金學(xué)松， 吳 越， 梁樹(shù)林， 溫澤峰

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

列車(chē)車(chē)輪滾動(dòng)圓周非圓化磨耗現(xiàn)象廣泛地存在于鐵路運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)，引發(fā)車(chē)輛/軌道系統(tǒng)強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲，且對(duì)行車(chē)穩(wěn)定性和安全性以及車(chē)輛/軌道系統(tǒng)各個(gè)部件的使用壽命有很大影響［1-3］.1998年6月，德國(guó)發(fā)生了震驚鐵路界的Eschede高速列車(chē)脫軌撞橋事故.據(jù)調(diào)查，列車(chē)車(chē)輪存在嚴(yán)重的非圓化磨耗，輪軌之間產(chǎn)生很大的沖擊，帶有多邊形的高速?gòu)椥攒?chē)輪發(fā)生疲勞開(kāi)裂，最終釀成悲劇.我國(guó)高速列車(chē)開(kāi)通初期，部分列車(chē)車(chē)輪存在不同程度的非圓化磨耗.在2014～2016年期間，車(chē)輪非圓化磨耗問(wèn)題在我國(guó)高速鐵路運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)普遍發(fā)生.因車(chē)輪多邊形磨耗引起輪軌沖擊力達(dá)到輪軌靜載荷的1～3倍，軸箱加速度達(dá)到20g～40g(g為重力加速度)，車(chē)廂內(nèi)部噪聲水平增加了 8～10 dB(A).列車(chē)高速運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，因車(chē)輪多邊形激勵(lì)，常常發(fā)生列車(chē)和軌道關(guān)鍵零部件疲勞斷裂.可見(jiàn)，車(chē)輪非圓化磨耗問(wèn)題不僅增加了鐵路運(yùn)輸成本，還對(duì)列車(chē)行車(chē)安全造成了很大的威脅.

理想圓的列車(chē)車(chē)輪，即使剛剛經(jīng)過(guò)鏇修或者在鏇修后較短的運(yùn)行里程內(nèi)，都有可能被檢測(cè)出車(chē)輪質(zhì)量偏心或者幾何偏心(車(chē)輪滾動(dòng)半徑有差異)，這些初始的偏差在列車(chē)后續(xù)的運(yùn)行中往往會(huì)擴(kuò)大.車(chē)輪滾動(dòng)圓非圓化形式可以分為局部非圓化和全周非圓化［4-6］.其中局部非圓化包括扁疤、剝離、脫層和其他形式局部非圓化，如圖1所示.這些形式主要是由于輪軌表面滾動(dòng)接觸疲勞和制動(dòng)熱損傷引起的.

車(chē)輪全周非圓化主要形式為車(chē)輪圓周多邊形化磨耗或變形，即車(chē)輪半徑沿著整個(gè)圓周呈周期性或非周期性地變化.對(duì)于車(chē)輪多邊形磨耗的形成和發(fā)展的機(jī)理，在國(guó)際上仍眾說(shuō)紛紜［7-10］，未能達(dá)成共識(shí)，尚待深入系統(tǒng)地進(jìn)行研究調(diào)查.

圖1 車(chē)輪扁疤和剝離Fig.1 Wheel spalling and wheel flattening

車(chē)輪多邊形磨耗即是車(chē)輪圓周方向上的非均勻磨耗，車(chē)輪半徑沿著整個(gè)圓周呈周期性變化，波長(zhǎng)從十幾厘米延伸至約整個(gè)圓周，相應(yīng)波數(shù)(也稱階數(shù))在1～30之間，波深(峰—谷高度)嚴(yán)重的情況可達(dá)到1 mm左右.通常用傅里葉分析來(lái)描述不同階數(shù)的車(chē)輪多邊形磨耗，波長(zhǎng)定義為

式中:noor為多邊形磨耗階數(shù);r為車(chē)輪半徑.

圖2為不同階數(shù)下車(chē)輪多邊形磨耗的示意圖.當(dāng)列車(chē)車(chē)速為v(m/s)時(shí)，其激振頻率foor=v/λn.

實(shí)際上，對(duì)于非圓化磨耗車(chē)輪往往同時(shí)存在幾種不同階次的車(chē)輪多邊形，只是各階波幅的所占比例不同.

圖2 車(chē)輪多邊形示意圖Fig.2 Schematics of polygonal wheels

最開(kāi)始在軸盤(pán)式制動(dòng)輪對(duì)上檢測(cè)到車(chē)輪多邊形磨耗.曾在德國(guó)ICE高速列車(chē)和瑞典斯德哥爾摩地鐵列車(chē)車(chē)輪上發(fā)現(xiàn)多邊形磨耗現(xiàn)象［11-13］，后者波長(zhǎng)約0.8 m(對(duì)應(yīng)3階車(chē)輪多邊形)，波深達(dá)到1.2 mm左右.當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度為50～250 km/h時(shí)，此車(chē)輪多邊形引起的激振頻率范圍為5～125 Hz，這和車(chē)輛/軌道系統(tǒng)的P2力頻率接近，它引起的輪軌作用力易傳遞至軌道以及軌下結(jié)構(gòu)，這對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)部件和軌道結(jié)構(gòu)部件會(huì)造成很大的傷害.在瑞典2002年秋季開(kāi)展的車(chē)輪型面實(shí)測(cè)試驗(yàn)中［14］，將新車(chē)輪和磨損后的車(chē)輪多邊形實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)地比較，結(jié)果顯示，新車(chē)輪的初始不圓順主要為3階車(chē)輪多邊形，是制造過(guò)程中三角爪的車(chē)輪固定方式所導(dǎo)致.

Pallgen［14］對(duì)德國(guó)ICE高速列車(chē)車(chē)輪周期性非圓化和非周期性非圓化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于普通的鋼質(zhì)車(chē)輪來(lái)說(shuō)，以3階車(chē)輪多邊形為主，而對(duì)于彈性橡膠車(chē)輪來(lái)說(shuō)，則多以2階車(chē)輪多邊形為主;Pallgen［14］還討論了車(chē)輪一般非周期性非圓化磨耗，在實(shí)測(cè)的許多非周期性非圓化車(chē)輪中，無(wú)法明顯分清楚占主導(dǎo)的車(chē)輪多邊形階數(shù).許多非周期性非圓化車(chē)輪磨耗實(shí)際上是包含了多種不同階數(shù)的車(chē)輪多邊形.

