CRH2型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架三級(jí)修優(yōu)化研究 *

彭國(guó)平, 弓海斌, 王海濤, 張華麗, 楊 晟, 鄔平波

(1 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 山東青島 266111；2 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031)

高速動(dòng)車組三級(jí)修需要將轉(zhuǎn)向架與車體分離，并分解輪對(duì)，是現(xiàn)有高級(jí)修等級(jí)中最低級(jí)的檢修。目前，CRH2平臺(tái)動(dòng)車組三級(jí)檢修的間隔周期為60萬(wàn)km或1.5 a，在實(shí)際檢修過(guò)程中，由于動(dòng)車組上線頻繁，單日運(yùn)行里程較長(zhǎng)，很多動(dòng)車組在1年左右運(yùn)行里程即達(dá)到60萬(wàn)km，需要進(jìn)行三級(jí)檢修，這嚴(yán)重制約動(dòng)車組上線率，影響CRH2平臺(tái)動(dòng)車組的競(jìng)爭(zhēng)力，迫切需要對(duì)現(xiàn)有檢修規(guī)程進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)將現(xiàn)行三級(jí)修調(diào)整優(yōu)化為在動(dòng)車運(yùn)用所即能執(zhí)行的動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架60萬(wàn)km專項(xiàng)修，即整車不落架、不分解輪對(duì)可有效解決上述問(wèn)題。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)指的是針對(duì)工程結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別及其特征化的策略和過(guò)程，目前在土木[1]、橋梁[2]等領(lǐng)域運(yùn)用較廣。文中運(yùn)用結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)理念，從可行性分析及實(shí)車驗(yàn)證、車輛動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)、關(guān)鍵零部件精密檢查3個(gè)方面，通過(guò)檢修積累、相關(guān)試驗(yàn)以及狀態(tài)監(jiān)控等健康檢測(cè)手段，對(duì)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架60萬(wàn)km專項(xiàng)修進(jìn)行全面分析。

1 可行性分析及實(shí)車驗(yàn)證

現(xiàn)行三級(jí)修包含齒輪箱、油壓減振器、軸箱定位節(jié)點(diǎn)和彈簧、聯(lián)軸節(jié)的檢查和性能測(cè)試。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架專項(xiàng)修，設(shè)計(jì)了齒輪箱檢查的相關(guān)工裝。通過(guò)前期檢修積累，對(duì)轉(zhuǎn)向架現(xiàn)行三級(jí)修需分解檢修的油壓減振器、軸箱定位節(jié)點(diǎn)和彈簧、聯(lián)軸節(jié)進(jìn)行取消相關(guān)檢修的可行性分析。

1.1 齒輪箱

現(xiàn)行三級(jí)檢修對(duì)齒輪箱的檢修主要包含齒輪箱內(nèi)部清洗及小齒輪軸承游隙測(cè)量。齒輪箱內(nèi)部清洗是為了去除齒輪箱箱體內(nèi)部軸承旋轉(zhuǎn)和齒輪嚙合產(chǎn)生的磨耗粉；小齒輪軸承游隙測(cè)量是由于圓錐滾子軸承軸向游隙對(duì)軸承旋轉(zhuǎn)精度、承載能力和使用壽命等影響較大。

現(xiàn)車狀態(tài)下，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的齒輪箱沖洗工裝，對(duì)動(dòng)車組齒輪箱進(jìn)行內(nèi)部靜態(tài)沖洗作業(yè)，沖洗油通過(guò)齒輪箱的注油栓進(jìn)入，從箱體下方的排油栓處流出，強(qiáng)制循環(huán)沖洗達(dá)到清洗目的，如圖1所示。該清洗方式有效清洗了油位計(jì)視窗頂部至齒輪箱底部，清洗效果和現(xiàn)行三級(jí)檢修要求相當(dāng)。

圖1 齒輪箱現(xiàn)車清洗工裝

現(xiàn)車狀態(tài)下，使用兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架支撐轉(zhuǎn)輪裝置同步支撐同一條輪對(duì)兩側(cè)軸箱體下部，輪對(duì)處于懸空狀態(tài)，車輪可自由旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。使用小齒輪軸游隙測(cè)量工裝測(cè)量齒輪箱小軸游隙，如圖3所示，該測(cè)量方法與單輪對(duì)狀態(tài)所測(cè)小軸游隙測(cè)量值相差較小。

圖2 輪對(duì)支撐示意圖

圖3 小軸游隙測(cè)量示意圖

1.2 油壓減振器

三級(jí)修時(shí)存在少數(shù)垂向及抗蛇行減振器閥振動(dòng)、起步不良及阻尼力衰減等異常。而橫向減振器在三級(jí)檢修過(guò)程中未出現(xiàn)剛度測(cè)試不合格現(xiàn)象，因此，60萬(wàn)km專項(xiàng)修可取消橫向減振器的剛度測(cè)試，但仍需保留對(duì)垂向、抗蛇行減振器的剛度測(cè)試。

