伍安旭 馮 暢 吳 波 徐 昊 左建勇

(1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，213011,常州;2.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院, 201804,上海//第一作者,高級工程師)

隨著我國軌道交通車輛運(yùn)行速度的迅速提高，輪軌間的相互作用逐漸增強(qiáng)，車輪多邊形現(xiàn)象日益凸顯。車輪多邊形將會引起輪軌間強(qiáng)烈的沖擊，不僅影響車輛的乘坐舒適度，也會加劇車輛和軌道零部件的損傷，降低其使用壽命，嚴(yán)重的甚至威脅到車輛運(yùn)行安全。

目前，車輪多邊形的誘發(fā)原因尚沒有明確的結(jié)論。國內(nèi)外眾多學(xué)者大多從現(xiàn)車運(yùn)用跟蹤、仿真試驗(yàn)等方向切入，尋找車輛多邊形的發(fā)生機(jī)理和形態(tài)。文獻(xiàn)[1-2]對車輪多邊形現(xiàn)象的產(chǎn)生進(jìn)行了充分研究。文獻(xiàn)[3-5]深入分析了車輪多邊形對車輛以及線路的影響。文獻(xiàn)[6]通過仿真手段建立了由輪對-鋼軌-軌枕彈簧組成的系統(tǒng)有限元彈性振動(dòng)模型，并通過該模型對鐵路車輪多邊形形成機(jī)理進(jìn)行研究。

對于多邊形車輪,只有采用鏇修的方式恢復(fù)車輪狀態(tài)，而受限于車輛鏇修手段和車輪多邊形的發(fā)展速率，鏇修并不能完全抑制車輪多邊形的發(fā)展。所以，迫切需要尋找一種高效、可靠、響應(yīng)快速的車輪多邊形抑制措施，以有效抑制車輪多邊形的形成和發(fā)展，維護(hù)車輪踏面狀態(tài),延長車輪鏇修周期。

本文在總結(jié)我國軌道交通車輛研磨子運(yùn)用效果的基礎(chǔ)上，提出基于研磨子的車輪多邊形抑制措施，并在運(yùn)營線路中開展了運(yùn)用效果跟蹤試驗(yàn)。

1 研磨子運(yùn)用概況

為增加雨、雪天氣下的輪軌黏著力,改善車輪踏面周向不圓順及滾動(dòng)接觸疲勞，我國部分地鐵車輛的每個(gè)車輪上均配置了踏面清掃裝置和研磨子。同時(shí)，為適應(yīng)不同線路、不同車輛的車輪狀態(tài)，可通過調(diào)節(jié)研磨子裝置的動(dòng)作時(shí)機(jī)和動(dòng)作模式，精確控制研磨子與車輪的摩擦作用，從而改善研磨子的運(yùn)用效果，實(shí)現(xiàn)對車輪狀態(tài)的適應(yīng)性修復(fù)。

我國地鐵車輛上的研磨子可在以下4種情況時(shí)動(dòng)作：①車輛開始制動(dòng)到一定速度內(nèi)時(shí)；②檢測到車輛較長時(shí)間處于高速勻速時(shí)；③檢測到車輛打滑、空轉(zhuǎn)時(shí)；④通過駕駛室的手動(dòng)按鈕觸發(fā)施加。當(dāng)施加研磨子時(shí)，根據(jù)研磨子與車輪的匹配程度，可選用持續(xù)施加或間歇施加兩種動(dòng)作模式。

跟蹤國內(nèi)裝載有TM型踏面清掃裝置的某A型地鐵車輛，其配置的研磨子性能偏重清掃車輪踏面和穩(wěn)定輪軌黏著系數(shù)，車輛踏面清掃裝置的動(dòng)作時(shí)機(jī)和模式為制動(dòng)時(shí)間歇施加。圖1所示為采用接觸式車輪測量儀測量鏇后16萬km時(shí)的車輪不圓度和廓形狀態(tài)。由圖1可見，經(jīng)研磨子的實(shí)時(shí)摩擦作用，車輪未見明顯多邊形現(xiàn)象，踏面磨耗為1.33 mm。

a) 車輪不圓度 b) 車輪廓形

2 研磨子修形基本原理

圖2所示為研磨子作用于車輪踏面示意圖，修形研磨子裝置通過特殊的減振擺動(dòng)機(jī)構(gòu)達(dá)到與車輪踏面的匹配摩擦，實(shí)現(xiàn)對車輪踏面的均勻磨損。同時(shí)，研磨子摩擦面寬度完全覆蓋車輪踏面的磨損凹坑，因此，合理控制研磨子裝置的使用方式，可有效消除踏面凹坑磨損。

