基于等效錐度的動車組三級修間隔周期研究

吳晨愷 陳 進(jìn) 林鳳濤

(1. 廣州地鐵集團(tuán)有限公司，510010，廣州； 2. 華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，330013，南昌；3. 華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，330013，南昌//第一作者，碩士研究生)

目前，我國動車組的檢修分為一至五級修，一、二級檢修為運(yùn)用修，三、四、五級檢修為高級修。但是，我國各種型號的高速動車組在檢修周期方面存在一定差異，例如CRH2型動車組除一級修外，其余4個等級的檢修周期標(biāo)準(zhǔn)值(走行公里數(shù))比CRH1、CHR3和CRH5型動車組的檢修周期標(biāo)準(zhǔn)(走行公里數(shù))要小。我國動車組檢修周期詳見表1。

表1 中國動車組檢修周期標(biāo)準(zhǔn)值

CRH2型動車組在走行60萬km后就要進(jìn)行一次三級修， CRH1、CHR3和CRH5型動車組的三級修間隔周期為走行120萬km，這樣CRH2型動車組的高級修次數(shù)過于頻繁，增加了車輛的運(yùn)營成本。但是，在我國現(xiàn)有研究中，大多數(shù)學(xué)者把研究重點(diǎn)放在了車輪鏇修周期延長、動車組運(yùn)用檢修計劃優(yōu)化、車輪型面優(yōu)化[1]等方面，對于動車組高級修或是三級修檢修周期的相關(guān)研究資料很少。因此，為了降低車輛運(yùn)營成本，為以后的高級修間隔周期研究提供參考，本文選取CRH2A型動車組1和動車組2進(jìn)行跟蹤試驗，研究其三級修間隔周期由60萬km延長至120萬km的可行性。

1 等效錐度對三級修間隔周期延長的影響

由文獻(xiàn)[2]知：輪軌幾何接觸是解釋鐵道車輛動力學(xué)性能的基礎(chǔ)，等效錐度是輪軌幾何接觸的重要參數(shù)。對我國多條線路上的動車組振動狀態(tài)及車輪磨耗跟蹤研究的結(jié)果表明，輪軌匹配等效錐度的大小與動車組運(yùn)行過程中的動態(tài)響應(yīng)密切相關(guān)。如果等效錐度過小，將導(dǎo)致動車組運(yùn)用過程中出現(xiàn)“晃車”現(xiàn)象；而等效錐度過大，會引起動車組車輛構(gòu)架橫向振動報警甚至失穩(wěn)[2]。

隨著動車組走行里程的增加，車輪磨耗即車輪外形的改變會導(dǎo)致等效錐度發(fā)生變化，而等效錐度作為輪軌接觸線性化指標(biāo)，表明輪軌幾何接觸發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致動車組動力學(xué)性能變化，最終可能發(fā)生上述的“晃車”或橫向失穩(wěn)現(xiàn)象。

根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC 518規(guī)定：車輛進(jìn)行試驗時，用等效錐度參數(shù)評估輪軌接觸幾何關(guān)系[3]。UIC 519規(guī)定：名義等效錐度指在輪對蛇行運(yùn)動時橫移量3 mm處對應(yīng)的值[4]。因此，本文以車輪軸橫移量3 mm處的等效錐度為主要評估指標(biāo)，輔以車輪外形(車輪踏面磨耗量、輪軌接觸幾何關(guān)系)和車輛動力學(xué)性能(構(gòu)架橫向穩(wěn)定性、車體平穩(wěn)性)評估指標(biāo)，對選定的動車組1和動車組2，在60萬km鏇輪后、120萬km三級修及鏇輪前分別進(jìn)行了跟蹤測試。經(jīng)分析對比后，為評估三級修間隔周期延長的可行性提供參考和依據(jù)。

2 車輪外形變化評估

2.1 車輪踏面磨耗量

動車組1在60萬km鏇輪后的總走行里程為67.1萬km，在120萬km鏇輪前(三級修前)的總走行里程為116.5萬km；動車組2在60萬km鏇輪后的總走行里程為67.3萬km，在120萬km鏇輪前(三級修前)的總走行里程為120.4萬km。

本文選取動力學(xué)性能測點(diǎn)所在的頭車(第8車)的8個輪子(簡稱“8車8輪”)踏面外形與標(biāo)準(zhǔn)外形(LMA)進(jìn)行對比(見圖1、2)，并給出第8車的60萬km測試節(jié)點(diǎn)和120萬km測試節(jié)點(diǎn)磨耗量(見表2、3)，以此說明車輪在延長三級修間隔周期后踏面的磨耗情況。

圖1 動車組1的8車8輪踏面外形對比

從圖1、圖2和表2、表3可以得出結(jié)論：兩列動車組踏面磨耗量隨運(yùn)行里程的增加而增大，但兩次測試時車輪外形與標(biāo)準(zhǔn)外形在踏面處無明顯區(qū)別，均未出現(xiàn)凹型磨耗現(xiàn)象，磨耗量、磨耗速度未見明顯增加趨勢(磨耗量包含了2次鏇輪的鏇修量)。

圖2 動車組2的8車8輪踏面外形對比表2 動車組1第8車車輪踏面磨耗量mm

車輪編號磨耗量67.1萬km測試節(jié)點(diǎn)116.5萬km測試節(jié)點(diǎn)10萬km平均磨耗106.0161.218205.9741.209305.3431.081408.0631.632507.5811.534606.7491.366708.6291.747806.2191.259均值06.8221.381