1.3 軸箱定位節(jié)點(diǎn)和彈簧

前期共計(jì)檢修12.6萬(wàn)多次軸箱定位節(jié)點(diǎn)，均未發(fā)現(xiàn)剛度超差及芯棒探傷裂紋。且從剛度檢測(cè)數(shù)據(jù)看，各高級(jí)修時(shí)軸箱定位節(jié)點(diǎn)剛度較為穩(wěn)定，在不同檢修周期內(nèi)變化趨勢(shì)相同，剛度值符合檢修規(guī)程要求。因此，60萬(wàn)km專項(xiàng)修取消軸箱定位節(jié)點(diǎn)剛度測(cè)試可行。

動(dòng)車組在運(yùn)用過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)過(guò)軸箱彈簧斷裂現(xiàn)象，且在前期三級(jí)檢修過(guò)程中未檢測(cè)出剛度不合格。每個(gè)轉(zhuǎn)向架配置4組軸箱彈簧，如果1組軸箱彈簧失效，另外3組也能起到平面支撐作用，不會(huì)導(dǎo)致構(gòu)架傾斜。鑒于軸箱彈簧的重要性，60萬(wàn)km專項(xiàng)修取消剛度測(cè)試的同時(shí)，仍保留對(duì)軸箱彈簧狀態(tài)檢查的要求。

1.4 聯(lián)軸節(jié)

現(xiàn)行有關(guān)聯(lián)軸節(jié)的三級(jí)檢修要求更換潤(rùn)滑油脂和橡膠擋水板，對(duì)小齒輪及外筒小齒輪部位進(jìn)行磁粉探傷。

60萬(wàn)km和120萬(wàn)km的聯(lián)軸節(jié)潤(rùn)滑脂化驗(yàn)表明，潤(rùn)滑油脂中各金屬元素含量都很小，符合相關(guān)要求。聯(lián)軸節(jié)擋水板和緩沖橡膠在60萬(wàn)km后其剛度、硬度、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率及扯斷強(qiáng)度與新品相差不大。

對(duì)齒面存在輕微點(diǎn)蝕的聯(lián)軸節(jié)，如圖4所示，按電機(jī)常用最大扭矩的強(qiáng)化扭矩，進(jìn)行齒面點(diǎn)蝕耐久試驗(yàn)，現(xiàn)車工況120萬(wàn)km后，齒面點(diǎn)蝕未見(jiàn)明顯擴(kuò)展，齒輪磨損量極小，如圖5所示。因此，60萬(wàn)km專項(xiàng)修可以取消聯(lián)軸節(jié)的檢修。

圖4 試驗(yàn)聯(lián)軸節(jié)

圖5 齒面點(diǎn)蝕耐久試驗(yàn)

綜上，通過(guò)設(shè)計(jì)齒輪箱內(nèi)部清洗及小齒輪軸承游隙測(cè)量的工裝，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)車狀態(tài)下齒輪箱的檢修。通過(guò)前期的檢修分析，轉(zhuǎn)向架60萬(wàn)km專項(xiàng)修可取消橫向減振器、軸箱定位節(jié)點(diǎn)和彈簧的剛度測(cè)試，取消聯(lián)軸節(jié)的檢修。只需要對(duì)垂向、抗蛇行減振器的剛度進(jìn)行測(cè)試，檢查軸箱彈簧的狀態(tài)。為驗(yàn)證方案的可行性及可實(shí)施性，選取了9列動(dòng)車組進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，實(shí)車驗(yàn)證過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)做未發(fā)生異常情況，檢修用時(shí)間遠(yuǎn)低于正常三級(jí)修，充分證明動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架60萬(wàn)km專項(xiàng)修可行性及可實(shí)施性，且優(yōu)化效果明顯。

2 軸箱軸承相關(guān)試驗(yàn)

現(xiàn)行三級(jí)檢修要求拆卸軸箱體后對(duì)軸箱軸承外觀狀態(tài)檢查，軸承潤(rùn)滑脂泄漏不超標(biāo)，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承，要求轉(zhuǎn)動(dòng)靈活無(wú)卡阻。由于轉(zhuǎn)向架60萬(wàn)km專項(xiàng)修不拆解軸箱體，因此無(wú)法進(jìn)行上述檢查，為確保軸箱軸承的健康狀態(tài)，軸箱軸承需要從耐久性試驗(yàn)、剝離擴(kuò)展試驗(yàn)、狀態(tài)監(jiān)控措施等方面進(jìn)行檢修周期延長(zhǎng)可行性分析。

2.1 耐久性試驗(yàn)

