CRH3動(dòng)車組橫向加速度超限報(bào)警與輪對踏面外形尺寸的相關(guān)性分析研究

曾 旗， 丁陽春， 李邦偉， 李 斌

(廣州鐵路(集團(tuán))公司 廣州動(dòng)車段， 廣東廣州 510000)

CRH3動(dòng)車組橫向加速度超限報(bào)警與輪對踏面外形尺寸的相關(guān)性分析研究

曾 旗， 丁陽春， 李邦偉， 李 斌

(廣州鐵路(集團(tuán))公司 廣州動(dòng)車段， 廣東廣州 510000)

通過長期跟蹤測量武廣線上橫向加速度超限(173D/173E)報(bào)警故障的CRH3動(dòng)車組的輪對踏面外形尺寸，著重分析了橫向加速度超限報(bào)警故障與S1002CN踏面外形各尺寸參數(shù)變化的相關(guān)性，提出了基于合理控制橫向加速度超限報(bào)警故障的輪對旋修建議。

動(dòng)車組； 踏面外形尺寸； 橫向加速度； 相關(guān)性分析

輪對踏面外形尺寸是輪軌關(guān)系的關(guān)鍵因素之一，良好的踏面外形不僅能滿足車輛動(dòng)力學(xué)性能要求，還能降低輪軌間的磨耗，延長車輪的使用壽命，從而減少制造和維修成本[1]。理想的踏面外形是其磨損后的外形與原設(shè)計(jì)大體相同，輪對在運(yùn)動(dòng)過程中，應(yīng)盡量保證踏面與鋼軌一點(diǎn)接觸，以減輕輪緣軌側(cè)磨損；輪緣設(shè)計(jì)應(yīng)保證足夠的安全性，利于輪對通過曲線和運(yùn)行穩(wěn)定。因此，車輪的踏面形狀對車輪的運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。國內(nèi)外學(xué)者、科研機(jī)構(gòu)一直在不斷研究、探索，試圖找到一種滿足高速列車動(dòng)力學(xué)性能的最佳輪軌關(guān)系。但由于輪軌關(guān)系的復(fù)雜性及動(dòng)力學(xué)性能研究受太多外界條件限制，多數(shù)研究都只能停留在函數(shù)建模、仿真計(jì)算或者是純理論分析上，缺乏實(shí)踐應(yīng)用的驗(yàn)證。

目前國內(nèi)CRH3系列高速列車分別采用了LMA、S1002 CN、XP55等3種踏面。就(武漢—廣州)武廣線而言，CRH3動(dòng)車組車輪采用了S1002CN型踏面，在運(yùn)行前期，CRH3動(dòng)車組頻繁出現(xiàn)了橫向加速度超限(173D/173E)報(bào)警故障，致使動(dòng)車組運(yùn)行速度自動(dòng)降至200 km/h以下甚至自停車，對武廣線的運(yùn)行秩序造成嚴(yán)重影響。為此，本文試圖通過對CRH3動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行過程中報(bào)警車組的統(tǒng)計(jì)分析，對報(bào)警車組的輪對進(jìn)行長期跟蹤測量，研究CRH3動(dòng)車組輪對踏面外形尺寸變化與CRH3動(dòng)車組橫向加速度報(bào)警故障的相關(guān)規(guī)律性。

1 CRH3動(dòng)車組橫向加速度超限報(bào)警故障的專項(xiàng)調(diào)查研究

1.1 對橫向加速度檢測系統(tǒng)的檢查

2010年6月以來，武廣線運(yùn)營中的CRH3動(dòng)車組頻頻報(bào)出故障。6月由克諾爾公司對報(bào)出故障的橫向加速度傳感器全部更換后對橫向加速度檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢查，確定橫向加速度檢測系統(tǒng)無故障。更換下的傳感器返回克諾爾公司進(jìn)行振動(dòng)測試，克諾爾公司7月初返回的測試結(jié)果顯示其橫向加速度傳感器功能正常，從而排除動(dòng)車組橫向加速度檢測系統(tǒng)本身故障。