1 車(chē)輪非圓化磨耗對(duì)車(chē)輛/軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的影響

車(chē)輪非圓化磨耗會(huì)導(dǎo)致輪軌間產(chǎn)生較大的沖擊載荷，會(huì)引起軌道結(jié)構(gòu)和車(chē)輛零部件發(fā)生損壞［15］.因此，國(guó)內(nèi)外詳細(xì)地分析討論了車(chē)輪非圓化磨耗對(duì)車(chē)輛/軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的影響，主要從沖擊載荷的檢測(cè)和動(dòng)力學(xué)行為的數(shù)值模擬這兩方面展開(kāi)研究工作.

1.1 輪軌沖擊載荷測(cè)試技術(shù)研究

從90年代開(kāi)始，國(guó)際上對(duì)于更換非圓車(chē)輪的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)由視覺(jué)檢測(cè)車(chē)輪型面缺陷尺寸轉(zhuǎn)為依靠應(yīng)變傳感器或軌道加速度計(jì)來(lái)檢測(cè)輪軌間沖擊載荷大小，進(jìn)而判定是否需要更換和鏇修車(chē)輪.Fakhraei Roudsari、Kalay、Tajaddini和 Kalay 等［16-19］完成了大量實(shí)驗(yàn)，提出美國(guó)鐵路聯(lián)合會(huì)(AAR)新的車(chē)輪更換準(zhǔn)則，瑞典的車(chē)輪更換維修標(biāo)準(zhǔn)也受到了新的挑戰(zhàn)［17］.而目前我國(guó)按照 Lucchini所提出的0.3 mm徑跳限值來(lái)進(jìn)行高速車(chē)輪鏇修，在一定程度上能反映車(chē)輪表面缺陷程度，但未能考慮多邊形磨耗以及引起輪軌沖擊行為和噪聲問(wèn)題，車(chē)輪多邊形磨耗所產(chǎn)生的高頻振動(dòng)沖擊會(huì)對(duì)車(chē)輛軌道系統(tǒng)零部件使用壽命產(chǎn)生重要影響.

輪軌沖擊載荷檢測(cè)有兩種方法:應(yīng)用應(yīng)變傳感儀和軌道加速度計(jì).AAR采用上述兩種方法進(jìn)行了測(cè)量分析［17］.1991年，在美國(guó)普韋布洛州和科羅拉多州開(kāi)展了一系列沖擊載荷檢測(cè)工作，Kalay等［17-18］和 Stone 等［20］之后就實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做了分析討論.將沖擊載荷視為車(chē)速的函數(shù)，分析了不同波長(zhǎng)和波深的車(chē)輪長(zhǎng)波長(zhǎng)非圓化的影響.Higgns等［21］研究設(shè)計(jì)了一種測(cè)力輪對(duì)，用于檢測(cè)縱向、橫向和垂向的輪軌沖擊載荷.宋穎［22］提出一種基于PVDF壓電傳感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輪軌力的監(jiān)測(cè).其他的一些檢測(cè)輪軌接觸力的試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)參見(jiàn)文獻(xiàn)［23］.但是，上述多種輪軌力測(cè)試技術(shù)僅限于監(jiān)測(cè)相對(duì)低頻輪軌力(300 Hz以下)，難以測(cè)得高頻輪軌沖擊載荷(300 Hz以上).

1.2 數(shù)值模擬

為更好地解決鐵路運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際問(wèn)題，近年來(lái)發(fā)展了一系列數(shù)學(xué)模型用于仿真模擬非圓化車(chē)輪對(duì)車(chē)輛/軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的影響.Knothe和 Grassie［24］、Nielsen［25］對(duì)這方面的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述.

Jenkins等［26］最早開(kāi)展車(chē)輪非圓化對(duì)車(chē)輛/軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為影響研究，建立了剛性的車(chē)輪和剛性鋼軌的耦合模型，分析了不同車(chē)輪型面缺陷引起的輪軌垂向沖擊載荷，提出了車(chē)輪設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法.

Newton和Clark［27］將軌道考慮為彈性支撐梁，研究車(chē)輪扁疤引起的沖擊載荷.Ahlbeck和Hadden［28-29］研究了北美高速線路列車(chē)車(chē)輪非圓化情況，通過(guò)調(diào)查車(chē)輪型面發(fā)現(xiàn)車(chē)輪存在波長(zhǎng)約25～40 cm，波深約2～4 mm的局部不平順缺陷，通過(guò)建立剛性車(chē)輪和彈性軌道相互作用模型，發(fā)現(xiàn)沖擊載荷峰值高于400 kN;討論了軌枕彎曲模態(tài)對(duì)輪軌沖擊載荷的影響.Ahlbeck和 Harrison［30］測(cè)量了大量的車(chē)輪型面，并基于試驗(yàn)結(jié)果建立數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)不同類(lèi)型的車(chē)輪缺陷引起的沖擊載荷，計(jì)算結(jié)果表明輪軌間高頻沖擊載荷會(huì)因輪對(duì)質(zhì)量減小而變?nèi)?，隨著非圓缺陷波深與波長(zhǎng)比例的增加而增大.文獻(xiàn)［24］闡述了關(guān)于軌道和車(chē)輛各部分服役壽命研究的現(xiàn)有模型，并給出車(chē)輪非圓化沖擊載荷和車(chē)輛/軌道系統(tǒng)各部分破壞之間的關(guān)系，提出了應(yīng)用各種模型進(jìn)行車(chē)輪非圓化問(wèn)題處理的經(jīng)濟(jì)分析，對(duì)鐵路運(yùn)輸成本控制和收入提供了決策依據(jù).

翟婉明詳細(xì)地介紹了車(chē)輛/軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型［31］，如圖 3 所示.

圖3中:Mc為車(chē)體質(zhì)量;fc為車(chē)體側(cè)滾角;Zc為車(chē)體垂向位移;Yc為車(chē)體橫向位移;Ksy為二系懸掛橫向剛度;Csy為二系懸掛橫向阻尼;Yb為構(gòu)架橫向位移;fb為構(gòu)架側(cè)滾角;Zb為構(gòu)架垂向位移;Kpy為一系懸掛橫向剛度;Cpy為一系懸掛橫向阻尼;Zwi為輪對(duì)垂向位移;Ywi為輪對(duì)橫向位移;fwi為輪對(duì)側(cè)滾角;ZrL為左側(cè)鋼軌垂向位移;ZrR為右側(cè)鋼軌垂向位移;Yr(L，R)為左右鋼軌橫向位移.

