動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)測試研究*

王浩林， 朱韶光， 徐先鋒

(1　華東交通大學(xué)， 江西南昌 330013；2　中國鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；3　北京縱橫技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094)

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動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)測試研究*

王浩林1,2， 朱韶光2，3， 徐先鋒1

(1華東交通大學(xué)， 江西南昌 330013；2中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；3北京縱橫技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094)

通過長期對國內(nèi)某高速鐵路部分構(gòu)架橫向振動(dòng)超限動(dòng)車組的基本信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；對構(gòu)架橫向振動(dòng)超限頻發(fā)的某動(dòng)車組A和B的輪對進(jìn)行跟蹤測試，利用輪軌關(guān)系分析方法，探討引發(fā)動(dòng)車組橫向振動(dòng)超限的原因以及提出初步建議。

橫向振動(dòng)； 車輪磨耗； 等效錐度； 輪軌關(guān)系

某高速鐵路自開通運(yùn)行以來，部分動(dòng)車組存在構(gòu)架橫向振動(dòng)超限的現(xiàn)象，構(gòu)架橫向振動(dòng)超限會(huì)促使動(dòng)車組自發(fā)降速、自停[1]，而且不得不進(jìn)行旋輪，不僅影響行車安全，頻繁旋輪還將增加運(yùn)營成本[2]。通過線路鋼軌打磨、降速運(yùn)行等方式使構(gòu)架橫向振動(dòng)超限現(xiàn)象得到了初步緩解，但該現(xiàn)象始終存在，課題組為研究其原因，先以調(diào)查表的形式對構(gòu)架橫向振動(dòng)超限的動(dòng)車組的基本信息(動(dòng)車組車號、時(shí)間、地點(diǎn)、交路、公里標(biāo)、輪對及鋼軌廓形等)進(jìn)行收集、統(tǒng)計(jì)、分析，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)繼而進(jìn)行深入研究。

1　構(gòu)架橫向振動(dòng)超限數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

1.1構(gòu)架橫向振動(dòng)超限動(dòng)車組基本數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過為期一年的數(shù)據(jù)收集工作，課題組共統(tǒng)計(jì)到205次動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限數(shù)據(jù)(為對問題進(jìn)行針對性研究，統(tǒng)計(jì)量以車廂超限次數(shù)累加)。表1為動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限主要發(fā)生區(qū)段，由表1可知：動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限區(qū)段相對集中，集中區(qū)段共發(fā)生126次，總占比61.5%，其中尤為集中的小區(qū)段為：小區(qū)段1間發(fā)生16次，總占比7.8%，小區(qū)段2間發(fā)生40次，總占比19.5%，小區(qū)段3間發(fā)生13次，總占比6.34%，小區(qū)段4間發(fā)生20次，總占比9.8%，由此可推測：局部問題線路為引發(fā)動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限因素之一。圖1為動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限車廂的分布，由圖1可知：動(dòng)車組1，2，7，8車廂相對容易發(fā)生構(gòu)架橫向振動(dòng)超限。圖2為動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限頻次隨輪對旋修后走行里程的分布，由圖2知：動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限頻次隨輪對旋修后走行里程呈逐步遞增趨勢且主要發(fā)生在輪對旋修后走行17～20萬km后，可見長期磨耗后的輪對廓形變化對動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限產(chǎn)生重要影響。

1.2對輪軌接觸幾何要素的統(tǒng)計(jì)分析

輪軌接觸幾何要素包括輪軌接觸角、輪對內(nèi)側(cè)距、輪徑差、軌距、軌底坡等，與車輛動(dòng)力學(xué)性能密切相關(guān)[3]。等效錐度是輪軌幾何接觸中重要參數(shù)，決定著輪軌之間的匹配程度[4]。工程實(shí)測表明：等效錐度會(huì)隨動(dòng)車組運(yùn)行里程增加而增大[5]，等效錐度過大會(huì)導(dǎo)致列車構(gòu)架橫向振動(dòng)超限[6]。課題組共統(tǒng)計(jì)86構(gòu)架橫向振動(dòng)超限車廂，其輪徑差分布范圍為0.1～0.9 mm，輪對內(nèi)側(cè)距分布范圍為1 352.4～1 354.7 mm。據(jù)《鐵路動(dòng)車組運(yùn)用維修規(guī)程》中動(dòng)車組一級修程，輪徑差限度≤1 mm，輪對內(nèi)側(cè)距限度為1 353±3 mm[7]，均滿足要求。圖3為統(tǒng)計(jì)6個(gè)構(gòu)架橫向振動(dòng)超限線路區(qū)間位置點(diǎn)鋼軌軌距分布，由圖3可知：構(gòu)架橫向振動(dòng)超限處軌距分布范圍1 433～1 436.7 mm，軌距負(fù)偏差占絕大部分，共1 524處，占比82.25%。圖4為統(tǒng)計(jì)108節(jié)構(gòu)架橫向振動(dòng)超限車廂最大等效錐度(文中等效錐度均特指磨耗后輪對與標(biāo)準(zhǔn)CHN60鋼軌、軌距1 435 mm、輪對內(nèi)側(cè)距1 353 mm，軌底坡1:40匹配下以UIC 519算法[8]計(jì)算得輪對橫移量為3 mm處的等效錐度值)隨輪對旋修后走行里程分布，經(jīng)計(jì)算得：82.9%構(gòu)架橫向振動(dòng)超限車廂輪對最大等效錐度介于0.32～0.40之間，表明等效錐度過大為動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限表征量之一。