圖2 研磨子作用車輪踏面示意圖

研磨子裝置通過踏面清掃裝置的氣缸帶動(dòng)向前推進(jìn)，從而以一定的正壓力壓附車輪踏面。研磨子主要由酚醛樹脂、增強(qiáng)纖維及摩擦材料壓制燒結(jié)而成。研磨子實(shí)時(shí)對車輪踏面進(jìn)行摩擦，高效清理車輪踏面的異物和微小裂紋，修整車輪踏面形狀。同時(shí)，研磨子中硬質(zhì)顆粒會粘附于車輪踏面，隨著車輪旋轉(zhuǎn)嵌入車輪踏面表面波谷，穩(wěn)定水介質(zhì)下輪軌間的黏著系數(shù)。

基于摩擦學(xué)和車輛動(dòng)力學(xué)，本文提出以下6點(diǎn)修形研磨子的運(yùn)用效果評價(jià)和要求：①干燥、撒介質(zhì)工況下研磨子不會損傷車輪踏面；②研磨子可有效消除車輪已有的高階多邊形；③研磨子可有效抑制車輪高階多邊形的產(chǎn)生和發(fā)展；④研磨子對車輪踏面的磨削率應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)；⑤研磨子不會對車輪踏面廓形產(chǎn)生不利影響；⑥研磨子使用壽命應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 研磨子參數(shù)影響規(guī)律與試驗(yàn)

在國內(nèi)的1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺上開展了一系列試驗(yàn)驗(yàn)證。分別模擬了車輛恒速運(yùn)行、制動(dòng)時(shí)的工況，通過研磨子和車輪狀態(tài)的變化趨勢驗(yàn)證研磨子的運(yùn)用效果，并量化車輪多邊形、踏面磨耗等數(shù)據(jù),用于綜合評價(jià)研磨子的修形性能。

3.1 研磨子的匹配性能

研磨子應(yīng)與車輪材質(zhì)匹配，使得摩擦?xí)r不會損傷車輪踏面。通過在車輪和研磨子間噴射不同介質(zhì)，改變不同的作用壓力(模擬現(xiàn)車中的惡劣工況)進(jìn)行摩擦匹配驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 研磨子匹配性能試驗(yàn)裝置

在有無介質(zhì)條件，以及不同的使用壓力、持續(xù)作用動(dòng)作模式下，修形研磨子與車輪踏面匹配性能良好，均無金屬鑲嵌物產(chǎn)生。

3.2 研磨子的修形效果

選取現(xiàn)車運(yùn)用過程中自然形成較為規(guī)則的多邊形車輪(代號為W1和W2)作為修形試驗(yàn)的初始對比。采用接觸式測量儀對車輪不圓度進(jìn)行測量，車輪多邊形狀態(tài)如圖4所示?？梢钥闯?初始車輪存在明顯的周期性高階多邊形。

a) 車輪W1

b) 車輪W2

試驗(yàn)中模擬了兩種不同的車輛工況，研磨子動(dòng)作模式均設(shè)置為間歇施加。工況條件見表1。

表1 研磨子試驗(yàn)工況條件

為量化評價(jià)車輪多邊形的變化情況，將車輪踏面粗糙度級Lr,k定義如下：

(1)

式中:

rk2——車輪踏面粗糙度r(x)的均方值,在1/3倍頻程k中進(jìn)行量化;

為量化評價(jià)研磨子作用里程對車輪多邊形的消除效果，按實(shí)際車輛的制動(dòng)次數(shù)折算研磨子的等效現(xiàn)車運(yùn)行里程。

車輪恒速拖磨工況下不圓度測試結(jié)果如圖5所示。由圖可知：隨著研磨子對車輪的摩擦作用，車輪19階多邊形初始粗糙度等級為21 dB；當(dāng)車輪等效現(xiàn)車運(yùn)行里程達(dá)到1萬km時(shí)，粗糙度等級降到0以內(nèi)；當(dāng)?shù)刃КF(xiàn)車運(yùn)行里程達(dá)到2萬km時(shí)，粗糙度等級仍低于0。

圖5 W1車輪不圓度測量結(jié)果

車輪制動(dòng)拖磨工況下不圓度測試結(jié)果如圖6所示。由圖可知：車輪19階多邊形初始粗糙度等級為26 dB；當(dāng)車輪等效現(xiàn)車運(yùn)行里程達(dá)到5.5萬km時(shí)，粗糙度等級降到0以內(nèi)；當(dāng)?shù)刃КF(xiàn)車運(yùn)行里程達(dá)到8萬km時(shí)，粗糙度等級仍低于0。

圖6 W2車輪不圓度測量結(jié)果

當(dāng)車輪粗糙度等級約降到0時(shí)，在恒速拖磨工況下,其平均降低速率約為20.00 dB/(萬km)；在制動(dòng)拖磨工況下,其平均降低速率約為4.76 dB/(萬km)。因此，恒速拖磨工況下研磨子消除車輪多邊形的效果明顯大于制動(dòng)拖磨工況下。

