高速列车轮对随机椭圆度外形扩展机理与评价的研究

高速列车的振动及噪声相当部分是由沿车轮圆周和轨面上的小振幅、短波动（表面波浪状）引起的，而车轮随机椭圆度（不圆度）则包含了这些因素。本研究探讨分析运用过程中车轮随机椭圆度外形磨耗扩展变化的机理及对振动和噪声的影响。基于统计的轮对制造/维修公差方差，研究构造车轮随机椭圆度的数值模拟。研究采用三个相互联系的数学模型（即多弹性体列车-线路系统、轮/轨接触、磨耗模型）模拟列车/线路耦合系统短期动力学行为；进而扩展到经过不断的车轮椭圆度磨耗反馈积累，研究列车/线路耦合系统长期动力学行为以及车轮椭圆度外形长期磨耗变化过程。研究将椭圆度模拟结果通过FFT变换，统计获取车轮随机椭圆度的各阶次幅值、波长和相位随频率的变化。研究采用激光位移计测量车轮椭圆度，并与计算结果进行对比。研究根据振动与噪声能量分布统计分析法，形成基于1/3倍频程谱的车轮随机椭圆度简谐阶次等级谱及评价，合理确定车轮椭圆度限度与璇修周期。

高速车轮椭圆度（不圆度）会引起轮轨间大的动态力和噪声，对轮对、车辆和线路部件引起严重的损害，缩短了轮和轨等的使用寿命，增加了维修成本。本研究探讨分析了运用过程中车轮椭圆度外形磨耗扩展变化的机理及评价指标。利用点激光传感器测距系统，对京沪高速铁路上运营的2列CRH380A型动车组车轮不圆度进行了测试，共采集到110个车轮的有效数据，这些车轮的营运里程均超过12万公里。研究形成基于1/3倍频程方法处理和评价测试的车轮椭圆度数据，建立了通过简谐阶次等级谱和波长粗糙度谱进行车轮椭圆度等级的评价。研究构造车轮椭圆度的数值模拟，采用三个相互联系的数学模型（即多弹性体列车-线路系统、轮/轨接触、磨耗模型）模拟列车/线路耦合系统短期动力学行为；进而扩展到经过不断的车轮椭圆度磨耗反馈积累，研究列车/线路耦合系统长期动力学行为以及车轮椭圆度外形长期磨耗变化过程。通过试验统计及理论分析可得出：运营中的高速车轮，其车轮椭圆度幅值最大为0.36mm，最小为0.03mm。构成车轮不圆度的主要成分基本都在20阶简谐阶次以内，其中1～9阶相对显著，但没有发现存在明显多边形化的车轮，仅有9%的车轮不圆度数据中存在相对显著的低阶多边形成分。研究结论对确定高速车轮椭圆度限度与维修车轮踏面璇修周期间的关系具有重要指导意义。