將車(chē)輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)視為一個(gè)相互作用、相互耦合的整體，將輪軌相互作用關(guān)系作為連接這兩個(gè)子系統(tǒng)的“紐帶”，綜合考慮車(chē)輛在彈性軌道結(jié)構(gòu)上的動(dòng)態(tài)行為，提出了脈沖型輪軌激擾和諧波型輪軌激擾的表達(dá)式來(lái)研究扁疤和車(chē)輪多邊形磨耗對(duì)輪軌作用力的影響.計(jì)算結(jié)果表明，車(chē)輪非圓化的波深和列車(chē)運(yùn)行速度對(duì)輪軌力有重要影響，尤其是波深對(duì)輪軌力響應(yīng)更大.

圖3 車(chē)輛/軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型Fig.3 Vehicle-track coupled dynamics model

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用車(chē)輛/軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型對(duì)車(chē)輪非圓化問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究:Cai和Raymond［32-33］基于赫茲接觸理論，建立了車(chē)輛/軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，模擬扁疤等車(chē)輪缺陷對(duì)軌道系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，指出輪軌沖擊行為與車(chē)速密切相關(guān)，非圓車(chē)輪也會(huì)對(duì)其周?chē)唽?duì)的輪軌力產(chǎn)生影響;Dong等［34-35］對(duì)輪軌沖擊載荷進(jìn)行了理論研究，對(duì)比不同輪軌模型，認(rèn)為沖擊載荷最主要影響因素是車(chē)輪非圓缺陷尺寸、軸重、車(chē)速及軌墊剛度.當(dāng)車(chē)輪表面存在缺陷時(shí)，列車(chē)軸重和車(chē)速對(duì)輪軌沖擊影響較大，在一定車(chē)速和缺陷尺寸下，當(dāng)激振頻率和車(chē)輛/軌道系統(tǒng)共振頻率耦合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊載荷;羅仁等［36］考慮輪對(duì)的彎曲變形，建立動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算車(chē)輪多邊形磨耗對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)車(chē)輪多邊形會(huì)導(dǎo)致輪軌垂向力增大，而對(duì)車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)影響不大;WU等［37］考慮到輪對(duì)的高頻彈性振動(dòng)特性，建立動(dòng)力學(xué)模型分析了車(chē)輪多邊形磨耗對(duì)輪軸動(dòng)應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)車(chē)輪多邊形磨耗激振頻率和輪對(duì)固有頻率接近時(shí)，輪軸動(dòng)應(yīng)力會(huì)顯著增大;張雪珊等［38］研究了高速車(chē)輪橢圓化對(duì)車(chē)輛橫向穩(wěn)定性的影響，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)車(chē)輪橢圓化會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛系統(tǒng)發(fā)生橫向蛇行失穩(wěn)，嚴(yán)重惡化列車(chē)的運(yùn)行品質(zhì)，影響其橫向穩(wěn)定性;李玲［39］將車(chē)輪多邊形磨耗跟蹤測(cè)試數(shù)據(jù)帶入多剛體車(chē)輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型中進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著車(chē)輪多邊形磨耗加深，輪軌力逐漸增大，當(dāng)車(chē)輪多邊形磨耗嚴(yán)重時(shí)，對(duì)輪軌力的影響超過(guò)了焊接接頭不平順對(duì)輪軌力的影響;吳磊等［40］研究車(chē)輪多邊形磨耗對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全性能的影響，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在多個(gè)可能工況下的脫軌系數(shù)均在安全限度內(nèi)，不會(huì)引起脫軌，雖然脫軌系數(shù)在安全限度內(nèi)，但對(duì)于高階車(chē)輪多邊形來(lái)說(shuō)，往往會(huì)產(chǎn)生高頻的輪軌沖擊載荷，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架零部件發(fā)生損壞或者失效，同樣也會(huì)對(duì)列車(chē)安全性產(chǎn)生重要影響.

2 車(chē)輪非圓化磨耗對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響

高速鐵路噪聲源主要由輪軌噪聲、氣動(dòng)噪聲、輔助設(shè)備噪聲等部分組成［41］，現(xiàn)有研究資料表明，列車(chē)速度在0～300 km/h時(shí)，輪軌噪聲仍然占主導(dǎo)［42］.列車(chē)在高速運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到輪軌不平順滾動(dòng)沖擊的影響，輪軌振動(dòng)沖擊通過(guò)車(chē)輛的懸架系統(tǒng)向上層結(jié)構(gòu)(包括構(gòu)架、齒輪箱、電動(dòng)機(jī)、車(chē)體等)傳遞，引起車(chē)輛結(jié)構(gòu)的振動(dòng)并輻射噪聲;同時(shí)輪軌振動(dòng)沖擊還會(huì)產(chǎn)生輪軌振動(dòng)噪聲，如圖4所示，輪軌噪聲通過(guò)車(chē)廂隔聲薄弱環(huán)節(jié)向車(chē)廂內(nèi)部傳遞，這兩個(gè)因素都有可能導(dǎo)致車(chē)輛內(nèi)部噪聲異常.隨著車(chē)輪非圓化磨耗程度的加劇，輪軌法向力波動(dòng)的幅度會(huì)迅速增加，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)車(chē)輪出現(xiàn)跳軌現(xiàn)象，此時(shí)輪軌間高頻沖擊力會(huì)明顯增大，車(chē)內(nèi)噪聲隨之會(huì)顯著增大.

在早期，關(guān)于車(chē)內(nèi)非圓化磨耗對(duì)車(chē)輛噪聲影響以理論研究為主.圣小珍等［41］對(duì)歐洲鐵路輪軌噪聲研究進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，1988年，歐洲鐵路研究所組織開(kāi)發(fā)了預(yù)測(cè)輪軌噪聲水平的力學(xué)模型及軟件TWINS(track-wheel interaction noise software)，模型以輪軌表面不平順作為激擾源，并假定各個(gè)環(huán)節(jié)為線性，整個(gè)計(jì)算可以在頻率內(nèi)進(jìn)行［43］.雖然模型的改進(jìn)工作還在繼續(xù)，但此模型在歐洲已成為預(yù)測(cè)輪軌噪聲水平、開(kāi)發(fā)減振降噪產(chǎn)品、指導(dǎo)新線設(shè)計(jì)和舊線改造的主要理論工具.

