列车车轮不圆的评定.doc

列车车轮不圆的评定40运用控修文章编号:10027610(2011)03004007列车车轮不圆的评定AndersJohansson(瑞典)摘要:对几种车轮的不圆度进行了测试,并对测试结果进行了比较分析,得出了一些结论.关键词:车轮;不圆;测试;瑞典中图分类号:U270.331.1文献标识码:BAssessmentofOut-of-RonndofTrainWheelsAndersJohansson(Sweden)AbstractjTheout-of-roundofseveralkindsofwheelsistested.Thetestresultsarecomparedandanalyzed.Someconclusionsareobtained.Keywords:wheel;out-ofround;test;Sweden1概述由于对高速城际和市郊列车具有持续增加的需求,铁路运营噪声日益成为了公众烦恼的重要来源.较高速的货车同样也会增加噪声水平.此问题的一个解决方法是噪声墙的安装.但是,此方法花费昂贵,且破坏了乘客或沿线居民对铁路的美好印象.有关可容许噪声水平的严格法规推动着降噪措施的研究.列车运营速度低于250km/h时,整个铁路噪声水平主要来自轮轨相互作用产生的噪声,而空气动力学引起的噪声在此速度范围仅作次要考虑.列车滚动噪声源是一种振动,由车轮踏面和钢轨轨头低幅值起伏(表面粗糙,波状,波磨)的波动引起.另外两种车轮噪声是碰撞噪声(例如由车轮擦伤或车轮通过钢轨接头时形成)和尖叫噪声(由小半径曲线上横向的粘滑激励形成).Thompson和Jones对轮轨噪声的形成进行了建模口.滚动噪声覆盖的频率范围为100Hz5000Hz,其中噪声水平较高的范围在500Hz2500Hz.对频率低于500Hz的噪声,主要由轨枕辐射.但是接近500Hz和1kHz2kHz的噪声,钢轨振动则是其主要来源.刚度大的轨胶垫会扩大频率范围,且轨枕噪声突出.高于1kHz2kHz的噪声,车轮的振动则成为主导根源.Hartung和Vernersson为评定滚动噪声,利用全尺试验台进行了试验研究zJ.考虑合理的精度,文献3,文献E4提出声强等级和总粗糙度水平间存在线性关系.总的粗糙度水平由轮轨粗糙度水平叠加而成.收稿日期:2009-07-23车轮多边形化可引起轮对和轨道部件的严重损伤.其他型式的车轮不平顺是表面及下表面的初始裂纹,都取决于滚动接触疲劳.此类不平顺会引起车轮部分踏面剥落,或裂纹向内扩展而引起车轮的完全失效.Johansson对不同车轮不平顺进行了调查L5,Nielsen等对周期性车轮或钢轨不平顺的起因和适合的对策进行了研究_6,Ekberg和Kabo则主要探讨了疲劳裂纹所引起的损伤7.由于不了解瑞典铁路交通中存在的不同车轮不平顺的典型水平,故实施了此项调查研究.早些时候,Dings和Dittrich曾在荷兰进行了与此相似的一个调查研究.2002年秋,大规模的测试项目在瑞典进行.铁路货车,市郊列车(Regina),客车(X2和城际列车)和地铁车辆的车轮都参与了测试,其中包括踏面制动和盘形制动的车轮.随机选择运营里程超过10万km的车轮,且都在车辆结束运营进入维修阶段时进行测量,其中大多数车轮的维修并非车轮不圆导致总共测试了99个车轮,主要是为了在瑞典当前的铁路交通中获取具有代表性的车轮不圆迹象.选择过程中唯一的要求是最少运营里程达10万km.采用机械接触测量方法来获取测试数据.围绕整个车轮圆周,在踏面名义接触点位置,以及离此位置左右10mm的地方的三个横向位置,进行车轮不平顺的测试L8.所测试的车轮不圆的幅值和波长与相对应的钢轨粗糙度进行了比较,其中钢轨的粗糙度采用Grassie等提出的方法.进行测试.文中还研究了由磨耗和弹性变形所决定的车轮横向外形变化.