嚴(yán) 皓

(中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司 成都動(dòng)車段，四川 成都 610051)

車輪多邊形是指車輪輪緣內(nèi)側(cè)70 mm處(滾動(dòng)圓)圓周方向的不均衡磨耗。車輪多邊形會(huì)加劇輪軌間的相互作用力，增大噪聲，降低輪軸等部件的疲勞壽命，對(duì)車輛的乘坐舒適性和安全性均有不利影響。近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)車輪多邊形的關(guān)注度逐漸增高，并圍繞車輪多邊形引發(fā)的安全隱患、噪聲、旋修等方面問題開展了相關(guān)研究工作。

本文在車輪多邊形研究的基礎(chǔ)上，對(duì)軸距為2 700 mm的CRH380D型動(dòng)車組輪對(duì)的車輪多邊形現(xiàn)狀、振動(dòng)和噪聲監(jiān)測(cè)進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)措施，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1 車輪多邊形數(shù)據(jù)分析

1.1 高階多邊形概況

由于多邊形車輪與鋼軌的不平順接觸，動(dòng)車組在高速運(yùn)行過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生異常聲響。2018年，中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司成都動(dòng)車段配屬的19組CRH380D型動(dòng)車組中有13組相繼出現(xiàn)57起因車輪多邊形引發(fā)的“嗡嗡聲”故障。為調(diào)查車輪多邊形的情況，對(duì)2018年5月—2019年6月共計(jì)2 134條不落輪車床旋修前后的輪對(duì)的車輪多邊形檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。由于試驗(yàn)測(cè)得2 700 mm軸距轉(zhuǎn)向架在成渝客專CRTSⅠ型雙塊式軌道板上振動(dòng)模態(tài)為530～540 Hz，常規(guī)情況下僅18階多邊形在運(yùn)行過(guò)程中能產(chǎn)生相同頻率振動(dòng)，因此本文重點(diǎn)對(duì)18階多邊形進(jìn)行研究分析，該階多邊形占高階多邊形總數(shù)的27.3%，其中，粗糙度超過(guò)5 dB re 1 μm(現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中視為具有明顯特征)的共有258條輪對(duì)，其中95條輪對(duì)的左右兩側(cè)車輪同時(shí)出現(xiàn)18階多邊形，占比36.8%。

1.2 18階多邊形走行里程

由于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)組織安排的緣故，輪對(duì)距上次旋修后走行18萬(wàn)～25萬(wàn)km不等，因此對(duì)279條輪對(duì)在不同走行里程產(chǎn)生的18階多邊形次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖1。圖1中的藍(lán)框表示18階多邊形粗糙度低于15 dB re 1 μm，黃框表示粗糙度超過(guò)15 dB re 1 μm(現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明此時(shí)車內(nèi)已有明顯的嗡嗡聲)。

圖1中動(dòng)車組輪對(duì)距上次旋修后走行18.5萬(wàn)km開始有批量18階多邊形的出現(xiàn)，走行19萬(wàn)km及以上時(shí)逐漸有18階多邊形的粗糙度已超過(guò)15 dB re 1 μm的情況，多邊形演變程度加劇。因此以25萬(wàn)km作為輪對(duì)旋修的檢修周期無(wú)法對(duì)18階多邊形起到有效管控。

圖1 輪對(duì)距上次旋修后走行里程內(nèi)18階多邊形分布圖

1.3 旋修后多邊形情況

對(duì)332條車床旋修后的車輪多邊形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首輪旋修后有5條車輪低階多邊形粗糙度超過(guò)20 dB re 1 μm，16條高階多邊形粗糙度超過(guò)0(《動(dòng)車組不落輪車床暫行技術(shù)條件》要求旋修后車輪低階多邊形粗糙度峰值≤20 dB re 1 μm、高階多邊形粗糙度≤0)，32條4階多邊形粗糙度超過(guò)10 dB re 1 μm(4階、5階非圓化會(huì)引起非常大的法向力波動(dòng)，并向高階發(fā)展[1])。旋修后，車輪多邊形高低階特征均較為明顯(圖2)。

圖2 旋修后多邊形測(cè)量數(shù)據(jù)

該情況說(shuō)明旋修質(zhì)量管控還需進(jìn)一步增強(qiáng)，首輪旋修不滿足技術(shù)條件的應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次作業(yè)，避免不符合標(biāo)準(zhǔn)的輪對(duì)上線運(yùn)行。

2 振動(dòng)檢測(cè)

為進(jìn)一步查明CRH380D型動(dòng)車組輪對(duì)的車輪多邊形振動(dòng)對(duì)行車安全帶來(lái)的影響，選取了1組具有顯著車輪多邊形的車，在軸箱、構(gòu)架、車體和電動(dòng)機(jī)上安裝了加速度傳感器，分別在200 km/h、300 km/h穩(wěn)定速度級(jí)下進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果及分析如下。

2.1 多邊形頻率計(jì)算

車輪為規(guī)則多邊形的情況下，若車速一定，車輪多邊形階數(shù)越多，則滾動(dòng)1周所形成的頻率越高，激發(fā)的噪聲頻率f(n)也就越高，其計(jì)算公式[2]為：

(1)

式中：v——車速，km/h；

n——車輪多邊形階數(shù)；

d——車輪直徑，mm。

2.2 不圓度檢測(cè)情況

車輪存在明顯的18、19階多邊形，波長(zhǎng)為158 mm，粗糙度幅值約為22 dB re 1 μm(圖3)，根據(jù)車輪直徑及多邊形頻率公式計(jì)算得出，18階多邊形車輪在車速為200 km/h時(shí)對(duì)應(yīng)的共振頻率約為348 Hz，車速為300 km/h時(shí)對(duì)應(yīng)的共振頻率約為525 Hz。