圖4 輪軌振動(dòng)噪聲Fig.4 Wheel/track vibration and noise

我國(guó)高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)初期因車(chē)輪多邊形磨耗導(dǎo)致車(chē)內(nèi)噪聲異常問(wèn)題時(shí)有發(fā)生.王興宇等［44］從車(chē)內(nèi)噪聲頻譜特性與車(chē)輪多邊形磨耗階次的關(guān)系著眼，探究了車(chē)輪多邊形磨耗階次和振動(dòng)噪聲顯著頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.韓光旭等［45-47］對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究，長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試車(chē)輛振動(dòng)、噪聲特性及車(chē)輪多邊形磨耗水平，研究表明，車(chē)內(nèi)噪聲在300～400 Hz和500～600 Hz頻率范圍內(nèi)，存在聲振共振區(qū)域，一定車(chē)速下，車(chē)輪多邊形磨耗激振頻率處于此頻段時(shí)，會(huì)使得車(chē)輛系統(tǒng)的振動(dòng)水平升高，進(jìn)而激勵(lì)車(chē)體內(nèi)裝板振動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)輻射噪聲.在車(chē)輪鏇修后，車(chē)輪多邊形磨耗水平降低，車(chē)輛結(jié)構(gòu)振動(dòng)減弱，噪聲對(duì)應(yīng)降低，因此，提出通過(guò)車(chē)輪鏇修的方式來(lái)減小車(chē)內(nèi)噪聲的方法.張捷和肖新標(biāo)等［48］通過(guò)大量的跟蹤試驗(yàn)，初步分析高速列車(chē)車(chē)輪多車(chē)內(nèi)噪聲的影響關(guān)系.基于 TWINS輪軌噪聲原理，使用HWTNS(high-speed wheel-rail noise software)預(yù)測(cè)了含有不同車(chē)輪多邊形特性的輪軌噪聲.

基于混合有限元-統(tǒng)計(jì)能量分析(FE-SEA)方法，建立高速列車(chē)客室端部車(chē)內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)車(chē)內(nèi)噪聲，分析了車(chē)輪多邊形參數(shù)、車(chē)輪徑跳和車(chē)內(nèi)噪聲之間的相互關(guān)系.

3 列車(chē)車(chē)輪非圓化磨耗發(fā)展規(guī)律研究

隨著列車(chē)的運(yùn)行速度和運(yùn)量的不斷提高，車(chē)輪工作環(huán)境越發(fā)惡劣，車(chē)輪磨耗加劇.車(chē)輪非圓化磨耗會(huì)對(duì)車(chē)輛/軌道系統(tǒng)行為和安全產(chǎn)生惡劣的影響，需要及時(shí)進(jìn)行車(chē)輪更換或者維修，以免發(fā)生安全事故.因此，對(duì)于車(chē)輪非圓化磨耗發(fā)生機(jī)理以及發(fā)展規(guī)律成為了一個(gè)研究熱點(diǎn).

Johansson［1］和 Zobory［49］對(duì)車(chē)輪和軌道磨損問(wèn)題進(jìn)行了全面地研究，并且對(duì)車(chē)輪磨損預(yù)測(cè)的數(shù)值方法進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，一般采用車(chē)輛/軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型和輪軌長(zhǎng)效磨損模型相結(jié)合的方法.模型基于“多時(shí)間尺度”假設(shè)，輪軌耦合動(dòng)力學(xué)模型的時(shí)間尺度為秒，磨損模型中的時(shí)間尺度為108量級(jí)的車(chē)輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù).模型分析流程如圖5所示.

圖5 車(chē)輪非圓化磨耗計(jì)算框圖Fig.5 Calculation block diagram of out-of-roundness wheel wear

在車(chē)輛/軌道耦合系統(tǒng)時(shí)域動(dòng)力學(xué)模型中，車(chē)輪和軌道型面可以看作常數(shù)，在給定的運(yùn)行條件、載荷和初始非圓化型面等因素作用下，模擬車(chē)輛/軌道系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng).初始的非圓車(chē)輪型面幾何參數(shù)、模型參數(shù)(車(chē)輛及軌道)、激勵(lì)參數(shù)等作為系統(tǒng)時(shí)域動(dòng)力學(xué)模型的初始參數(shù)輸入，計(jì)算輪軌接觸斑處的蠕滑力、蠕滑率和摩擦功.在長(zhǎng)效輪軌磨損模型中，考慮車(chē)輪和軌道因發(fā)生磨損而導(dǎo)致型面的變化，計(jì)算磨損引起車(chē)輪踏面材料的損失，進(jìn)而更新非圓車(chē)輪的形狀，作為下一迭代步中車(chē)輪型面幾何參數(shù)輸入.通過(guò)上述循環(huán)，長(zhǎng)效磨損過(guò)程逐步實(shí)現(xiàn)，完成車(chē)輪非圓化發(fā)展的預(yù)測(cè)工作.

Morys等［50-53］為了研究車(chē)輪多邊形磨耗的成因與發(fā)展規(guī)律，建立了ICE-1型高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，將車(chē)輪和閘盤(pán)視為剛體，剛體之間利用三維旋轉(zhuǎn)彈簧-阻尼單元連接，以表征輪對(duì)的彎曲和扭轉(zhuǎn)特性，如圖6所示.在圓周上車(chē)輪半徑按照正弦曲線的規(guī)律變化，通過(guò)車(chē)輪半徑的變化來(lái)描述各階車(chē)輪多邊形磨耗現(xiàn)象.對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)，采用移動(dòng)軌下支撐模型，考慮了軌道下方結(jié)構(gòu)的剛性和柔性.輪軌滾動(dòng)接觸采用Kalker簡(jiǎn)化模型.最后，結(jié)合長(zhǎng)效輪軌磨損模型，計(jì)算在各階初始車(chē)輪多邊形磨耗條件下，車(chē)輪半徑隨里程的變化量.通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，列車(chē)運(yùn)行時(shí)，車(chē)輪多邊形磨耗會(huì)導(dǎo)致輪軌法向力波動(dòng)幅度顯著增高，激發(fā)輪對(duì)的彎曲共振模態(tài)，導(dǎo)致輪軌間橫向蠕滑力呈周期性變化，最終誘發(fā)車(chē)輪多邊形磨耗.比較各階初始車(chē)輪多邊形磨耗的發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)3階車(chē)輪多邊形磨耗激勵(lì)頻率與車(chē)輪彎曲模態(tài)頻率接近，這使得3階車(chē)輪多邊形磨耗發(fā)展最快，1階車(chē)輪多邊形磨耗發(fā)展最慢，2階車(chē)輪多邊形則發(fā)展為4階車(chē)輪多邊形.