测试也同样用于车轮踏面硬度的确定.列车车轮不圆的评定AndersJohansson(瑞典)41文中涉及的符号如下:忌倍频程数目(无量纲);L倍频程k内的粗糙度等级(dBre1gm);L.对应车轮数,倍频程k内的粗糙度等级(dBre1/lm);L一同一种车轮倍频程k内的平均粗糙度等级(dBre1m);同一种车轮的数目(无量纲);N一种车轮的数目编号(无量纲);r(z)一一车轮不规则或粗糙的型面(m);表1测试车轮属性汇总rref一一车轮粗糙度的参考值(m);粗糙型面的均方根值(m);注:列车运行速度和轴重都是允许最大值.表1中每一行分析测试数据时都作为一类.名义直径是指新轮直径.对C20的轴重,较小值对应后转向架,较大值对应中间转向架.一个由3辆车组成的C20列车单元总共有4台转向架.?k,mean一种类型的所有车轮倍频程k内粗糙度值的均方根值(m);,对应车轮数,z,倍频程k内均方根值(m);r(a)车轮不圆第0阶且波长为的谐振幅值(m);不平顺第阶谐振的均方根值(m);R.平均车轮半径(m);R()圆周坐标为白变量的车轮半径(m);圆周坐标(m);车轮不圆谐振阶次(无量纲);倍频程k内的中心波长(m);A车轮不圆第0阶谐振波长(m);绕车轮圆周的旋转角(rad).2被测车轮类型描述表1对被测车轮类型进行了汇总.其中,调查了2种货车转向架车轮.Y25型转向架在考虑横向和纵向运动时称作刚性转向架,而G66型转向架则更具弹性.2种类型转向架都只有一系悬挂,无二系悬挂.在货车转向架中,采用所谓的2Bgu踏面制动.即在车轮两相对面,两制动闸瓦压贴于车轮踏面.对于客车转向架车轮,仅用一个制动闸瓦压贴于车轮一侧(即所谓的1Bg踏面制动).除了C20采用合成闸瓦外,其余类型车轮踏面制动都采用铸铁闸瓦.对X2动车和C20轮对,大多数的制动都采用盘形制动或动力制动(利用牵引电机的电制动),需要所谓的踏面清扫器(刷式制动),以保证踏面的清洁并去除一定的不平顺.总共测试了99个车轮,表1所列类型的车轮数目分别为:C20新车轮4个,磨耗车轮(5十15)个;X2动车车轮1O个,X2拖车车轮5个;踏面制动客车车轮6个;盘形制动客车车轮6个;Regina车轮12个;G66货车车轮14个;Y25货车车轮22个.C20磨耗车轮在两个不同时刻进行测量.对C20车轮,在测试之前就已知存在多边形磨耗.因此,选择一定数量的有较大不平顺的列车/轮对进行测试.所有车轮都是满足运行里程1O万km以上条件的.另外,对最近新造车轮的测试主要是为研究初始不平顺.车轮的挑选规则意味,测试最终呈现出的结果并不能完全代表整个C20列车,只是个例.3测试进程采用了3种不同的检测技术分别对车轮不圆度,车轮横向外形和表面硬度进行测试.这3种方法都是利用测量仪器和车轮表面的机械接触而进行的测量,随后进行测试数据分析.3台测试仪均与车轮踏面机械式接触,主要测量车轮半径相对于中间半径的偏移量r()一尺()一R.(图1(a).中间测试仪安装于名义接触点处,即距离车轮轮缘侧面70mm处(图1(b).另外2个测试仪安装于名义接触点两侧10mm处,线l(1号仪器)安42国外铁道车辆第48卷第3期2011年5月装在靠近轮缘一侧.车轮用手加力进行旋转,轮对左右轮相对起始位置旋转近似2周.相对于名义滚动圆半径的偏差由测试仪进行记录并存储于便携式电脑中<图2).测试采样间隔为0.5FI1ITI,幅值分辨率为0.06肚8j.测试设备见图2.测量时需要将轮对悬空,不受制动约束,以保证轮对自由旋转.厂f,J.,/,-,线2:名义接触点位置Il线3:名义接触点r,i位置右侧10mm位置左侧1接触0(a)车轮及测试变量图(b)车轮踏面上不圆度测试仪安装位置图l测试变量及不圆度测试仪的安装位置图2Regina动车轮对上的车轮不圆度测试采用MiniProf仪器对车轮横向外形进行测试,采用EquoTip(EQUO,EnergyQUOtient)仪器对硬度进行测试.