1.2 對報(bào)警車組進(jìn)行的初步統(tǒng)計(jì)分析

調(diào)取(廣州南動(dòng)車所，簡稱：廣南所)數(shù)據(jù)顯示：廣南所共有CRH3動(dòng)車組51組，有40組在3個(gè)半月內(nèi)發(fā)生過橫向加速度超限報(bào)警故障，占總數(shù)78.4%(具體統(tǒng)計(jì)見圖1)。因此，可以排除橫向加速度超限報(bào)警故障為個(gè)別車組的偶然因素造成。

從統(tǒng)計(jì)的報(bào)警車組信息可知：3030、3040、3042、3046、3048這5組車組故障頻次較高。查詢該5組車組的檢修記錄可知：3030車組10月12日在廣南所完成全列旋修，3040車組11月16日在廣南所完成全列旋修，3042車組10月7日在長沙所完成全列旋修，3046車組11月14日在廣南所完成全列旋修，3048車組10月10日在廣南所完成全列旋修。從圖2可以看出，輪對踏面旋修能夠改善橫向加速度超限報(bào)警故障，因此我們對輪對踏面外形作進(jìn)一步研究。

1.3 對報(bào)警車輛輪對踏面外形尺寸的跟蹤測量分析

為此廣州動(dòng)車段成立CRH3動(dòng)車組輪對踏面外形尺寸測量分析小組，針對橫向加速度超限報(bào)警故障開展專項(xiàng)調(diào)查研究。測量分析小組經(jīng)過半年多的時(shí)間，做了如下工作：

(1)對大部分橫向加速度超限報(bào)警的動(dòng)車組，在入庫檢修時(shí)安排輪對踏面外形尺寸測量，積累原始數(shù)據(jù)。從9月25日起至11月底，共完成55個(gè)車，440組踏面數(shù)據(jù)的測量工作。

圖1 各車組橫向加速度報(bào)警故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖2 報(bào)警頻次較高的5組車各月報(bào)警總數(shù)

(2)根據(jù)8、9月份的故障頻次，選擇報(bào)警頻次較多的3034車、3040車、3042車3組動(dòng)車組和報(bào)警頻次極少的3039車、3049車兩組動(dòng)車組。另外選擇新投入運(yùn)行的3064車、3076車兩組動(dòng)車組，分別按2萬km測量一次，對輪對踏面外形尺寸以及等效錐度進(jìn)行跟蹤測量，對比研究其輪對踏面外形尺寸及踏面等效錐度隨動(dòng)車組輪對旋修后走行里程的變化規(guī)律。截至2011年2月，測量小組共完成70次全列測量，得到4 480組輪對踏面外形尺寸數(shù)據(jù)。

2 輪對踏面外形尺寸變化與橫向加速度超限報(bào)警的相關(guān)性分析

根據(jù)測量小組幾個(gè)月來的測量數(shù)據(jù)，得到橫向加速度超限報(bào)警時(shí)的旋修后走行里程與輪對踏面外形尺寸(輪緣高、輪緣厚、同軸輪徑差、同架輪徑差、QR值、踏面磨耗、凹陷、等效錐度、輪緣角)之間一系列離散的點(diǎn)，我們可以對這些離散的點(diǎn)進(jìn)行多元回歸分析，求解多元線性回歸方程，以建立橫向加速度報(bào)警時(shí)的旋修后走行里程與輪對踏面外形尺寸變化之間的線性關(guān)系。

2.1 回歸分析參數(shù)的選擇

(1)等效錐度。許多研究表明，等效錐度是影響車輛動(dòng)力學(xué)性能的重要因素[2]。

(2)同軸輪徑差。從等效錐度的定義可清楚看出，同軸輪徑差的影響程度。輪對出現(xiàn)輪徑差，輪對勢必向輪徑小的一側(cè)移動(dòng)，使輪對偏移軌道中心線。輪軸管理中，對同軸輪徑差也有嚴(yán)格的控制。