圖6 輪對(duì)動(dòng)力學(xué)模型Fig.6 Dynamic model of a wheelset

Meinke等［54］將 Morys的輪對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，制動(dòng)盤(pán)和車(chē)輪等剛體之間的連接由彈簧-阻尼單元變?yōu)閺椥粤簡(jiǎn)卧?，考慮了輪軸的回轉(zhuǎn)效應(yīng)，如圖7所示.將高速列車(chē)車(chē)輪垂向振動(dòng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，主要受重力、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和回轉(zhuǎn)力矩的影響.運(yùn)用不平衡計(jì)算和長(zhǎng)效輪軌磨損仿真分析車(chē)輪多邊形磨耗形成和發(fā)展過(guò)程，初始車(chē)輪型面不存在任何缺陷，計(jì)算結(jié)果表明，即使采用沒(méi)有任何瑕疵的新輪，在經(jīng)過(guò)一定里程的磨損后，車(chē)輪的輪徑差仍然超出了所規(guī)定的限制要求.

圖7 輪對(duì)動(dòng)力學(xué)模型Fig.7 Dynamic model of a wheelset

Meinke和Morys等均認(rèn)為輪對(duì)的不平衡作用力可能是導(dǎo)致車(chē)輪非圓化磨耗發(fā)展的重要原因，且動(dòng)力不平衡比靜力不平衡(車(chē)輪幾何或質(zhì)量偏心影響)的影響要大得多，但車(chē)輪模型皆為剛性模型.

Meywerk等［55］認(rèn)為在不平衡動(dòng)力作用輪對(duì)和鋼軌相互作用發(fā)生的柔性變形導(dǎo)致了車(chē)輪多邊形磨耗的形成和發(fā)展，考慮到輪對(duì)和鋼軌的柔性變形，建立了單個(gè)彈性輪對(duì)在彈性軌道上運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型.鋼軌和輪對(duì)由輪框架導(dǎo)向，輪對(duì)框架常速平動(dòng)，框架和輪對(duì)在輪軸末端處通過(guò)3個(gè)彈簧-阻尼單元連接.鋼軌(垂向彎曲方向)、輪緣(徑向)和輪軸視為一維連續(xù)體(垂向彎曲方向)，輪盤(pán)視為二維連續(xù)體(徑向和軸向)，輪轂視為剛體.同時(shí)還考慮車(chē)輪材料硬化對(duì)磨損率的影響，研究車(chē)輪多邊形的形成過(guò)程，計(jì)算結(jié)果表明，輪對(duì)的1階對(duì)稱垂向彎曲模態(tài)和1階反對(duì)稱垂向彎曲模態(tài)激振引起車(chē)輪的橫向滑移量最大，對(duì)車(chē)輪非圓化形成和發(fā)展產(chǎn)生較大的影響，而列車(chē)實(shí)際運(yùn)行時(shí)也可能是輪對(duì)對(duì)稱和反對(duì)稱模態(tài)的相位組合.輪對(duì)前進(jìn)時(shí)，左右車(chē)輪多邊形相位差越大，車(chē)輪非圓化發(fā)展越快.輪對(duì)的第1階和第2階垂向彎曲模態(tài)在車(chē)輪非圓化發(fā)展過(guò)程中也起著重要的作用.

Johansson等［15］建立了三維瞬時(shí)輪軌動(dòng)力學(xué)模型，為計(jì)算高頻振動(dòng)，考慮鋼軌橫截面的剪切變形和旋轉(zhuǎn)慣性，軌道模型采用離散支撐的Timoshenko彈性梁?jiǎn)卧?輪對(duì)模型由彈性輪軸和剛性車(chē)輪組成，端部通過(guò)彈簧-阻尼單元和剛性轉(zhuǎn)向架模型連接.對(duì)新輪的不圓度進(jìn)行測(cè)試，并將實(shí)測(cè)結(jié)果作為輪對(duì)滾動(dòng)圓的初始條件帶入模型中進(jìn)行計(jì)算，分析1～20階車(chē)輪多邊形磨耗的發(fā)展過(guò)程.通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，車(chē)輪多邊形磨耗幅值增長(zhǎng)最快的是14～20階和5～7階.文提出用“固定波長(zhǎng)”機(jī)理來(lái)解釋車(chē)輪多邊形的發(fā)展，認(rèn)為14～20階車(chē)輪多邊形磨耗的形成是由165 Hz頻率處垂向軌道反共振而導(dǎo)致的，5～7階車(chē)輪多邊形磨耗的形成是由車(chē)輛-軌道系統(tǒng)的P2共振導(dǎo)致的，敏感頻率不變，列車(chē)運(yùn)行速度增加或者降低會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)階數(shù)車(chē)輪多邊形的降低或升高，對(duì)于軌道反共振和P2共振導(dǎo)致車(chē)輪多邊形發(fā)展這一結(jié)論僅為猜想，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證.在此模型中，僅考慮輪軌力相互作用導(dǎo)致車(chē)輪磨損，沒(méi)有考慮車(chē)輛轉(zhuǎn)向架高頻共振影響，也沒(méi)有考慮車(chē)輪已有的多邊形累積磨耗與當(dāng)前引發(fā)多邊形磨耗輪軌共振的相位變化對(duì)多邊形進(jìn)一步發(fā)展的影響.另外，可能還有其他因素影響著車(chē)輪多邊形發(fā)展，如車(chē)輪踏面的塑性變形、踏面制動(dòng)、牽引控制和輪周材料非均勻性、轉(zhuǎn)向架特性等.

從1994年以來(lái)，車(chē)輪多邊形磨耗的數(shù)值模擬研究越來(lái)越得到關(guān)注:Soua和Pascal［56］采用機(jī)車(chē)模型，研究了1、2和4階OOR的發(fā)展，認(rèn)為輪軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)與輪對(duì)的橫向運(yùn)動(dòng)相結(jié)合是OOR生成與磨損發(fā)展的原因;Vohla等［57-58］發(fā)現(xiàn)車(chē)輪特征模態(tài)中的節(jié)點(diǎn)直徑數(shù)目與磨損車(chē)輪的某些周期性非圓化是一致的，但是高節(jié)點(diǎn)直徑數(shù)模態(tài)頻率相當(dāng)高，這和車(chē)輪多邊形激振頻率是不相符的;Frischmuth和Langemann［59-60］提出了唯象方法來(lái)替代直接方法求解耦合模型方程，公式化了接觸表面曲線與材料磨損速率之間的關(guān)系，同時(shí)指出了車(chē)輪長(zhǎng)效磨損行為未完全清楚，如某些物理性質(zhì):材料硬度、微裂紋密度和表面的粗糙度都可能是磨損的影響因素.陳光雄等［61］運(yùn)用ABAQUS建立輪軌相互作用的有限元模型，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在低于150 Hz頻段內(nèi)，車(chē)輪和鋼軌之間會(huì)發(fā)生橫向黏-滑彈性振動(dòng)，這可能是導(dǎo)致車(chē)輪多邊形磨耗產(chǎn)生的重要原因，通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)能壵碇螐椈蓜偠然蛘呖刂戚嗆壞Σ烈驍?shù)可以抑制車(chē)輪多邊形磨損.