对所有车轮,横向外形和硬度的测试位置都与车轮不圆度的圆周测试起点相同.对所选取的C20车轮,还绕车轮圆周布点进行测试,所选位置在车轮不圆度最大和最小位置.硬度测试点与车轮不圆度的测试点一致.对每个测量位置的硬度,都是测试3次(稍微不同处),并计算平均值以得出更准确的统计值.4车轮不圆测试数据分析以下介绍测试数据的分析方法.车轮不圆主要是利用LabView编制的DS软件进行分析,此结果与Chalmers对同样原始数据进行Matlab计算后的结果相似.分析车轮不圆度可以获得粗糙度水平和车轮不圆的谐波阶次.4.1粗糙度等级所有测量中粗糙度或不平顺r()m都可用圆周坐标-zm的函数表示(见图1(a).粗糙度水平L定义如下:L一10log1.:/rdBre1m(1)式(1)中:m是外型粗糙度r(z)m的均方值,在倍频程k中进行量化,频带中心波长为:一0.0110.m,k:一10,一9,14,15(无量纲)(2)不同波长的幅值是由离散傅里叶变换所决定的.在每个倍频程中,将所得的窄带频谱幅值的平方再求和,并且乘以因子即可得均方值m.窗口技术(Tukey,余弦渐减矩形窗口)与一定量的多重离散傅里叶变换(DFT)都一起运用于同一信号处理.采用一种算法将原始数据中毛刺剔除,此法与Dings和VailLier采用的方法类似口.通过粗糙度等级的定义,10ffm粗糙度的有效幅值(均方根值)对应20dB的粗糙度等级,而1m的粗糙度幅值则对应0dB等级.4.2车轮不圆谐波阶次等级为了获得车轮不圆不同谐波阶次01,2,3,(无量纲)下的不平顺贡献量,采用了离散傅里叶变换将测试信号的长度选定为车轮转动一周的量,主要是为了提供与车轮不圆阶数相对应的波长=27【R./m.其中R.Em是从车轮不圆测试中获得的平均车轮半径.阶次分析的结果将以有效值形式给出,如一;()/Wm,其中是离散傅里叶变换所获得的幅值.对测试过程以及测试数据分析更加详细的描述见文献11.5结果和讨论此节将调研中不同类型车轮的分析结果都进行了说明.5.1车轮不圆度车轮不圆度的测量结果将以原始数据,谐波振动阶次(不平顺)水平,以及粗糙度水平(倍频程谱)形式给出.对于不平顺谱,确定了1阶2O阶,相应波长区段120mlTl3460mill,这取决于车轮直径.对于粗糙度谱,中心波长覆盖1.6mm3151Tim.因此,不平顺谱和粗糙度谱在某种程度上产生重叠.但是,能观测到的粗糙度谱是由每个倍频程中的不同波长所组成的不平顺谱累积而成.以G66货车车轮测试结果为例(图3).图3(a)是测试的原始数据.不同的曲线(三线基本重叠)代表不同的测试位置,其中线1与车轮轮缘位置接近.图3(b)表示不平顺谱,将波长分解成不同阶数的车轮不圆.第一阶相当于车轮偏心度,第二阶相当于椭圆度,列车车轮不圆的评定AndersJohansson(瑞典)43等等.图3(c)表示粗糙度谱.从图3可以发现,这种特殊的货车车轮具有很大的偏心度和高粗糙度,波长介于30mm80mm.同时也测试了同一类型的不同车轮,对测试位置进行变换,其结果经过平均化处理.如粗糙度级L.(dBre1m)转换为均值r;.Em(倍频程忌(无量纲),车轮数n(无量纲),继而求出算术平均值(如r;一(1/N)Nmz),然后再转换成粗糙度级E:EdBre1m.车辆一线路/车轮一钢轨相互作用时的轮轨接触斑尺寸及其横向运动,都说明对横向测试结果精确进行均值化处理的合理性.不同类型车轮测试数据均值化的结果见图4图7.在图7中,还显示了测试值的最大值和最小值.为了比较报告中的粗糙度等级,绘制了一条符合prENISO3095】标准的粗糙度谱线,图中用虚线表示.