(3)同架反向輪徑差。沈茂儒等研究表明[3]，所有輪徑差都會(huì)影響行車安全性，隨著輪徑差的增大，車輛運(yùn)行安全性指標(biāo)逐漸變差。由于反向輪徑差引起輪對的沖角比同向輪徑差大，輪軌橫向作用力也隨之增大，加劇輪軌之間磨耗，故同架反向輪徑差較同向輪徑差的危害影響要大。所以，我們選取同一轉(zhuǎn)向架的反向輪徑差作為因素之一，而不是簡單的同架輪徑差。

(4)踏面磨耗。雖然我們的研究已經(jīng)知道CRH3動(dòng)車組輪對踏面運(yùn)行磨耗較小，每運(yùn)行10萬 km踏面磨耗大約只有0.35 mm，但高速動(dòng)車組輪對踏面磨耗之后，各動(dòng)力學(xué)性能會(huì)不同程度下降，臨界速度的降低比較明顯，動(dòng)車組的平穩(wěn)性變差，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生短暫的晃動(dòng)。因此，踏面磨耗也需列入考察范圍。

(5)踏面凹陷。西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員最近提出，凹形的踏面使輪軌接觸點(diǎn)存在多個(gè)平衡位置，車輛運(yùn)行過程中輪軌接觸點(diǎn)在幾個(gè)平衡位置間跳躍造成輪緣到假輪緣的沖擊振動(dòng)，影響車輛的運(yùn)行性能[4-5]。因此，有必要將踏面凹陷納入考察范圍。

(6)輪對內(nèi)側(cè)距。我國輪對內(nèi)側(cè)距標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為1 353 mm，與歐洲標(biāo)準(zhǔn)1 360 mm有差別。多個(gè)研究表明無論在直線軌道和曲線軌道上，各種車速下，隨著內(nèi)側(cè)距的增加，踏面磨耗深度將增大，磨耗位置向輪緣側(cè)移動(dòng)。但運(yùn)行中輪對內(nèi)側(cè)距在動(dòng)車組出廠時(shí)已經(jīng)定型，不會(huì)有任何變化，故不將其列入考察范圍。

(7)QR值。為簡化自變量的個(gè)數(shù)，減少不必要的計(jì)算，我們先分析輪對踏面外形尺寸參數(shù)之間的關(guān)系。武廣線屬于無砟軌道，其博格板是鋼筋混凝土預(yù)制件，作為鋼軌承載臺，并且具有高平順等優(yōu)點(diǎn)，CRH3動(dòng)車組的輪對輪緣基本沒有磨耗，而且QR值在一定程度上能反映出輪緣高和輪緣厚的關(guān)系，因此其輪緣高、輪緣厚、輪緣角3個(gè)因素不列入考察范圍(如圖3)。

圖3 輪對踏面外形尺寸

因此，最終列入考察的參數(shù)有：QR值，輪對磨耗、輪對凹陷、等效錐度、輪徑差。

2.2 各參數(shù)的相關(guān)性分析

通過對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以看出這些參數(shù)與橫向加速度報(bào)警時(shí)的旋修后走行里程之間存在一定關(guān)系。

圖4 QR平均值與標(biāo)準(zhǔn)QR值之差隨旋修后走行里程的變化規(guī)律

圖5 QR值與標(biāo)準(zhǔn)QR值之差與故障分布關(guān)系

(1)從圖4，圖5可以看出：故障主要集中在QR變化值為0.45～0.65區(qū)間內(nèi)，對應(yīng)旋修后走行里程為13～20萬km。QR標(biāo)準(zhǔn)值為9.9，當(dāng)降低0.4以后，橫向加速度超限報(bào)警故障發(fā)生的幾率呈上升趨勢。

