车轮多边形对动力学性能影响研究

周义涵

中国铁路郑州局集团有限公司科学技术研究所 河南郑州 450000

摘要：为了研究动车组车轮多边形对车辆系统动力学性能的影响，选取服役的CHR3型车作为研究对象，且车轮存在高阶阶多边形，通过镟修前后车辆的动力学性能的变化，探究300km/h时同一线路上车轮多边形对列车关键部件以及主要动力学指标的影响状况。结果表明：当车轮存在高阶多边形时列车轴箱部位受到的冲击影响比较大，镟修后轴箱振动过大问题明显改善，车轮是否存在多边形对车体的平稳性指标基本无影响。

关键词：车轮多边形；镟修；动力学

Research on The Influence of wheel polygon on Dynamic

(1.East China Jiaotong University, Nanchang 330013 Jiangxi，China;

2.Locomotive &Car Research Institute, China Academy Of Railway Sciences, Beijing 100081，China)

In order to study the influence of the OOR of the EMU on the dynamic performance of the vehicle system, the service CHR3 is chosen as the research object, and the wheel has higher order polygon. Through the change of the dynamic performance of the vehicle before and after repairing, The train at the speed of 300km/h，The influence of the wheel polygon on the key components of the train and the main dynamic parameters. The results show that when the wheel has high-order polygon, the impact of the axle box on the train axle box is relatively large. The problem of excessive rear axle box vibration is obviously improved, and whether the wheel has polygon has no influence on the stability index.

Key words: wheel polygon; repair; dynamics

Dr.B.Morys[1]通过分析短时间内以ICE-1列车为研究对象的车辆轨道耦合模型的动力学性能，轨道为弹性轨道并将半径偏差作为激扰进行不断迭代进而初步得到车轮不圆顺的变化情况。分析结果表明车轮不圆引起的轮轨间相互冲击作用，会减少轨道以及车辆关键部件的使用寿命，进而增加维护成本。车轮不同程度的擦伤、剥离等都会引起车轮不圆进而加剧车轮多边形化，车轮车轮初始不圆顺能导致轮轨法向力增大，使车轮垂向振动不断恶化进而导致轮对车轴的弯曲振动，引起横向滑动引起车轮踏面材料的剥离，导致车轮多边形不断恶化，逐步向高阶多边形发展。陈泽深[2]在车辆-轨道系统动力学研究中将车辆-轨道系统动力学划分为：低频车辆-轨道动力学的频率范围为0~50Hz主要激扰是轨道不平顺；中频车辆-轨道动力学频率范围为50~500Hz，主要激扰是车轮偏心不圆、车轮扁疤及钢轨表面长波波磨；高频车辆-轨道动力学的频率在500Hz以上，主要激扰是轮轨表面短波波磨及其他不规则沟纹等；罗仁[3-5]通过建立车辆-轨道系统动力学和车轮圆周磨耗预测的耦合模型，仿真分析结果表明车轮不圆顺会引起较大的轮轨垂向力，并与车轮不圆顺的谐波阶数、波深和车速密切相关。并指出车轮不圆顺引起的振动频率一般较高，车体平稳性指对其不一定很敏感，但是会增大车体振动响应，影响乘坐舒适性。并且车轮初始不圆顺会随运行距离的增加而加剧不圆顺。轨道激扰不会掩盖车轮不圆度的扩展规律；

由于高速动车组的车轮多边形引起的高频振动对动车组运行性能、安全性的影响越来越显著，需深入研究车轮多边形引起的高频振动对动车组动力学性能的影响[6]。本文将着重以实际测试为依据分析由车轮多边形引起的高频振动对动车组部分关键部件的动力学影响。

试验选某服役的CRH3型车作为试验对象，分别在其轴箱、构架、车体等关键部位加装振动加速度传感器。

1车轮外形统计

下图1为该动车组动车某一个轮对上车轮的多边形统计状况，可以看出镟修前，该轮对有明显的车轮多边形，多边形阶数为18阶。

图1 动力车2轴镟修前后车轮圆周状态测试结果

2车轮多边形对车辆动力学性能的影响

2.1轴箱振动加速度状况

由表1可以看出车轮出现多边形将使得轴箱振动加速度显著增加。车轮存在18阶多边形时，轴箱横向、垂向振动加速度最大值达到184g与289g，而镟修后最大值分别为30g与49g；镟修前轴箱横向、垂向振动平均值为58g与89g，镟修后分别为6g、12g。轴箱垂向振动大于轴箱横向振动。镟修后，轴箱的振动加速度平均值只有镟前的10%~23%，最大值只有16%~28%，振动明显减小。