在新车的声学测试时,该曲线定义为一个钢轨粗糙度的推荐限制,代表光滑的钢轨.总的粗糙度等级谱是由车轮和钢轨粗糙度等级叠加而获得,例如,对倍频程中,车轮和钢轨粗糙度的均方值求和而得到总的粗糙度谱.5.1.1C20新车轮和磨耗车轮C20新车轮结果见图4,其中l阶4阶,6阶和9阶对总的不平顺谱贡献较大.新车轮制造时,在三个等距位置用卡盘将之夹紧.与车轮不圆度的原始测试数据相比,可发现车轮不圆度中的三个最小值正好出现在三个夹钳位置,即可推断,初始的不规则是由三角卡盘的夹紧力所致.在宜昌j11j篷匠一基j2擎1一莹鲁拯魁.一缝l.,/,线;I.l,一/.,一一rI圆周坐标/ram(a)原始数据蕴ifL一.ii_P一,I-一1l一嘈呻阶数(b)不平顺谱辫ii算iiir3IIiiiiiiiiiii1iiiiiiiiIiiiiiiiiiiiii1iiiiiiiiiiii1iiiiii1iiI一一一一一一-一一一一一.一iiili一!l辐一IliIII,III,一11II_dII_,Il.口IJ一0.10O1OOO1波长/m(c)粗糙度谱图3G66货车车轮不圆度测试实例li辇轮.F.一A,厂,卜_呤l咱一弋91_且.,卜.r阶数(a)不平顺谱iiiIiiiiiiiiiiiIi11i1IIii*-I.ISOC3095轮f.Lii11liiiiiI11t_L-_LJJ-上一一iIilIiiiIliii1iilIiiIiliIi1i,IIiIiIiiik一-一?:-?一一一一一一一一一一?一一一一一一一一一;:,:;:;:Iiiiii,IiiIIiii一暇I1IiiiiiL.-.a-.a-iiiiiiiiiiii11t:iiilIiiili|h.Lj一上一上.jiii.1一i?J一一i-一-I-一一一-一-.L-一4一J一土:L片iIIiiI,IIi上一1一i一ii1ii1iiIi;:L一一一一一.一一一.一一LJ一i:II:I;:jii一一,L;t1tr旋削之后,夹紧力释放,车轮轮辋恢复无形变形状,绕车轮圆周的三个卡钳位置形成极小的初始不规则.从测试数据中可以发现,最低不平顺等级出现在与轮缘接近的位置.这与Lucchini的制造工艺特点一致,在波长/m(b)粗糙度谱图4C20新车轮和磨耗车轮结果的比较车轮成型的最终阶段,卡钳固定的是其成型区域侧面位置.从图4中C2o磨耗车轮的不平顺谱可见,1阶8阶谐振对不平顺谱的贡献量最大.从测试数据中还可-加mOll丌1_【1Ip)/_梨彝如加0圳一gi_【.兽一娶44国外铁道车辆第48卷第3期2011年5月以发现,C20磨耗车轮三个测试位置处的最高谐振阶数基本一致.与磨耗车轮相比,C20新车轮在波长小于30mm时的粗糙度等级较高.关于C20车轮中多边形磨耗的起因,在文献5进行了更加详细的探讨.5.1.2货车蹄面制动车轮对2种类型的货车车轮进行了测试(图5).2种不同类型的转向架G66和Y25很相似.但是,G66的不平顺和粗糙度等级都要高些.z种转向架都具有较大的偏心度.对Y25型车轮,其中的第三阶谐振对总的不平顺影响较大.波长介于30mm8omm出现的一高粗糙度级,主要是由踏面制动引起的r】.5.1.3X2动车车轮和拖车车轮在图5中,高速列车X2动车车轮的平均粗糙度等级类似于或者其中某些波长下还高于货车以极低速度运行时车轮的等级.粗糙度等级在波长30mm80mm内大于10dBre1m.这些高的粗糙度等级大部分可能是由于铸铁踏面刷式制动(踏面清扫器)所造成.在初始设计中曾提到,此刷式制动是作为常用制动而不仅仅是一种清扫制动1.从图6也可观察到,动车的不平顺和粗糙度等级都高于拖车.从粗糙度谱可以看出,X2拖车车轮光滑.但对不平顺谱,与动车车轮相比,拖车车轮的第三阶谐振对不平顺谱贡献更大.2种车轮在波长小于5mm时,粗糙度等级都较低.5.I.4采用踏面和盘形制动的客车拖车车轮2520_152lO垂.