(2)從圖6知：輪對磨耗與凹陷值沒有明顯的特征。

圖6 輪對磨耗與凹陷隨旋修后走行里程的變化規(guī)律

圖7 輪對等效錐度與旋修后走行里程的變化規(guī)律

圖8 等效錐度范圍與故障分布關(guān)系

(3)從圖7，圖8可知：橫向加速度超限報(bào)警故障主要集中在等效錐度0.3～0.4區(qū)間內(nèi)，對應(yīng)旋修后走行里程為13～20萬km，等效錐度值在大于0.25時(shí)，故障幾率成上升趨勢，當(dāng)?shù)刃уF度接近0.35時(shí)，故障幾率最高。

設(shè)橫向加速度超限報(bào)警時(shí)的旋修后走行里程為因變量y，自變量前輪QR變化平均值、后輪QR變化平均值、前輪磨耗平均值、后輪磨耗平均值、前輪凹陷平均值、后輪凹陷平均值、前輪等效錐度、后輪等效錐度、前軸輪徑差、后軸輪徑差、同架對角輪徑差分別設(shè)為x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10，x11。我們必須先搞清楚每一個(gè)自變量對y的線性影響是否都是重要的。通過剔除對那些次要的、影響不顯著的自變量，再建立只包含顯著變量的回歸方程，以便于更好地進(jìn)行后面的預(yù)測與控制。

利用Excel加載宏工具[6]能夠快速計(jì)算出各自變量與因變量之間的相關(guān)系數(shù)r，結(jié)果如表1。

表1 各自變量與因變量之間的相關(guān)系數(shù)

|r|越接近于1，說明y與xi的相關(guān)程度越密切；|r|越接近于0，說明y與xi的相關(guān)程度越小。因此，可以剔除前后軸的踏面凹陷和前軸的同軸輪徑差和同架反向輪徑差等4個(gè)參數(shù)，不再加與考慮。

2.3 求解多元回歸方程及顯著性檢驗(yàn)

重新設(shè)定自變量前輪QR變化平均值、后輪；QR變化平均值、前輪磨耗平均值、后輪磨耗平均值、前輪等效錐度、后輪等效錐度、后軸輪徑差分別設(shè)為u1，u2，u3，u4，u5，u6，u7，旋修后走行里程設(shè)為因變量y。

設(shè)回歸方程為：

y=b0+b1u1+b2u2+b3u3+b4u4+

b5u5+b6u6+b7u7

同樣，利用Excel加載宏工具能夠快速計(jì)算出自變量的系數(shù)如下表2。

表2 各自變量系數(shù)

則，回歸方程為：

y=21.205 7+0.257 2u1-12.062 2u2+0.152 3u3-41.615u4-7.211 7u5-9.303 5u6-0.926 5u7

此方程說明，系數(shù)是負(fù)值的因素，會(huì)限制輪對旋修后走行里程；同時(shí)后軸的QR值和踏面磨耗的變化比對橫向加速度超限報(bào)警反映靈敏。而前、后軸的等效錐度數(shù)值變化比對橫向加速度超限報(bào)警貢獻(xiàn)基本相同。踏面磨耗(單位：0.01 mm)因數(shù)值變化微小，故其系數(shù)大；而輪徑差(單位：1 mm)數(shù)值變化大，故其系數(shù)小。各參數(shù)的系數(shù)反映了其增量一個(gè)單位對橫向加速度超限報(bào)警的影響程度。

2.4 回歸方程顯著性檢驗(yàn)：

計(jì)算得，F(xiàn)=6.845 03

若給定顯著性水平α=0.05，查F分布分位數(shù)表，得F(1-0.05)(7，28)=2.36。F≥F(1-0.05)(7，28)，則可以認(rèn)為上述線性回歸方程在α=0.05水平下有顯著意義。