表1　構(gòu)架橫向振動(dòng)超限集中區(qū)段

圖1　動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限車廂的分布

圖2　動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限頻次隨輪對旋修后走行里程分布

圖3　構(gòu)架橫向振動(dòng)超限主要區(qū)段軌距分布

圖4　構(gòu)架橫向振動(dòng)超限車廂輪對最大等效錐度隨輪對旋后走行里程分布

2　構(gòu)架橫向振動(dòng)超限動(dòng)車組的跟蹤測試

2.1跟蹤測試方案

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限現(xiàn)象較為普遍但頻次相差懸殊，為深入研究其原因，課題組選定兩列同時(shí)出廠交付動(dòng)車運(yùn)用所的動(dòng)車組A和B，圖5為2014年7～10月間A與B構(gòu)架橫向振動(dòng)超限頻次對比圖，由圖5知：A構(gòu)架橫向振動(dòng)超限頻次遠(yuǎn)少于B。查閱期間A與B運(yùn)營及檢修記錄發(fā)現(xiàn)：兩車輪對旋修時(shí)間和旋后走行里程幾近相同，區(qū)別在于A只在線路1運(yùn)行，B為線路1和新修線路2混跑。

圖5　7～10月份A和B構(gòu)架橫向振動(dòng)超限頻次對比

為探究線路混跑以及輪對狀態(tài)變化對動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限的影響，將線路混跑做為單一變量進(jìn)行輪對跟蹤測試。選定A和B兩個(gè)旋修周期進(jìn)行輪對跟蹤測試，表2為線路對比測試方案。每隔一月測量一次，共進(jìn)行6次測試。

表2　線路對比測試方案

2.2輪對磨耗分析

在第一旋修周期中，第1次測試在A和B同時(shí)旋畢后，第3次測量時(shí)A和B分別旋后走行12.3和12.1(線路1為7.2，線路2為4.9)萬km，由于里程相距較小，可認(rèn)定兩車旋后走行里程相同，記為12萬km，第3次測試當(dāng)日B1車出現(xiàn)構(gòu)架橫向振動(dòng)超限，比較A和B輪對磨耗量及外形變化，便可知線路混跑是否加劇B動(dòng)車組輪對磨耗及外形改變。

表3　A和B在不同旋修走行里程后輪對廓形對比

對比組1比較構(gòu)架橫向振動(dòng)超限車廂與非構(gòu)架橫向振動(dòng)超限車廂輪對旋后廓形，由圖4和表4可知，旋后輪對輪緣厚度Sd較標(biāo)準(zhǔn)稍偏小，輪緣高度Sh稍偏大，誤差較小，滾動(dòng)圓附近與標(biāo)準(zhǔn)廓形吻合良好，故可判定A和B旋后廓形一致，輪對旋修滿足要求。

圖6　A和B旋修后走行0萬公里輪對廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對比

對比項(xiàng)參數(shù)輪緣厚度Sd/mm輪緣高度Sh/mm標(biāo)準(zhǔn)S1002CN34.528.2A1-133.94528.473A6-634.04828.356B1-133.70728.542B6-633.86028.381

對比組2比較構(gòu)架橫向振動(dòng)超限車廂與非構(gòu)架橫向振動(dòng)超限車廂輪對在旋后走行12萬 km后廓形。由圖7可知：A和B旋后走行12 km后，在輪對滾動(dòng)圓附近，外形出現(xiàn)輕微凹磨，A1和6車輪對磨耗相差無幾，1車頭車輪對磨耗稍快于中部6車。而B構(gòu)架橫向振動(dòng)超限1車輪對磨耗明顯快于非構(gòu)架橫向振動(dòng)超限6車，近0.3 mm。A和B非構(gòu)架橫向振動(dòng)超限6車輪對磨耗相同，B構(gòu)架橫向振動(dòng)超限1車輪對磨耗稍快于A非構(gòu)架橫向振動(dòng)超限1車輪對磨耗，近0.1 mm?？梢姡壕€路混跑會(huì)使局部輪對磨耗加快，構(gòu)架橫向振動(dòng)超限車廂輪對表現(xiàn)出磨耗過快特征。

2.3輪軌等效錐度分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，82.9%構(gòu)架橫向振動(dòng)超限動(dòng)車組最大輪對等效錐度介于0.32～040之間。圖8和圖9分別為A和B在第一旋修周期前3次測量中各車軸等效錐度。由圖8和圖9可知：A和B等效錐度隨旋修后走行里程增加而增大，A和B旋后走行里程增加相同時(shí)非構(gòu)架橫向振動(dòng)超限車廂對應(yīng)等效錐度增量也相同。而B構(gòu)架橫向振動(dòng)超限1車磨耗過快，其等效錐度也明顯較其他車廂大，最大等效錐度為0.423。