赵.10一呈2鲁整-0-货车车轮G66r_-日-货车车轮Y25l一11+客车踏面制动车轮Ib墨;!x2动车车轮I一薹:一:噜占;irY1-一Ix1,I-1YT:!liIlII.一.一.?.:!;:箸.-+?呻.十一;.一一t.寸一寸1;.e-货车车轮G66-甘-货车车轮Y25+客车踏面制动:.e-X2动车车轮.Tn1no010.0l波长/m(b)粗糙度谱图5货车车轮,踏面制动式客车车轮,X2动车车轮结果的比较一:7-e-X2动车车轮-*-X2拖车车轮-Regina车轮IL_.:l:.2:=一一-q-C20磨耗车轮争盘形制动客车车轮r,壬I_rrIIlI(a)不平顺谱波长,m(b)粗糙度谱图6X2车轮,Regina车轮,C20磨耗车轮,盘形制动客车车轮结果的比较踏面制动的客车车轮测试结果见图5,存在一个高粗糙度级,但没有出现任何局部最大值.盘形制动客车车轮的粗糙度结果见图6,在倍频程8mm25mm和50mm150mm中的粗糙度等级较高.但是,对结果进行详细研究发现,粗糙度谱中存在两个峰值点,主要由表1中被测试的6种车轮中的2种轮型产生.由于轮轨接触斑尺寸,短波的影响冲淡,波长介于8mm25mm的高粗糙度等级对噪声产生的影响也就较小.5.1.5Regina动车车轮Regina车轮的测试结果见图6,在整个波长范围加H谱质数平O阶不1)a如如0m功一gil.IP一班坚列车车轮不圆的评定AndersJohansson(瑞典)45内都有较高的粗糙度,但是没有特别大的值出现.5.1.6轮型比较在图5和图6中比较了一些轮型:(1)等级最高的不平顺谱出现在货车车轮和C20的磨耗车轮中,而等级最低的不平顺谱则出现在X2的拖车车轮中,且大部分阶数下都较低;(2)所有不同类型的车轮都有相当高的偏心度(1阶处都存在高偏心度);(3)客车车轮或X2动车车轮中,出现最高粗糙度级,且与其波长范围相关;(4)最低的粗糙度级在X2拖车车轮(波长>20mm)和C20磨耗车轮(波长<2Omm)发现.5.1.7钢轨粗糙度测试结果的比较252O15一置i1025,0襄-5_10一l5-_-一最大值_e-平均值.,_最小值一1日_波磨钢轨_I光滑钢轨?ISo3095一江-1f),/户,户,.-一一1_tl一一一,fj-L一,:争,Gi一一rr-r一一,日L一,一.一一,虬波长/m图7UIC60钢轨在光滑和波磨时粗糙度等级与X2动车车轮粗糙度等级的比较图7将钢轨粗糙度和X2动车车轮的粗糙度进行了对比.钢轨的粗糙度用波磨分析车(CAT)_g在斯德哥尔摩和哥德堡线路区间中的干线上,对UIC60钢轨进行测试而获得,其采样间距为1mlTl.Banverket在钢轨中选择了一些测点进行粗糙度测试.测点的选择是基于早期配备应变仪的X2车轮中测试的轮轨接触力结果而选定的.直线轨道上的两测量位置的测试结果见图7,一个位于严重波磨的钢轨上,另一个布置在新铺不久的光滑钢轨上.两类钢轨测试长度总共500ITI.比较结果发现,出现在X2动车车轮中的最大粗糙度等级与严重波磨钢轨的粗糙度等级相似.需要说明的是,最大和最小粗糙度等级出现在X2动车中不同车轮上,而且最恶劣的工况(如每倍频程或某一阶次下对应的最大值)并不是出现在一个车轮中.Nielsen等人就曾研究过轮轨波磨对车轮滚动接触疲劳的影响口.5.2横向外形假设车轮在轮缘顶部不发生磨耗,横向分布的磨耗深度则可通过将名义型面与磨耗型面进行比照相减而获得.对大多数车轮而言,磨耗深度横向分布的(较微弱的)最大值(差别不大)出现在距离车轮轮缘侧90mm的地方.而在货车车轮和Regina车轮中有些例外,其踏面处的磨耗量相当稳定.对一些C2O的磨耗车轮,在圆周表面布置了一些测点,对应着车轮不圆度的最大和最小位置.