空氣制動(dòng)相對(duì)頻繁,因此,制動(dòng)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(dòng)圓周向出現(xiàn)不均勻磨損的現(xiàn)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(yùn)行工況、車輛狀態(tài)等都是重要因素。

車輪多邊形化的形成原因之一是車輛的規(guī)則振動(dòng),當(dāng)規(guī)則振動(dòng)處于常規(guī)隨機(jī)激勵(lì)響應(yīng)的程度時(shí),并不會(huì)造成較大影響:當(dāng)規(guī)則振動(dòng)的響應(yīng)超過了隨機(jī)響應(yīng)的程度,具有向共振發(fā)展的趨勢(shì)時(shí),將有可能與車輪多邊形化發(fā)生關(guān)聯(lián)。下面主要從輪對(duì)自身振動(dòng)及軌道激擾兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.2.1輪對(duì)自身振動(dòng)

輪對(duì)的自振頻率是固有屬性,由其質(zhì)量、材料、結(jié)構(gòu)形式等決定。車輛運(yùn)行時(shí),輪對(duì)的一階彎曲共振導(dǎo)致輪對(duì)在垂向平面彎曲變形,輪對(duì)一階彎曲振動(dòng)引起輪軌接觸區(qū)車輪相對(duì)鋼軌橫向滑動(dòng),輪對(duì)一階彎曲振動(dòng)導(dǎo)致的變形較小,輪軌相互滑動(dòng)較小,其稱為"輪軌間橫向蠕滑率"。在車輪長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中,輪軌間橫向蠕滑率的周期性變化導(dǎo)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(fā)出輪對(duì)一階彎曲共振,導(dǎo)致車輪多邊形產(chǎn)生。

若輪對(duì)的一階模態(tài)被激勵(lì),則其共振將導(dǎo)致車輪踏面出現(xiàn)諧波磨損(即車輪多邊形磨損）,波長(zhǎng)可由式(1）計(jì)算得出:

式中:A為波長(zhǎng)(mm）:,為車輛運(yùn)行速度(km/h）:/為輪對(duì)的模態(tài)頻率(Hz）。

根據(jù)車輪測(cè)試結(jié)構(gòu),燕房線車輪對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為200～300mm。燕房線車輛運(yùn)行速度為50～80km/h,則由式(1）計(jì)算出輪對(duì)一階共振頻率為69.4～74Hz。由于未對(duì)輪對(duì)模態(tài)進(jìn)行有限元分析及敲擊測(cè)試,車輪多邊形是否是由輪對(duì)一階彎曲頻率引起在本文未驗(yàn)證。

2.2.2軌道激擾

在確定的速度,下,由式(2）可計(jì)算得出每秒鐘車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的周數(shù):

式中:n為每秒鐘車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的周數(shù):,為車輛運(yùn)行速度(km/h）:R為車輪半徑(m）。

根據(jù)燕房線車輛技術(shù)規(guī)格書,,=50～80km/h,為與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,這里取,=55～70km/h,R=0.42m,計(jì)算得到n=5.79～7.37,即當(dāng)速度為55～70km/h時(shí),每秒鐘車輪轉(zhuǎn)動(dòng)5.79～7.37周。假定該速度下輪軌垂向力主導(dǎo)頻率為/,則相鄰峰值頂點(diǎn)的理論相位角為p,p=3609×(1/f）×n。以九邊形來說,其相位角為409,因而車輪若要形成九邊形,則其輪軌垂向力主導(dǎo)頻率需要滿足/=9n。

如果假設(shè)車輪多邊形化是由車輪滾動(dòng)一周的振動(dòng)所形成的,根據(jù)公式/=9n,當(dāng)速度取55～70km/h時(shí),需要其具有主頻率為52.11～66.33Hz的振動(dòng)。

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

2.2.3車輪鏃修誤差

車輪鏃修時(shí),若車軸中心線始終保持恒定,則車輪多邊形可消除。但由于不落輪鏃床的結(jié)構(gòu),當(dāng)鏃修具有多邊形的車輪時(shí),車軸中心線會(huì)隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)而不規(guī)則移動(dòng),同時(shí)鏃床刀頭的位置和切削量是固定值,因此鏃修后車輪仍為多邊形。

3改進(jìn)建議

綜合上述分析,提出了改善車輪異常磨耗的建議。

3.1增加鎖修踏面曲線

改變車輪踏面形狀將直接改變輪軌接觸幾何關(guān)系,進(jìn)而改變車輪磨耗,因此可在鏃修時(shí)根據(jù)輪軌磨耗狀況,合理優(yōu)化車輪踏面形狀,采用非標(biāo)準(zhǔn)1M踏面進(jìn)行鏃修,在保證車輛動(dòng)力學(xué)性能的基礎(chǔ)上減緩踏面磨耗。目前已新增加了兩種車輪鏃修踏面曲線,后期將從廓形、應(yīng)用情況、動(dòng)力、參數(shù)、動(dòng)力學(xué)性能等方面進(jìn)行對(duì)比,確定最終使用的鏃修曲線。

3.2改造鎖修設(shè)備

由于不落輪鏃床的固定方式是卡鉗式,車輪鏃修時(shí)車軸中心線會(huì)隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng),不能徹底消除多邊形。目前鏃修設(shè)備軸端為雙爪固定式,計(jì)劃改造為四爪固定式,且增加軸箱支撐裝置,這樣可以提高車輪鏃修時(shí)軸端固定的穩(wěn)定性,控制驅(qū)動(dòng)輪工作時(shí)車輪的徑跳值,可以有效改善車輪多邊形磨損現(xiàn)象。

3.3設(shè)計(jì)曲線選擇

地鐵線路曲線運(yùn)行必然會(huì)產(chǎn)生輪軌磨耗,內(nèi)側(cè)鋼軌比外側(cè)鋼軌短,車輛的車輪剛性固定在車軸上,即沿曲線運(yùn)行時(shí)不能獨(dú)立地轉(zhuǎn)動(dòng)。車輪沿著鋼軌滾動(dòng),不可避免地會(huì)發(fā)生輪軌接觸表面的縱向滑動(dòng),當(dāng)車輪滾動(dòng)時(shí)輪緣在鋼軌軌頭側(cè)面產(chǎn)生滑動(dòng),使接觸點(diǎn)的塑性部分和彈性部分的過渡區(qū)間出現(xiàn)變形,形成了車輪磨耗。因此,在地鐵線路設(shè)計(jì)階段,盡量加大曲線半徑,對(duì)于改善車輪磨耗具有很大的作用。

4結(jié)論

本文分析了燕房線車輪磨耗的發(fā)展趨勢(shì),并針對(duì)車輪異常磨耗情況分析了形成原因。

(1）根據(jù)燕房線電動(dòng)客車制動(dòng)力分配原則,Tc車實(shí)施空氣制動(dòng)比M車更頻繁,且Tc車凹形磨耗更加嚴(yán)重。因此,制動(dòng)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(yùn)行速度為55～70km/h時(shí),250～350mm波磨導(dǎo)致的通過頻率(速度/波長(zhǎng)）為61.1～77.8Hz,與車輪形成多邊形需要的振動(dòng)主頻(52.11～66.33Hz）部分重合,因此軌道激擾即鋼軌波磨后產(chǎn)生的振動(dòng)頻率是導(dǎo)致車輪多邊形的原因之一。

(3）由于不落輪鏃床的結(jié)構(gòu)限制,車輪鏃修時(shí),車軸中心線會(huì)隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)而不規(guī)則移動(dòng),造成車輪多邊形的情況在鏃輪后可以緩解但不能徹底消除。