3.3 研磨子對車輪踏面磨耗的影響

使用接觸式車輪廓形測量儀捕捉車輪踏面廓形變化，并計(jì)算名義滾動(dòng)圓處車輪踏面的磨耗量如圖7所示。由圖可知，因研磨子的摩擦作用，等效車輛運(yùn)行里程為10萬km時(shí)，恒速拖磨工況下車輪踏面磨耗為0.15 mm，制動(dòng)工況下車輪踏面磨耗為0.1 mm。進(jìn)而推斷當(dāng)車輪高階多邊形幅值在0.2 mm左右時(shí)，通過研磨子對車輪的摩擦作用，可對踏面峰值點(diǎn)產(chǎn)生約0.1 mm/(10萬km)的磨耗，從而改善或抑制車輪高階多邊形的發(fā)展。

圖7 車輪踏面磨耗量

另一方面，可做適當(dāng)推斷：當(dāng)車輛在線路上運(yùn)行時(shí)，存在輪軌間作用力，車輪多邊形幅值增長速度小于0.1 mm/(10萬km)時(shí)，通過制動(dòng)工況施加研磨子作用，仍可抑制車輪多邊形的發(fā)生和擴(kuò)展。

制動(dòng)工況下施加研磨子作用，帶來踏面磨耗的增加量約為0.25 mm。而當(dāng)車輪已出現(xiàn)顯著高階多邊形時(shí)，必須采用機(jī)械鏇修的方式恢復(fù)車輪狀態(tài)，此時(shí)車輪單邊鏇修量每次約在1～4 mm。所以，相比于因車輪高階多邊形帶來的車輪頻繁鏇修，通過配置研磨子反而會減少車輛運(yùn)用維護(hù)的成本,提高車輪材料利用率。

3.4 研磨子對車輪踏面廓形的影響

等效錐度是評價(jià)輪軌接觸幾何狀態(tài)的重要指標(biāo)，而踏面外形的變化會直接導(dǎo)致等效錐度的增大或減少。試驗(yàn)中,基于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌廓形(60 N)，分析計(jì)算制動(dòng)工況下研磨子作用前后車輪踏面廓形的變化情況。等效錐度計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 車輪踏面等效錐度變化量

由圖8可見,制動(dòng)工況下，等效現(xiàn)車運(yùn)行里程約8萬km時(shí)，等效錐度未見明顯增長或降低。修形研磨子可實(shí)現(xiàn)對車輪踏面的均勻磨損，保證車輪踏面初始廓形，改善車輪踏面凹坑磨損。

4 線路運(yùn)用跟蹤

為驗(yàn)證存在輪軌關(guān)系時(shí)研磨子對車輪多邊形的抑制效果，在某車輛上開展了有無配置研磨子的車輪狀態(tài)對比試驗(yàn)。在車輛制動(dòng)時(shí)間歇施加研磨子裝置，至車輛速度為30 km/h時(shí)停止施加。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

經(jīng)線路運(yùn)用考核，研磨子與車輪材質(zhì)、硬度和踏面廓形的匹配性能良好，研磨子磨擦面和車輪踏面均無金屬鑲嵌物產(chǎn)生。

鏇后20萬km，測量車輪高階(17～22階)不圓幅值，結(jié)果如圖10及圖11所示。

由圖10及圖11可以看出，通過配置研磨子，在車輛制動(dòng)時(shí)實(shí)時(shí)對車輪踏面進(jìn)行摩擦作用，20萬km后車輪的高階不圓幅值被控制在-12.0～7.2 dB。而未配置研磨子的車輪高階不圓幅值較高，多數(shù)車輪高階不圓幅值高于7 dB。其中，1-3R位車輪高階不圓幅值達(dá)28 dB。車輪高階不圓幅值會隨著車輛運(yùn)行里程的增加而增加，如果不及時(shí)鏇修，極有可能引發(fā)輪軌間的振動(dòng)沖擊和輻射噪聲，嚴(yán)重時(shí)甚至影響到車輛運(yùn)行安全和乘坐舒適度。

圖10 配置研磨子的車輪高階不圓幅值

圖11 未配置研磨子的車輪高階不圓幅值

5 結(jié)論

(1) 輪軌間存在氧化鋁、硅砂、污泥時(shí)，研磨子與車輪材質(zhì)匹配性能良好；

(2) 在恒速拖磨和制動(dòng)拖磨兩種情況下，研磨子對車輪踏面粗糙度等級的降低速率分別為20.00 dB/(萬km)和4.76 dB/(萬km)；

(3) 研磨子對車輪踏面廓形的影響基本可以忽略，對等效錐度影響較?。?/p>

(4) 線路跟蹤試驗(yàn)表明，配置研磨子對車輪高階不圓幅值的擴(kuò)展抑制效果明顯。