虽然车轮不圆度最大和最小位置处相对应的磨耗幅值可能不同,但这些测点的磨耗分布却都相似.测试结果显示,Y25转向架的磨耗量大于G66转向架的磨耗量,所观测到的差别部分可用距前次旋型后运行的不同里程数来解释.这与预期的状况一致,因为Y25转向架一系横向和纵向悬挂刚度较G66转向架大.有关横向外形测试更进一步的结果见文献11.5.3表面硬度最高的硬度值出现在踏面制动的客车车轮中,而最低的硬度值出现在盘形制动的客车车轮中.所有的值都介于布氏硬度290390.盘形制动客车车轮和X2车轮踏面5Omm以下要求的硬度最小值,分别为布氏硬度235和布氏硬度250_】.车轮踏面处较高的硬度值主要取决于加工过程中的轮辋淬火处理(加热车轮并冷却踏面).踏面材料在运营过程中也会变硬.有关硬度测试更进一步的结果见文献El13.6结论本文主要概述了瑞典不同类型的铁路车辆中出现的车轮不规则情况.量化了先前就已知的地铁车辆(C20)车轮中出现多边形的现象.货车车轮和X2动车车轮在波长约30mm80mm间的粗糙度等级高,主要是采用铸铁制动闸瓦踏面制动的缘故.在大多数车轮中还发现了高偏心度,最大幅值出现在货车车轮中.在C20的新车轮中发现了初始不平顺,这是在车轮成型时三角卡盘夹紧形成的.比较了车轮粗糙度和钢轨粗糙度,其中钢轨粗糙度的测量既选取了严重波46消息.动态捷克铁路公司披露铁路车辆需求2010年3月16日,捷克国家客运商捷克铁路公司(cD)发布了2010年一2o14年铁路车辆现代化战略,计划耗资高达160亿捷克克朗,来翻新其所属的欧洲最陈旧的一批车辆.如今捷克铁路公司的2199辆客车中,只有6是适合于160km/h运营的空调车.首份合同将于2010年签订,捷克国内供应商很可能得到45亿捷克克朗订单的绝大部分(表1).捷克铁路公司与交通部和捷克所有地区签署了表1捷克铁路公司计划的铁路车辆招标1O年客运业务合同后发布了车辆翻新计划.这是200g年一2OO9年耗资85亿捷克克朗翻新车辆项目的延续,85亿捷克克朗大部分来自出售资产给线路设施管理商SZDC所得.2O1O年2014年翻新计划的资金将来自于捷克铁路公司自有资产,欧洲投资银行和欧洲铁路运输融资公司贷款,租赁协议,债券和交通部.捷克铁路公司向欧洲聚合基金申请了4.5亿捷克克朗.数量/列种类交付时间37120km/h区域列车2011年一2O12年12替代机车牵引列车的16okm/h电动车组2012年一2O13年113辆和5辆编组的160km/h电动车组2012年一2O14年8160km/h双层电动车组2012定33120km/h2辆编组的区域内燃动车组2012年2O13年19750型内燃机车翻修改造2010年一2O12年将810/010型改造为Regionova区域内燃62ZO10年一20l1年动车组39将电力机车改造为推挽式2010年一2O12年7B翻新区间客车2010拄66K0SKrnov改造内燃动车组拖车2010年一zOlz年58翻修改造一等和二等客车用于EC/IC业务20lO年一20l1年106翻修改造客车用于EC/C和快速运输业务2011年一2014年21将餐车改造成一等车/酒吧车早期合同的车辆2010年会继续交付,SkodaVagonka公司将交付l1列CityElerant双层电动车组.ParsNovaSumperk公司将交付46列Regionova内燃动车组,36辆改造的954.2型驱动车,5辆改造的842型车,以及961型推挽式原型驱动车.Z0SVrfltky公司将交付6辆一等车/酒吧车.2010年4月20日,捷克铁路公司与Stadler公司签订了价值17.8亿捷克克朗的合同,Stadler公司将于2011年一2012年提供33辆Regio-ShuttleRS1内燃动车