圖8　第一旋修周期中A動(dòng)車組前3次測量各軸等效錐度

圖9　第一旋修周期中B前3次測量各軸等效錐度

第2旋修周期中，A在旋后走行12.6萬km后1、3、4車發(fā)生構(gòu)架橫向振動(dòng)超限，B在旋后走行16.4萬km后1、2、8車發(fā)生構(gòu)架橫向振動(dòng)超限。第5次測量時(shí)間在A構(gòu)架橫向振動(dòng)超限發(fā)生前6天，其輪對測量結(jié)果可很好反應(yīng)A動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限前輪對狀態(tài)。圖10為A第5次測量時(shí)等效錐度分布，據(jù)圖10知：1、3、4軸車廂各軸等效錐度明顯大于其他車廂車軸。等效錐度最大值均超過0.4，說明：等效錐度過大為動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限表征量之一，等效錐度在一定程度上可對動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測取值在區(qū)間[0.32,0.40]中為宜。

圖10　第二旋修周期中A第5次測量各軸等效錐度

在第一旋修周期中，A動(dòng)車組沒發(fā)生構(gòu)架橫向振動(dòng)超限，旋修周期里程為17.0萬km。圖11為A在第一旋修周期末第4次測試的各軸等效錐度分布，由圖11知：大部分車軸等效錐度均大于0.40，最大值為0.450，可見等效錐度過大并不一定會(huì)引發(fā)動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限。

圖11　第一旋修周期中A第4次測量各軸等效錐度

影響動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限需要考慮的因素有很多，例如最高速度、線路激擾等，也將列入下一步研究計(jì)劃。統(tǒng)計(jì)A和B兩旋修周期內(nèi)每日運(yùn)營線路，里程及檢修發(fā)現(xiàn)A和B構(gòu)架橫向振動(dòng)超限均發(fā)生在動(dòng)車組旋后走行里程較長，即等效錐度過大且持續(xù)運(yùn)營5～7天，期間沒有進(jìn)行二級檢修或檢備時(shí)，在第二旋修周期中，A1、3、4車構(gòu)架橫向振動(dòng)超限后旋即旋修1、3、4、8車(因?yàn)轭^尾車磨耗較快)使恢復(fù)其設(shè)計(jì)值并合理縮短二級檢修或檢備間隔，A運(yùn)行至旋后20.2萬km時(shí)才進(jìn)行旋修且期間沒有發(fā)生構(gòu)架橫向振動(dòng)超限，旋修周期延長7.6萬km。圖12為A旋修測第6次測量輪對等效錐度結(jié)果，雖然部分車廂等效錐度過大，最大值達(dá)到0.482，仍沒有發(fā)生構(gòu)架橫向振動(dòng)超限現(xiàn)象，可以推測：連續(xù)運(yùn)行的動(dòng)車組車輛狀態(tài)改變將影響動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限的發(fā)生，可見合理安排動(dòng)車組檢修及旋修計(jì)劃將有利于控制動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限現(xiàn)象。

圖12　第二旋修周期中A第6次測量各軸等效錐度

3　結(jié)論及建議

(1)線路混跑會(huì)使局部輪對磨耗加快，構(gòu)架橫向振動(dòng)超限車廂輪對表現(xiàn)出磨耗過快特征。

(2)動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限較集中發(fā)生在某些特定且軌距為負(fù)偏差區(qū)段，構(gòu)架橫向振動(dòng)超限車廂表現(xiàn)出

等效錐度較大，集中分布區(qū)間為[0.32,0.40]，等效錐度能一定程度上能預(yù)測動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限的發(fā)生。

(3)由于動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)超限表征為等效錐度過大，建議將等效錐度作為常規(guī)檢測參數(shù)運(yùn)用到動(dòng)車組輪對檢修當(dāng)中，基于大量數(shù)據(jù)確定限值，作為確定輪對旋修周期基本參數(shù)之一。

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[8]UIC 519. 2004. Method for determining the equivalent conicity[S].

EMU Frame Lateral Vibration Test Research

WANGHaolin1,ZHUShaoguang2,3,XUXianfeng1

(1East China Jiaotong University. Nanchang 330013 Jiangxi, China; 2(Locomotive and Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081， China ) 3Beijing Zongheng Electromechanical Technology Development Co., Beijing 100094, China)

The article collected and took statistics analysis the basic information of part of EMU for long term, which vibration of frame overrun in some line's operation. Making a track measurement for two EMU called A and B which overrun repeatedly. Using the method of wheel/rail relationship analysis to discusses the factors that influence part of the EMU lateral vibration overrun and puts forward some initial suggestions.

lateral vibration; wheel-wear; equivalent conicity; wheel/rail relations

1008-7842 (2016) 04-0043-05

??)男，碩士研究生(

2016-03-23)

U266

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.10

*中國鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(1451JL4105)