3 CRH3動(dòng)車組橫向加速度報(bào)警預(yù)測

通過上面對踏面外形變化研究，可以看出橫向加速度報(bào)警并非取決于單一某個(gè)值的變化，而是受多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，只不過QR值、踏面等效錐度、踏面磨耗、后軸輪徑差等因素對橫向加速度超限報(bào)警影響起到比較顯著的影響而已。因此，我們需要進(jìn)一步探討求證，QR值、踏面等效錐度、踏面磨耗、后軸輪徑差這些值在達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，動(dòng)車組橫向加速度出現(xiàn)超限報(bào)警的旋修后走行里程會(huì)處于什么范圍。

根據(jù)大量測量統(tǒng)計(jì)，一般取QR值=0.45，踏面磨耗=0.35，等效錐度=0.35，后軸輪徑差=1.25。且取95%的置信度，即α=0.05。

由于我們的測量數(shù)據(jù)n=36較大，而且各自變量因素取值接近于平均值，可以認(rèn)為y的預(yù)測區(qū)間近似地為

則在QR=0.45，踏面磨耗=0.35，等效錐度=0.35，后軸輪徑差=1.25的情況下，橫向加速度超限報(bào)警時(shí)的旋修后累計(jì)公里數(shù)的區(qū)間范圍為(14.5242，18.731 8)。

也就是說，在武廣線上運(yùn)行的CRH3動(dòng)車組在軌道、區(qū)間、環(huán)境氣候等最不利外界條件都不改變的情況下，其最佳的旋修公里數(shù)應(yīng)為(16.5±2)萬km。

4 結(jié) 論

(1) 輪對踏面外形尺寸是輪軌關(guān)系中最重要的部分，通過輪對踏面外形尺寸變化(輪徑、踏面磨耗、輪緣高、輪緣厚、QR值、等效錐度)與173D/173E之間的相關(guān)性分析，可以得出踏面等效錐度、踏面磨耗、QR值變化、后軸輪徑差等對橫向加速度超限報(bào)警影響比較顯著。

(2) 在不考慮軌道、區(qū)間、環(huán)境氣候等外界條件影響的情況下，武廣線上運(yùn)行的CRH3動(dòng)車組其最佳的旋修公里數(shù)應(yīng)為16.5±2萬km。

[1] 羅 仁，曾 京，鄔平波，等. 高速列車輪軌參數(shù)對車輪踏面磨耗的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào) 2009,(6):47-52.

[2] 張 劍，金學(xué)松，孫麗萍，等. 基于CRH5型高速動(dòng)車組車輛輪對的動(dòng)態(tài)特性與等效錐度關(guān)系初探[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2010，32(3):20-27.

[3] 沈茂儒，張衛(wèi)華，曾 京，等. 輪徑差對行車安全性的影響[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2008，8(5):19-22.

[4] 黃運(yùn)華，李 芾，傅茂海，等. 踏面形狀對地鐵車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)，2007(1)：39-41.

[5] 樸明偉，樊令舉，梁樹林，等. 基于輪軌匹配的車輛橫向穩(wěn)定性分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008,44(3)22-28.

[6] Excel Home. Excel 2007 實(shí)戰(zhàn)技巧精粹[M].北京：人民郵電出版社，2010.

Analysis and Research of the Correlation Between the Alarm Due to the Overrun of the Lateral Acceleration and the Shape of Wheel Tread for CRH3EMU

ZENGQi,DINGYangchun,LIBangwei,LIBin

( Multiple Depot of Guangzhou, Guangzhou Railway (Group) Corporation, Guangzhou 510000 Guangdong, China)

In this article, through long-term follow-up measurement of the parameters of wheel tread for CRH3EMU which has the alarm problem resulted in the overrun of the lateral acceleration and was operating in Wuhan Guangzhou line. Analysing emphatically the correlation between the alarm due to the overrun of the lateral acceleration and the change of the parameter of the S1002CN wheel tread. Offering a proposal on wheelset lathing based on reasonable control the problem of the overrun of lateral acceleration.

EMU; wheel tread; lateral acceleration; correlation analysis

1008-7842 (2015) 06-0115-05

男，高級工程師(

2015-05-05)

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.30