4 列車(chē)車(chē)輪多邊形磨耗機(jī)理試驗(yàn)研究

通過(guò)數(shù)值模擬可以有效地預(yù)測(cè)車(chē)輪非圓化磨耗的發(fā)展規(guī)律，但受到計(jì)算能力和理論模型的限制，對(duì)于部分車(chē)輪多邊形磨耗形成機(jī)理的解釋還不夠充分，需結(jié)合試驗(yàn)手段進(jìn)行分析.在斯德哥爾摩地鐵中檢測(cè)到初始OOR譜中明顯存在3階諧波.Rode等［13］通過(guò)進(jìn)行大量的試驗(yàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此3階諧波源于制造或維修過(guò)程中機(jī)械工裝的固定方式.固定車(chē)輪時(shí)，一般選擇輪緣內(nèi)部等距的3個(gè)點(diǎn)固定，在夾具作用點(diǎn)處輪緣易產(chǎn)生彈性變形，卸載之后輪緣將恢復(fù)形狀，但在輪周3個(gè)固定點(diǎn)處形成了微小的初始不圓順，并在隨后的運(yùn)行過(guò)程中不斷發(fā)展，形成顯著的3階車(chē)輪多邊形.我國(guó)廣州地鐵車(chē)輛在運(yùn)行1段時(shí)間后普遍存在8～9邊形磨損的現(xiàn)象，為查明8～9階車(chē)輪多邊形磨耗可能的產(chǎn)生原因，金學(xué)松等［62-64］對(duì)車(chē)輛和軌道系統(tǒng)進(jìn)行了全面的試驗(yàn)調(diào)查與仿真研究，內(nèi)容包括:車(chē)輪表面狀態(tài)跟蹤調(diào)查、車(chē)輛軌道系統(tǒng)關(guān)鍵部件特性調(diào)查和輪對(duì)模態(tài)特性仿真分析.通過(guò)測(cè)試和計(jì)算發(fā)現(xiàn)，輪對(duì)的1階彎曲共振頻率和9階車(chē)輪多邊形磨耗激振頻率接近，初步認(rèn)為輪對(duì)1階彎曲共振是導(dǎo)致車(chē)輪發(fā)生9邊磨損的主要原因.如圖8所示，車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，輪對(duì)的1階彎曲共振導(dǎo)致輪對(duì)在垂向平面發(fā)生彎曲變形，輪對(duì)1階彎曲振動(dòng)引起輪軌接觸區(qū)車(chē)輪相對(duì)鋼軌橫向滑動(dòng)，由于輪對(duì)1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.輪軌間橫向蠕滑率變化周期與輪軌彎曲共振周期相同，會(huì)引起輪軌間橫向蠕滑力的周期性變化.在車(chē)輪長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程，輪軌間橫向蠕滑力的周期性變化導(dǎo)致車(chē)輪9邊形磨損過(guò)程逐漸形成.

為驗(yàn)證此結(jié)論，對(duì)車(chē)輛輪對(duì)進(jìn)行了輪軸加粗改造來(lái)改變輪對(duì)1階彎曲共振頻率，并進(jìn)行后續(xù)的跟蹤試驗(yàn).結(jié)果表明，輪軸加粗后輪對(duì)的1階彎曲共振頻率增大，錯(cuò)開(kāi)9階車(chē)輪多邊形激振頻率，8～9階車(chē)輪多邊形磨損現(xiàn)象減緩和消除.

由于輪軌主要承受垂向動(dòng)載荷，其彎曲變形應(yīng)該以垂向?yàn)橹?，但輪?duì)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)會(huì)使輪對(duì)彎曲振動(dòng)頻率分解成兩個(gè)振動(dòng)頻率(多普勒效應(yīng))，這兩個(gè)對(duì)車(chē)輪多邊形形成會(huì)有影響嗎?這是一個(gè)疑難問(wèn)題，上述研究未考慮輪對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響.

我國(guó)高速列車(chē)車(chē)輪普遍存在高階車(chē)輪多邊形磨耗現(xiàn)象，圖9為車(chē)輪多邊形磨耗后的照片，圖10為全列車(chē)車(chē)輪圓周不均勻磨耗譜圖，峰值主要分布在1階(幾何偏心磨耗)、14階和23階附近.

車(chē)輪22～24階多邊形磨耗會(huì)在250 km/h試驗(yàn)速度條件下，誘發(fā)輪軌之間560～610 Hz的高頻振動(dòng)沖擊，高頻振動(dòng)沖擊傳遞至轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)，使得輪對(duì)和構(gòu)架模態(tài)重合，發(fā)生耦合共振，加劇軸箱端部振動(dòng)，可能引發(fā)螺栓等零部件疲勞失效，使得軸箱端蓋發(fā)生脫落.為弄清22～24階車(chē)輪多邊形磨耗機(jī)理，筆者團(tuán)隊(duì)從2014年7月開(kāi)始，對(duì)某動(dòng)車(chē)組車(chē)輛開(kāi)展了系統(tǒng)全面的科學(xué)研究試驗(yàn)，具體試驗(yàn)和分析內(nèi)容包括:動(dòng)車(chē)組車(chē)輪磨耗狀態(tài)跟蹤測(cè)試及分析、軌道動(dòng)態(tài)測(cè)試及分析、動(dòng)車(chē)組關(guān)鍵部位振動(dòng)跟蹤測(cè)試及分析、動(dòng)車(chē)組車(chē)內(nèi)噪聲跟蹤測(cè)試及分析.測(cè)試分為3個(gè)階段，分別在3個(gè)不同高速列車(chē)線路上進(jìn)行，第1試驗(yàn)階段的列車(chē)運(yùn)行速度為250 km/h，第 2試驗(yàn)階段列車(chē)運(yùn)行速度為200 km/h，第3試驗(yàn)階段列車(chē)處于載客運(yùn)營(yíng)階段，列車(chē)變速運(yùn)行比例高，列車(chē)最高運(yùn)行速度為250 km/h.