表3 動車組2第8車車輪踏面磨耗量 mm

2.2 輪軌接觸幾何關(guān)系

圖3～圖6為動車組1和動車組2頭車(第8車)4軸的輪軌接觸幾何關(guān)系。圖中，x為平行于軌枕的方向，z為垂直于車輪與鋼軌接觸面的方向。從圖3～圖6可知：當(dāng)動車組三級修間隔周期由60萬km延長至120萬km時，被測兩列動車組輪軌接觸幾何關(guān)系均無明顯變化，輪軌接觸主要發(fā)生在名義滾動圓中心區(qū)域，這使得輪對橫移量3 mm處等效錐度無明顯增加的趨勢，對改善輪軌接觸關(guān)系有利。

a) 左輪輪軌接觸b) 右輪輪軌接觸

圖3 60萬km測試節(jié)點(diǎn)(動車組1)輪軌接觸幾何關(guān)系圖

圖4 120萬km測試節(jié)點(diǎn)(動車組1)輪軌接觸幾何關(guān)系圖

圖5 60萬km測試節(jié)點(diǎn)(動車組2)輪軌接觸幾何關(guān)系圖

圖6 120萬km測試節(jié)點(diǎn)(動車組2)輪軌接觸幾何關(guān)系圖

3 輪軌匹配等效錐度

本文以兩列車輪軸橫移量3 mm處的等效錐度為對象，對比其第7、8車等效錐度與LMA標(biāo)準(zhǔn)外形等效錐度的差異，以說明車輪在增大三級修間隔周期標(biāo)準(zhǔn)后等效錐度的變化情況，具體見表4和表5。

表4 動車組1第7、8車輪軸橫移量3 mm處等效錐度

表5 動車組2第7、8車輪軸橫移量3 mm處等效錐度

從表4和表5可以得出結(jié)論：動車組1和動車組2的60萬km測試節(jié)點(diǎn)和120萬km測試節(jié)點(diǎn)的等效錐度均較接近，且兩次測試結(jié)果都接近標(biāo)準(zhǔn)踏面外形的等效錐度，延長三級修間隔周期后等效錐度的變化小，對輪軌關(guān)系影響也較小。

4 車輛動力學(xué)性能評估

4.1 構(gòu)架橫向穩(wěn)定性

根據(jù)《高速動車組整車試驗規(guī)范》及《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》，在10 Hz濾波后，構(gòu)架橫向加速度峰值不得連續(xù)6次以上達(dá)到或超過0.8g～1.0g(g=10 m/s2)，即符合規(guī)范要求。

如圖7和圖8所示，本文以頭車(8車)為研究對象，給出60萬km測試節(jié)點(diǎn)和120萬km測試節(jié)點(diǎn)的構(gòu)架橫向加速度散點(diǎn)圖。

圖7 動車組1構(gòu)架橫向加速度散點(diǎn)圖

由圖7和圖8可以得出結(jié)論：動車組1和動車組2在60萬km鏇修后和120萬km三級修前構(gòu)架橫向加速度最大值分別為0.28g和0.34g，構(gòu)架橫向穩(wěn)定性符合上述標(biāo)準(zhǔn)要求，且兩次測試節(jié)點(diǎn)的構(gòu)架橫向加速度散點(diǎn)趨勢無明顯變化。

4.2 車體平穩(wěn)性

根據(jù)《高速動車組整車試驗規(guī)范》及《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》，在0.5～40.0 Hz濾波后，平穩(wěn)性指標(biāo)W<2.50為優(yōu)、在2.50≤W<2.75為良、在2.75≤W<3.00合格。

圖8 動車組2構(gòu)架橫向加速度散點(diǎn)圖

如圖9～圖12所示，同樣以頭車(8車)為研究對象，給出了60萬km測試節(jié)點(diǎn)和120萬km測試節(jié)點(diǎn)的車體平穩(wěn)性散點(diǎn)圖。

圖9 動車組1車體橫向平穩(wěn)性

圖10 動車組1車體垂向平穩(wěn)性

圖11 動車組2車體橫向平穩(wěn)性

其中，動車組1和動車組2在60萬km鏇修后和120萬km三級修前車體橫向平穩(wěn)性最大值分別為2.34和2.57，其車體垂向平穩(wěn)性最大值分別為2.63和2.43。車體平穩(wěn)性符合上述標(biāo)準(zhǔn)要求，三級修間隔周期延長后未出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。

圖12 動車組2車體垂向平穩(wěn)性

5 結(jié)論

(1) 兩列動車組測試期間車輪狀態(tài)較好，踏面外形和等效錐度均接近標(biāo)準(zhǔn)外形，磨耗量、磨耗速度未見明顯增加趨勢，輪軌接觸主要發(fā)生在名義滾動圓中心區(qū)域，60萬km及120萬km測試節(jié)點(diǎn)的輪軌接觸幾何關(guān)系均無明顯變化。

(2) CRH2A型兩列跟蹤測試的動車組構(gòu)架橫向穩(wěn)定性滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，未出現(xiàn)橫向失穩(wěn)現(xiàn)象；車體橫向和垂向平穩(wěn)性除個別點(diǎn)為良外，其余點(diǎn)均為優(yōu)；在三級修間隔周期延長60萬km后車輛動力學(xué)性能滿足規(guī)范要求。因此，兩列跟蹤動車組在延長三級修間隔周期后，三級修前的各項振動性能及磨耗情況與60萬km時對比無明顯變化，均滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求。本文建議，CRH2型車三級修可在走行120萬km后進(jìn)行，與CRH1、CRH3、CRH5型檢修周期保持一致。