圖3 CRH380D-1571號(hào)動(dòng)車組01車1軸左輪車輪多邊形情況

2.3 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

對(duì)采集的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換處理后，結(jié)果如圖4～圖7所示。結(jié)合加速度與頻譜特征進(jìn)行分析(限于篇幅，僅對(duì)軸箱及構(gòu)架進(jìn)行分析)，結(jié)果如下：

圖4 200 km/h軸箱垂向振動(dòng)加速度及頻譜分析

圖5 200 km/h構(gòu)架垂向振動(dòng)加速度及頻譜分析

圖6 300 km/h軸箱垂向振動(dòng)加速度及頻譜分析

圖7 300 km/h構(gòu)架垂向振動(dòng)加速度及頻譜分析

(1) 車速為200 km/h時(shí)，軸箱垂向振動(dòng)18階多邊形特征明顯，加速度部分時(shí)刻超過(guò)了20g，而構(gòu)架垂向振動(dòng)18階多邊形特征不明顯，說(shuō)明在當(dāng)前速度等級(jí)下，一系垂向減振器及定位轉(zhuǎn)臂裝置起到了較好的隔振效果。

(2) 車速為300 km/h時(shí)，軸箱及構(gòu)架垂向振動(dòng)18階多邊形特征明顯，尤其是構(gòu)架出現(xiàn)了明顯的共振現(xiàn)象，說(shuō)明此時(shí)多邊形對(duì)軸箱、構(gòu)架均產(chǎn)生了較強(qiáng)的振動(dòng)能量，容易造成行車安全隱患。

3 多邊形噪聲識(shí)別

由于缺乏持續(xù)的跟蹤檢測(cè)手段，目前各運(yùn)用站段主要依賴于噪聲對(duì)車輪多邊形進(jìn)行初步判斷，但噪聲識(shí)別對(duì)監(jiān)聽者的自身聽力及經(jīng)驗(yàn)要求較高，容易出現(xiàn)錯(cuò)判漏判。為此本文提出了“聲音信號(hào)的峰值能量頻譜”對(duì)噪聲進(jìn)行特征識(shí)別的方式，并經(jīng)過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

圖8為CRH380D-1547號(hào)動(dòng)車組05車1軸右輪于2018年5月產(chǎn)生“嗡嗡聲”的錄音文件峰值能量頻譜，圖8中有一條持續(xù)、介于 518～527 Hz 且能量值明顯高于其他頻率范圍的譜線，該譜線與周邊分界清晰、無(wú)重疊。為驗(yàn)證該譜線是否與高階車輪多邊形產(chǎn)生“嗡嗡聲”的機(jī)理吻合，查詢最近一次車輪檢測(cè)直徑大約為 902.8 mm，車組錄音時(shí)運(yùn)行速度為296～300 km/h，代入多邊形頻率計(jì)算公式，得出頻率范圍為521～528 Hz，與音頻文件分析得出的518～527 Hz范圍基本吻合。為驗(yàn)證此方法的準(zhǔn)確性，在旋修前測(cè)量了該輪對(duì)的外形尺寸，1軸左右車輪分別存在粗糙度為13.81 dB re 1 μm和16.52 dB re 1 μm的18階多邊形。

圖8 錄音文件峰值能量頻譜圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性，選取了5臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)較好的轉(zhuǎn)向架(四級(jí)修回段動(dòng)車組且輪對(duì)外形尺寸較理想)進(jìn)行了聲音測(cè)試，其中一條輪對(duì)的峰值能量頻譜圖如圖9所示。圖9中不存在連續(xù)、邊界清晰、與計(jì)算結(jié)果吻合的譜線，從而可以判斷出該輪對(duì)的車輪不存在多邊形的情況。

圖9 正常輪對(duì)峰值能量頻譜圖

4 結(jié)束語(yǔ)

CRH380D型動(dòng)車組輪對(duì)的車輪普遍存在18階多邊形，對(duì)軸箱及構(gòu)架的垂向振動(dòng)效應(yīng)明顯。隨著輪對(duì)不斷磨耗,輪徑值逐漸減小,踏面硬度逐漸降低、踏面塑性變形速度逐漸加快[3]，車輪多邊形形勢(shì)不容樂觀。為此，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出以下優(yōu)化建議措施：

(1) 深化噪聲監(jiān)測(cè)分析。一是將部分“嗡嗡聲”故障作為典型案例對(duì)隨機(jī)機(jī)械師進(jìn)行培訓(xùn)，提高其敏銳度；二是在現(xiàn)有噪聲分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究噪聲值、能量值與多邊形粗糙度幅值的關(guān)系，將噪聲分析作為判斷故障有無(wú)及故障嚴(yán)重程度的工具。

(2) 合理優(yōu)化旋修工作。一是適當(dāng)提高嚴(yán)重多邊形車輪的旋修量，深度恢復(fù)踏面至原型狀態(tài)；二是開展多邊形旋修安全閾值及旋修周期調(diào)研，找到故障率與經(jīng)濟(jì)效益的平衡點(diǎn)；三是做好旋修后輪對(duì)外形參數(shù)(如多邊形、等效錐度、徑跳量)卡控，避免出現(xiàn)超標(biāo)或外形恢復(fù)效果不理想的狀況。

(3) 加強(qiáng)多邊形測(cè)量與跟蹤。開發(fā)地面通過(guò)式多邊形檢測(cè)設(shè)施，結(jié)合每日車組入庫(kù)時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)多邊形演變的過(guò)程測(cè)量及跟蹤，充分掌握輪對(duì)在不同線路、不同牽引/制動(dòng)工況、有/無(wú)踏面清掃裝置動(dòng)作等情況下多邊形演變的規(guī)律及趨勢(shì)。