列車(chē)經(jīng)過(guò)鏇修后，進(jìn)行第1階段現(xiàn)場(chǎng)跟蹤試驗(yàn)，以250 km/h的速度恒速往返運(yùn)營(yíng)，往返里程540 km，中間不停車(chē)，不變速，總共進(jìn)行了3.4萬(wàn)km的運(yùn)行試驗(yàn)，在此階段車(chē)輪多邊形發(fā)展速率較快.列車(chē)調(diào)至另一條高速線上進(jìn)行第2階段試驗(yàn)，車(chē)速降低至200 km/h，在此階段，大部分車(chē)輪多邊形停止了發(fā)展并逐漸消失.總的來(lái)說(shuō)整個(gè)試驗(yàn)列車(chē)車(chē)輪的磨耗處于正常發(fā)展?fàn)顟B(tài).在結(jié)束了第1、第2階段運(yùn)行試驗(yàn)后，對(duì)列車(chē)車(chē)輪進(jìn)行鏇修，并調(diào)至新的高速線路開(kāi)始載客運(yùn)營(yíng)，由于經(jīng)過(guò)多個(gè)中間站，需要上下客，列車(chē)每天的往返運(yùn)營(yíng)期間主要進(jìn)行加減速運(yùn)行，如圖11所示.

圖9 車(chē)輪多邊形磨耗照片F(xiàn)ig.9 Wheel with polygonal wear

圖10 車(chē)輪多邊形測(cè)試結(jié)果(鏇修前)Fig.10 Measurements of the out-of-roundness wear of wheelsets(before reprofiling)

在第3階段12.7萬(wàn)km運(yùn)營(yíng)里程內(nèi)，車(chē)輪磨耗狀態(tài)良好，車(chē)輪22～23階多邊形磨耗沒(méi)有明顯的發(fā)展，整車(chē)車(chē)輪圓度測(cè)試結(jié)果如圖12所示，顯然，在高階位置沒(méi)有明顯的峰值，也即沒(méi)有明顯的高階多邊形.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示了當(dāng)列車(chē)進(jìn)行變速運(yùn)行時(shí)，將會(huì)改變車(chē)輪周期磨耗特征，即多邊形磨耗的波長(zhǎng)不斷改變，使車(chē)輪圓周踏面周期性磨耗累積和非周期磨耗的累積相互影響和抵消，會(huì)顯著地減小車(chē)輪多邊形磨耗的發(fā)展速度.

圖11 列車(chē)運(yùn)行速度圖Fig.11 Map of train operation speeds

圖12 車(chē)輪磨耗測(cè)試結(jié)果(第3階段試驗(yàn))Fig.12 Measurements of the out-of-roundness wear of wheelsets(third-stage test)

5 車(chē)輪非圓化磨耗檢測(cè)技術(shù)

自20世紀(jì)70年代起，德國(guó)、美國(guó)、日本和俄羅斯等國(guó)［65-66］相繼開(kāi)展了車(chē)輪非圓化磨耗檢測(cè)技術(shù)的研究.車(chē)輪非圓化磨耗檢測(cè)技術(shù)主要分為直接檢測(cè)和間接檢測(cè).

對(duì)于直接檢測(cè)，我國(guó)常采用機(jī)械接觸的方法，沈鋼和洪燎等［67-68］針對(duì)機(jī)械接觸方法進(jìn)行了大量的研究并開(kāi)發(fā)了便攜式車(chē)輪多邊形磨耗測(cè)試裝置.裝置主要由測(cè)量機(jī)構(gòu)和便攜式計(jì)算機(jī)組成，系統(tǒng)框圖如圖13所示.

測(cè)量時(shí)通過(guò)基準(zhǔn)靠板將滾輪定位在一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢?，扭簧通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)臂能將滾輪壓緊在車(chē)輪上.當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，緊靠在其上的滾輪也會(huì)隨之滾動(dòng)，帶動(dòng)編碼器1旋轉(zhuǎn)，這樣可以通過(guò)編碼器轉(zhuǎn)角值和滾輪的直徑計(jì)算出車(chē)輪直徑，由于車(chē)輪不圓度的存在，其轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)引起測(cè)量轉(zhuǎn)臂的跳動(dòng).這種跳動(dòng)表現(xiàn)為編碼器2的轉(zhuǎn)角值的變化，可以通過(guò)編碼器的轉(zhuǎn)角值和測(cè)量轉(zhuǎn)臂的長(zhǎng)度計(jì)算出車(chē)輪的不圓度.

圖13 便攜式車(chē)輪多邊形磨耗測(cè)試裝置系統(tǒng)框圖Fig.13 Portable measuring device for wheel rolling circle

除了機(jī)械接觸法，車(chē)輪非圓化磨耗直接檢測(cè)技術(shù)還有車(chē)輪瞬間騰空法、光電測(cè)量法［69-70］等.直接檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)在于可操作性較強(qiáng)，測(cè)試精度較高，但測(cè)試時(shí)，需要列車(chē)處于靜止或者低速狀態(tài)，檢測(cè)效率較低，無(wú)法實(shí)時(shí)在線測(cè)試.

對(duì)于間接測(cè)量方法，主要通過(guò)監(jiān)控車(chē)輪非圓化磨耗所引起的輪軌沖擊力和車(chē)輛/軌道系統(tǒng)振動(dòng)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)間接檢測(cè)車(chē)輪非圓化磨耗.Zakharov等［71］通過(guò)測(cè)試非圓化車(chē)輪與軌道動(dòng)態(tài)接觸時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度來(lái)監(jiān)控車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)和車(chē)輪磨耗狀態(tài).Waubke等［72］將應(yīng)變片粘貼在鋼軌或車(chē)輪輻板上，輸出電壓經(jīng)主處理器處理后得到?jīng)_擊力的大小.通過(guò)輪軌沖擊力來(lái)監(jiān)控車(chē)輪非圓化磨耗.還有通過(guò)監(jiān)控車(chē)輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的輪軌噪聲來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輪非圓化磨耗的檢測(cè).

