引言
近年來,軌道交通行業(yè)快速發(fā)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(yùn)營過程中,均存在不同程度的車輪異常磨耗問題,國內(nèi)外對于車輪磨耗問題尚未完全解決。車輪的異常磨耗會導(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,電動客車運(yùn)行情況整體平穩(wěn),個別車輛出現(xiàn)了噪聲大、異常振動等現(xiàn)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(chǎn)生的原因,并提出了降低列車噪聲、消除異常振動的改進(jìn)方法。
1車輪運(yùn)用現(xiàn)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(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測。車輪磨耗數(shù)據(jù)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(guān)鍵數(shù)據(jù)。
在車輛運(yùn)營期間,車輪會出現(xiàn)不同程度的磨耗,一旦磨耗情況異常,會出現(xiàn)車輛噪聲大、車體異?；蝿拥痊F(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(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)生相對滑動引起的,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列電動客車(含列車007和008）,對其Tc車的車輪廓形進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。車輛踏面累計磨耗量、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列電動客車磨耗量
圖2 燕房線4列電動客車磨耗率
由圖1可知,4列電動客車在運(yùn)行至5萬km時,平均磨耗量在1.5mm左右:運(yùn)行至8萬km時,平均磨耗量在2mm左右:運(yùn)行至12萬km時,平均磨耗量在2.4mm左右:運(yùn)行至20萬km時,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制動力分配
電動客車制動系統(tǒng)采用電制動和空氣制動,電制動力應(yīng)能單獨(dú)滿足常用制動的要求,當(dāng)運(yùn)行速度低于電制動臨界消失速度時,由空氣制動力進(jìn)行補(bǔ)充。調(diào)查發(fā)現(xiàn),噪聲大、異常振動等現(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(jìn)行補(bǔ)充。當(dāng)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(chǔ)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(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,當(dāng)規(guī)則振動處于常規(guī)隨機(jī)激勵響應(yīng)的程度時,并不會造成較大影響:當(dāng)規(guī)則振動的響應(yīng)超過了隨機(jī)響應(yīng)的程度,具有向共振發(fā)展的趨勢時,將有可能與車輪多邊形化發(fā)生關(guān)聯(lián)。下面主要從輪對自身振動及軌道激擾兩個方面進(jìn)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(zhì)量、材料、結(jié)構(gòu)形式等決定。車輛運(yùn)行時,輪對的一階彎曲共振導(dǎo)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(qū)車輪相對鋼軌橫向滑動,輪對一階彎曲振動導(dǎo)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(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)出輪對一階彎曲共振,導(dǎo)致車輪多邊形產(chǎn)生。
若輪對的一階模態(tài)被激勵,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）,波長可由式(1）計算得出:
式中:A為波長(mm）:,為車輛運(yùn)行速度(km/h）:/為輪對的模態(tài)頻率(Hz）。
根據(jù)車輪測試結(jié)構(gòu),燕房線車輪對應(yīng)的波長為200～300mm。燕房線車輛運(yùn)行速度為50～80km/h,則由式(1）計算出輪對一階共振頻率為69.4～74Hz。由于未對輪對模態(tài)進(jìn)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,下,由式(2）可計算得出每秒鐘車輪轉(zhuǎn)動的周數(shù):
式中:n為每秒鐘車輪轉(zhuǎn)動的周數(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,為與測試結(jié)果進(jìn)行對比,這里取,=55～70km/h,R=0.42m,計算得到n=5.79～7.37,即當(dāng)速度為55～70km/h時,每秒鐘車輪轉(zhuǎn)動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一周的振動所形成的,根據(jù)公式/=9n,當(dāng)速度取55～70km/h時,需要其具有主頻率為52.11～66.33Hz的振動。
軌道測試結(jié)果顯示,車輛運(yùn)行速度為55～70km/h時,250～350mm波磨導(dǎo)致的通過頻率(速度/波長）為61.1～77.8Hz,與車輪形成九邊形需要的振動主頻(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,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,車軸中心線會隨車輪轉(zhuǎn)動而不規(guī)則移動,同時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、動力、參數(shù)、動力學(xué)性能等方面進(jìn)行對比,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,車輪鏃修時車軸中心線會隨車輪轉(zhuǎn)動,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軸端固定的穩(wěn)定性,控制驅(qū)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(xiàn)象。
3.3設(shè)計曲線選擇
地鐵線路曲線運(yùn)行必然會產(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)行時不能獨(dú)立地轉(zhuǎn)動。車輪沿著鋼軌滾動,不可避免地會發(fā)生輪軌接觸表面的縱向滑動,當(dāng)車輪滾動時輪緣在鋼軌軌頭側(cè)面產(chǎn)生滑動,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(jié)論
本文分析了燕房線車輪磨耗的發(fā)展趨勢,并針對車輪異常磨耗情況分析了形成原因。
(1）根據(jù)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(yán)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(yùn)行速度為55～70km/h時,250～350mm波磨導(dǎo)致的通過頻率(速度/波長）為61.1～77.8Hz,與車輪形成多邊形需要的振動主頻(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,車軸中心線會隨車輪轉(zhuǎn)動而不規(guī)則移動,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。
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