动车组轮对多边形危害及预防措施分析

宋相威

摘要：CRH3型動车组是我国高速铁路客车的主要车型，自2015年CRH3型动车组发生多起车轮多边形引起轴端螺栓松脱折断故障，严重影响动车组的行车安全。本文简述了轮对多边形对动车组行车安全产生的影响，掌握了多边形的形成和发展规律，提出了改进车轮镟修工艺、噪声监控、提高车轮硬度、增加踏面修形器等抑制车轮多边形的措施。

关键词：动车组;多边形;轮对

一、车轮多边形概念及危害

车轮多边形是指车轮沿圆周方向存在规则的波浪形状的磨耗，是车轮失圆的一种形式。车轮沿圆周方向极坐标图可反映车轮的多边形状态，1、2、3和4阶不圆分别表现为偏心、椭圆、三角形和四边形，依次类推为高阶多边形。

二、多边形发生频次的数据统计

1、噪音监控原理，及噪声与多边形的关系

高速铁路噪声主要有轮轨噪声、气动噪声、集电系统噪声、车体钢结构振动噪声等部分组成，当列车运行速度达到300km/h时，轮轨激烈及其产生的的噪声起主要作用。轮轨激烈常由钢轨表面粗糙度（波磨、焊接接头和擦伤）、车轮表面粗糙度等因素决定。

车轮多边形与振动、噪声在频域上存在对应关系：镟修前，车内振动、噪声异常的频率与车轮的19、20 阶相对应;车轮镟修后，无多边形，使得之前振动、噪声的主导频率564 Hz、532 Hz 显著降低。多边形显著的车内噪声一定大，噪声大的多边形不一定显著，因此噪声测试可作为初步检测手段，在噪声大的基础上需进一步测试车轮多边形。

2、基于噪音测试判定的多边形故障分布情况

（1）故障和噪声随月份分布情况。2016年1-3月转向架故障和噪声超标车组较少，在4月份开始凸显，5、6月份爆发，7月份仍有增加的趋势。2015年同样是5、6、7月份属于故障的高发期。

（2）故障、噪声与车型的分布情况。转向架故障主要发生在CRH380BL型动车上，CRH380BL累计发生了79起，CRH380CL发生3起，CRH380B/BG/BK发生7起。

（3）故障、噪声与轮对厂家统计结果。转向架故障主要发生在装用BVV车轮的动车组上，共发生83起，其余6起发生在装用智奇车轮的车组上;噪声超80dB的车组大部分也是BVV车轮，累计131列次，智奇15列次，BVV和智奇混装车组13列次。

（4）北京局CRH3动车组多边形故障和噪声情况

故障主要发生在CRH380BL型动车组上：84起故障中77起发生在CRH380BL型车，其余7起发生在CRH380B型动车组上。（配属北京局CRH3型动车组77列，35列CRH380BL/CL型车，42列为CRH380B/BG型车）

三、多边形的整治及效果

1、利用踏面修形减少多边形故障及应用效果

（1）结构及控制逻辑介绍

既有CRH3型动车组需对转向架构架及枕梁进行适应性改造，设计新的制动吊座，采用4个M12螺栓安装踏面修形器。CR400BF动车组新造时已全部加装踏面修形器。

研制特殊配方的研磨子，在树脂、橡胶材料中加入刚玉、氧化硅等高莫氏硬度的材料（莫氏硬度为8以上），以达到高效修正车轮踏面的目的并适当延长研磨子使用寿命。

为更好的起到踏面修形功能，在大量试验基础上，采用了如下控制逻辑：（1）手柄常用制动（非EB、UB紧急制动）;（2）速度大于30km/h;（3）轮对无滑行。动作形式：动作20s，缓解10s进行间歇式动作。

2017年2月，配属北京局的CRH380B-5545L动车组结合高级修加装了踏面修形器，中车长客股份对车轮多边形、踏面磨耗和研磨子磨耗等进行跟踪测试，目前已运用考核58万公里，经历了3个镟修周期。

加装踏面修形器的车轮在3个镟修周期均未出现多边形，未加装修形器的车轮在镟修周期内部分车轮出现了显著的多边形。CR400BF动车组均安装了踏面清扫装置（除首列试验车0503），对5列车（5001-5005）的多边形进行了跟踪，5列车镟修里程25万公里，镟后走行15万公里时5列车均无多边形，镟后20万和25万公里时，个别车轮存在多边形，0503有7个车轮存在多边形（无踏面清扫装置）。CR400BF动车组由于运行交路和踏面修形器控制方式原因，导致其研磨子量和车轮磨耗量是5545动车组的四分之一，通过踏面修形器起到的作用有限，还不足以完全抑制车轮多边形

2、采用车轮滚压方式减少多边形及应用效果

通过滚压强化，对表层材料局部加压，使车轮表面发生微小的塑性变形，产生压缩残余应力强化车轮表面，提高车轮的硬度和疲劳强度，以增强车轮的耐磨性。

滚压是在轮对镟修完后进行，将切削刀具更换为滚压轮，按照镟修后的踏面廓形进行滚压，由于滚压是以加工后的实测数据为基准，因此滚压精度高，同时无需为滚压单独进行装夹和测量。

累计跟测试经滚压的车轮232片，其中11片车轮存在显著的多边形，多边形占比为4.7%;测试未滚压的车轮200片，其中21片车轮存在多边形，多边形占比为10.5%。

可见，滚压后的部分车轮仍出现了多边形，但多边形比例要小于未滚压的车轮，因此，滚压可在一定程度上抑制多边形的发展，但无法彻底解决多边形问题。尤其是针对小轮径的车轮，滚压后的硬度只能提升到290-300HB;针对这一问题，江西中机公司同赫根赛特公司进一步优化了滚压参数，车轮硬度能进一步提升到340HB，且缩短滚压时间。

3、改变材质提升车轮硬度

BVV车轮和小轮径的智奇车轮硬度偏低是多边形比例高的原因之一，采用ER8C和Q3R车轮材质，提高车轮硬度可在一定程度上抑制多边形的产生：

BVV公司ER8C材质车轮;经检测分析，BVV公司的ER8C材质车轮在踏面及以下10mm以内存在贝氏体组织，不满足标准要求，运用考核失败，待专家评审后确定后续方案。

新日铁Q3R材质车轮。日本新日铁住金公司研发了整体硬度较欧系车轮提升约20HB的Q3R材质车轮，于2017年6月13日通过了专家评审，目前正在进行CRCC认证相关工作，2018年5月完成认证，并进行装车运用考核。

参考文献：

[1]陈伟，高速列车车轮多变形研究，西南交通大学