6 研究展望

列車(chē)車(chē)輪非圓磨損問(wèn)題是鐵路運(yùn)營(yíng)業(yè)存在的普遍現(xiàn)象.任何新的車(chē)輪或鏇修后的車(chē)輪，或多或少存在質(zhì)量中心偏心和圓度幾何偏心問(wèn)題，這些問(wèn)題與軌道不平順(焊接接頭不平順、波浪形磨損、擦傷等)的聯(lián)合作用，又會(huì)加劇輪軌之間的沖擊振動(dòng)，加速車(chē)輪非圓化磨耗發(fā)展.因此，目前的有效方法就是對(duì)非圓化車(chē)輪采取及時(shí)鏇修和對(duì)不平順的鋼軌及時(shí)打磨.

通常，車(chē)輪非圓磨損現(xiàn)象包含了若干個(gè)(3個(gè)以上)不同波長(zhǎng)的不均勻磨損，這種非圓化磨損對(duì)輪軌引起的附加沖擊并不十分嚴(yán)重.但是，如果非圓磨耗以單個(gè)短波長(zhǎng)或一至兩個(gè)波長(zhǎng)磨耗(波長(zhǎng)之間間距較大，如圖10所示)為主，將會(huì)引起輪軌之間嚴(yán)重的沖擊振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致車(chē)輛軌道零部件疲勞傷損，這是鐵路部門(mén)面臨的且急需解決的挑戰(zhàn)性問(wèn)題.

鋼軌波浪形磨損問(wèn)題［73-75］、車(chē)輪多邊形磨耗問(wèn)題已然成為高速鐵路行業(yè)“癌癥”級(jí)別的難題.研究者們提出了很多方法對(duì)其進(jìn)行解釋?zhuān)⑻岢隽讼鄳?yīng)的減緩措施，但是目前為止，研究人員對(duì)車(chē)輪多邊形磨耗問(wèn)題的機(jī)理還未達(dá)成共識(shí)，其主要原因在于該問(wèn)題的研究不僅涉及到多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，而且還與復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)情況有很大關(guān)系.因此，車(chē)輪多邊形磨耗成因理論和抑制措施的研究工作尚待深入，目前應(yīng)該從如下兩個(gè)方面全面深入地開(kāi)展工作.

(1)以單一短波長(zhǎng)為主的車(chē)輪非圓磨損，顯然是車(chē)輛軌道系統(tǒng)共振引起的，也就是列車(chē)速度、被激發(fā)出來(lái)的共振頻率以及車(chē)輪滾動(dòng)圓周長(zhǎng)構(gòu)成整除條件(共振的波長(zhǎng)能夠整除或近似整除車(chē)輪周長(zhǎng)).共振引起不均勻磨損，不均勻磨損的波長(zhǎng)即車(chē)輪多邊形邊長(zhǎng)與共振波長(zhǎng)相同或相近.這里需要分清導(dǎo)致嚴(yán)重多邊形磨損的系統(tǒng)共振是來(lái)自車(chē)輛結(jié)構(gòu)(轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)部分)、軌道結(jié)構(gòu)部分還是它們的耦合?解決此問(wèn)題主要依賴兩個(gè)手段:①現(xiàn)場(chǎng)的緊密跟蹤試驗(yàn)，弄清車(chē)輛、軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性和輪軌接觸表面不均勻特性之間關(guān)系，可以找到輪軌在正常不平順激勵(lì)條件下，系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)首先產(chǎn)生誘發(fā)多邊形磨耗共振.根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，來(lái)自轉(zhuǎn)向架部分含輪對(duì)的可能性更大，但是輪軌不平順仍然是引發(fā)共振從而引起車(chē)輪多邊形磨耗的激勵(lì)源.②借助車(chē)輛軌道高頻剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，模擬車(chē)輪非圓化磨耗的全過(guò)程，難點(diǎn)是車(chē)輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和輪對(duì)、軌道建模中能夠涵蓋車(chē)輪高階多邊形頻率的高頻柔性.

(2)抑制多邊形發(fā)展的措施研究.如下4個(gè)措施值得進(jìn)一步開(kāi)展理論和試驗(yàn)工作:① 努力破壞車(chē)輪單一波長(zhǎng)多邊形磨損形成和累計(jì)發(fā)展的基本條件，其基本條件的3要素分別是行車(chē)速度、輪周長(zhǎng)或輪徑和共振頻率，輪周長(zhǎng)或輪徑是隨運(yùn)營(yíng)里程增加而連續(xù)變小的，控制它不可行.改變軌道結(jié)構(gòu)和車(chē)輛結(jié)構(gòu)來(lái)改變誘發(fā)多邊形發(fā)生發(fā)展共振頻率，也不可行，因?yàn)檐?chē)輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)模態(tài)密集，有很多個(gè)可以滿足車(chē)輪單一短波長(zhǎng)多邊形形成的基本條件，軌道結(jié)構(gòu)形式基本形成，不能改動(dòng)，車(chē)輛軌道結(jié)構(gòu)改變可能帶來(lái)更多的其他問(wèn)題.這3要素能改變的只有運(yùn)營(yíng)速度，在一個(gè)商業(yè)運(yùn)營(yíng)區(qū)間，拉開(kāi)速度范圍，在共振頻率不變的情況下，車(chē)輪圓周上不均勻磨損的波長(zhǎng)反復(fù)改變，就能有效地抑制車(chē)輪單一小波長(zhǎng)磨損速率，就能有效控制車(chē)輪非圓化磨損的發(fā)展.這個(gè)措施也是本文第5小節(jié)試驗(yàn)結(jié)論，需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證，這是工程運(yùn)營(yíng)措施.② 開(kāi)展智能踏面?zhèn)c形器技術(shù)和應(yīng)用研究.踏面?zhèn)c形器本身的功能等同于輪對(duì)圓度鏇修機(jī)床功能，在車(chē)輪運(yùn)營(yíng)過(guò)程在不斷對(duì)車(chē)輪滾動(dòng)圓進(jìn)行摩擦俢形，消除和抑制車(chē)輪以單一短波長(zhǎng)形式的非圓化磨耗的發(fā)展.③ 車(chē)輪鏇修要及時(shí)合理，盡可能通過(guò)鏇修消除車(chē)輪幾何偏心和各階多邊形，因?yàn)檐?chē)輪幾何偏心在車(chē)輪運(yùn)行將會(huì)引起周期性強(qiáng)迫振動(dòng)，這個(gè)強(qiáng)迫振動(dòng)頻率將會(huì)調(diào)諧成倍增大，激發(fā)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)相關(guān)共振，加速車(chē)輪多邊形的發(fā)展.④ 最大程度保持鋼軌平順，抑制輪軌激勵(lì)源的強(qiáng)度.

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