對(duì)新品軸箱軸承進(jìn)行120萬(wàn)km耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，軸承溫升、潤(rùn)滑脂狀態(tài)、軸承分解后狀態(tài)、密封圈及接觸部狀態(tài)正常，綜合判斷滿足EN 12082標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 剝離擴(kuò)展試驗(yàn)

軸箱軸承的電蝕、潤(rùn)滑脂泄漏或失效進(jìn)一步惡化可能導(dǎo)致軸承剝離，軸承剝離直接影響動(dòng)車組的運(yùn)營(yíng)安全。選取外圈滾道面上存在軸向剝離的軸承，如圖6所示，在剝離擴(kuò)展試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行剝離擴(kuò)展試驗(yàn)，運(yùn)行59.1萬(wàn)km后，溫度不超過(guò)EN 12082標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，但軸承內(nèi)外滾道均有許多小的凹坑，滾子滾動(dòng)面有許多環(huán)狀的磨損痕跡，有明顯深度，滾子大端面有一定程度的磨損，保持架完好。軸承剝離區(qū)域沿圓周方向有所擴(kuò)展。同時(shí)，相比新品軸承，剝離軸承的溫度和振動(dòng)測(cè)試數(shù)值明顯較高。但試驗(yàn)結(jié)束后軸承沒(méi)有出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象，同時(shí)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)咬粘的征兆，如圖7所示。因此，存在輕微剝離的情況下，軸承剝離擴(kuò)展速度緩慢，不會(huì)影響運(yùn)行安全。

圖6 軸箱軸承剝離試驗(yàn)(擴(kuò)展前)

2.3 狀態(tài)監(jiān)控

動(dòng)車組裝有對(duì)軸箱軸承溫度監(jiān)控的熔斷式溫度檢測(cè)器或?qū)崟r(shí)軸溫傳感器，通過(guò)熔斷式溫度檢測(cè)器和實(shí)時(shí)溫度傳感器，在運(yùn)用過(guò)程中軸箱軸承如發(fā)生狀態(tài)異常，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸箱軸承異常。

軸箱軸承既要保證動(dòng)車組的運(yùn)用安全，又要實(shí)現(xiàn)三級(jí)修優(yōu)化，除動(dòng)車組自帶的軸溫監(jiān)控措施外，在現(xiàn)車狀態(tài)下，通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)軸承狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控也是保障動(dòng)車組運(yùn)用安全的重要措施。

滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)(TADS系統(tǒng))采用先進(jìn)的軌邊聲學(xué)指向跟蹤技術(shù)、聲音頻譜分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)智能識(shí)別技術(shù)[3]，如圖8所示，可對(duì)動(dòng)車組軸箱軸承內(nèi)、外圈滾道和滾動(dòng)體裂紋、剝離、磨損及腐蝕等故障進(jìn)行早期診斷及分級(jí)報(bào)警。

圖7 軸箱軸承剝離試驗(yàn)(擴(kuò)展后)

圖8 軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)

綜上，通過(guò)耐久性試驗(yàn)得出軸箱軸承可運(yùn)行120萬(wàn)km；通過(guò)剝離擴(kuò)展試驗(yàn)，得出了存在輕微剝離的情況下，剝離擴(kuò)展速度相對(duì)較慢，不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)引起溫度、振動(dòng)異常等影響運(yùn)行安全的問(wèn)題；熔斷式軸溫檢測(cè)器或?qū)崟r(shí)軸溫傳感器以及軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)的監(jiān)控下，可確保軸箱軸承的運(yùn)行安全。

3 車輛動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

為了評(píng)估動(dòng)車組運(yùn)行60萬(wàn)km并進(jìn)行了專項(xiàng)修后在線路服役過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)性能，針對(duì)CRH2型動(dòng)車組開(kāi)展車輪旋輪前、后的動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試，傳感器類型與安裝位置如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)向架測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)傳感器布置如圖9所示，旋輪前后構(gòu)架橫向加速度經(jīng)0.5～10 Hz濾波后，均無(wú)大幅值諧波，其中某20 s的時(shí)域信號(hào)如圖10所示。根據(jù)UIC 515標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)向架無(wú)失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)傳感器布置圖

圖10 構(gòu)架橫向加速度0.5～10 Hz濾波

車輛的平穩(wěn)性和舒適度指標(biāo)參考了GB/T 5599，旋輪前后相同線路一段時(shí)間內(nèi)的車輛平穩(wěn)性和舒適度數(shù)據(jù)如表2所示。旋輪前后橫向和垂向平穩(wěn)性均小于2.5，性能等級(jí)為優(yōu)。旋輪前后舒適度指標(biāo)均未超過(guò)2.0，性能指標(biāo)為舒適。