表1 镟修前后动车轴箱振动加速度统计

下图2 分别是镟修前后轴箱横向加速度的变化情况，可以看到随着速度的增加振动加速度随之增加，当速度达到270km/h以上时加速度增加越来越快；镟修后的振动加速度值明显小于镟修前的。

图2 镟修前后轴箱振动加速度

2.2构架振动加速度状况

依据《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》[7]，在5Hz~10Hz滤波后，构架横向加速度不得连续6次以上超过8m/s2，即不构成转向架失稳。由下图3可以看出镟修前后构架的横向振动加速度最大值分别为3.3m/s2和2.6m/s2均不超过限值，而且两次构架横向加速度值整体比较接近，说明车轮多边形对构架的影响不是很大。

图3 镟修前后构架横向振动加速度散点图

2.3车体平稳性状况

依据《高速动车组整车试验规范》及《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，在5Hz~10 Hz滤波后，平稳性W<2. 5为优、在2. 5~2. 75之间为良、在2. 75~3.0之为合格。由表2可以看出镟修前后车体平稳性最大值均小于2.5，平稳性为优。由图4镟修前后车体平稳性散点图可以看出，镟修前后车体横向和垂向平稳性变化不大，因此车轮多边形对车体平稳性影响不大，镟修后的平稳性略大于镟修前的平稳性是由于刚镟修后的车轮还未达到轮轨最佳匹配状态导致的。

表2 车体平稳性最大值统计

图4 镟修前后车体平稳性散点图

2.4频谱分析

由于车轮存在18阶多边形，动车组以300km/h左右的速度运行时会产生频率约为570Hz左右的振动，图5和图6分别是镟修前后轴箱、构架、车体的频谱图，从图5中可以看出轴箱、构架、车体都存在频率约为550Hz左右的振动，而且还存在1100Hz左右的倍频；轴箱部位存在300Hz的固有频率，而且其2倍频幅值存在明显放大的现象，这样会加大对轴箱部位的损害。图6是镟修后的频谱图，轴箱、构架、车体依然存在不同频率的振动，但幅值已经缩小到镟修前的十分之一左右，有明显的改善。

图5 镟修前轴箱、构架、车体横向加速度频谱图

图6 镟修后轴箱、构架、车体横向加速度频谱图

3结论

本文通过对服役动车组试验测试，通过车轮多边形镟修前后在同一线路测试，得出以下结论：高阶车轮多边形会引起轴箱部位的高频振动，容易使得轴箱部位的螺栓等小部件受到损伤，使得动车组运行存在安全隐患。

1.高阶多边形能够引起较高频率的振动，超出平稳性的频率敏感范围，所以镟修前后车体平稳性指标变化不大。

2.多边形引起的振动频率能够传递到车体，可能会产生该频率的噪声，降低乘客的乘坐舒适性。

3.动车组出现多边形时，动车组不宜运行在270km/h以上的高速区。

参考文献

[1]Dr.B.Morys. Enlargement of out-of-round wheel profiles on the high speed trains [J]. Journal of Sound and Vibration, 1999,227(5)：965-978.

[2]陈泽深.王成国. 车辆—轨道系统高中低频动力学模型的理论特征及其应用范围的研究[J].铁道机车车辆，2004,24（2）:1-6

[3]王忆佳,曾京,罗仁,高浩. 高速列车车轮多边形化对车辆动力学性能的影响[J]. 四川大学学报(工程科学版),2013,03:176-182.

[4]Jie ZHANG,Guang-xu HAN,Xin-biao XIAO,Rui-qian WANG,Yue ZHAO,Xue-song JIN. 高速列车车轮多边形对车内噪声的影响(英文)[J]. Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering),2014,12:1002-1018.

[5]李贵宇. 高阶车轮多边形对车辆动力学性能的影响[J]. 机械工程与自动化,2016,05:42-44.

[6]吴磊,钟硕乔,金学松,李玲. 车轮多边形化对车辆运行安全性能的影响[J]. 交通运输工程学报,2011,03:47-54.

[7]CN-TB.铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准[S]1993.