因此，動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架60萬(wàn)km專項(xiàng)修后，在各個(gè)階段車輛動(dòng)力學(xué)性能均良好。

表2 旋輪前后車輪運(yùn)行品質(zhì)指標(biāo)

4 關(guān)鍵零部件精密檢查

為進(jìn)一步掌握動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架60萬(wàn)km專項(xiàng)修后各優(yōu)化修部件的狀態(tài)，在四級(jí)修中，對(duì)60萬(wàn)km專項(xiàng)修檢修優(yōu)化部件進(jìn)行精密檢查和性能測(cè)試，主要包含齒輪箱、橫向減振器、軸箱和聯(lián)軸節(jié)等。

4.1 齒輪箱

齒輪箱各部件外觀狀態(tài)良好，磁栓附著物細(xì)膩，潤(rùn)滑油檢測(cè)符合要求，齒輪箱小齒輪軸軸向游隙測(cè)量值在0.13～0.17 mm之間，如圖11所示，各項(xiàng)檢查均符合要求。

圖11 小軸軸向游隙

4.2 橫向減振器

橫向減振器整體外觀狀態(tài)良好，橡膠節(jié)點(diǎn)無(wú)龜裂、剝離等老化現(xiàn)象。對(duì)橫向減振器進(jìn)行功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果整體阻尼力平穩(wěn)，阻尼性能符合規(guī)程要求，如圖12所示。

圖12 橫向減振器拉伸阻尼力情況

4.3 軸箱

從分解檢修情況看，軸箱軸承60萬(wàn)km專項(xiàng)修后的報(bào)廢率與正常四級(jí)修基本持平。對(duì)部分軸箱軸承進(jìn)行精密分解檢查，檢查內(nèi)容包含外觀狀況、尺寸精度、圓度形狀、母線形狀、電蝕調(diào)查、潤(rùn)滑脂分析、油封調(diào)查，各項(xiàng)檢查均未發(fā)現(xiàn)異常。

定位節(jié)點(diǎn)橡膠結(jié)合面之間無(wú)開(kāi)裂，橡膠表面無(wú)溶膠、破損、龜裂、老化，剛度測(cè)量值集中在5.5 MN/m左右，符合要求，如圖13所示。

軸箱彈簧外觀檢查狀態(tài)良好，探傷無(wú)缺陷，內(nèi)、外彈簧自由高檢測(cè)均符合要求，載荷高均未超限，如圖14所示。

圖13 定位節(jié)點(diǎn)剛度測(cè)試

圖14 軸箱彈簧高度測(cè)量

此外，聯(lián)軸節(jié)各部件外觀狀態(tài)良好，滿足動(dòng)車組高級(jí)修各項(xiàng)技術(shù)要求，外筒及小齒輪探傷無(wú)異常，滿足動(dòng)車組高級(jí)修各項(xiàng)技術(shù)要求。

綜上，通過(guò)對(duì)零部件的精密檢查，確認(rèn)60萬(wàn)km專項(xiàng)修檢修優(yōu)化部件狀態(tài)及性能良好，進(jìn)一步確定了動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架60萬(wàn)km專項(xiàng)修可行。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)梳理CRH2型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的檢修數(shù)據(jù)的積累，提出一種新轉(zhuǎn)向架專項(xiàng)修方案。新方案取消了油壓減振器、軸箱定位節(jié)點(diǎn)和彈簧、聯(lián)軸節(jié)的檢修；設(shè)計(jì)了齒輪箱內(nèi)部清洗及小齒輪軸承游隙測(cè)量的工裝來(lái)進(jìn)行現(xiàn)車狀態(tài)的齒輪箱檢修。實(shí)車驗(yàn)證表明，上述零部件并未出現(xiàn)異常，證明了專項(xiàng)修的可實(shí)施性。軸箱軸承的相關(guān)試驗(yàn)和狀態(tài)監(jiān)控，確保了不拆解檢修軸箱體的情況下，軸箱軸承安全運(yùn)行。

(2)線路動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)顯示CRH2動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架專項(xiàng)修后，車輛的動(dòng)力學(xué)性能良好；對(duì)專項(xiàng)修后運(yùn)行了60萬(wàn)km的動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架相關(guān)部件檢查，檢查結(jié)果顯示各零部件狀態(tài)及性能良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的專項(xiàng)修方案可行。

(3)提出的CRH2轉(zhuǎn)向架60萬(wàn)km專項(xiàng)修方案，推進(jìn)了動(dòng)車組高級(jí)修周期的優(yōu)化研究，顯著地提高了動(dòng)車組的上線率，大幅度節(jié)省人力、物力、財(cái)力，提高了檢修效率并實(shí)現(xiàn)降本增效，進(jìn)一步提高了該型動(dòng)車組的競(jìng)爭(zhēng)力。