CRH1型動(dòng)車組車輪偏磨與動(dòng)力學(xué)性能分析

詹凌峰 尹慶玲 馬春文

摘要：為了研究車輪異常磨耗對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響的規(guī)律，本文對(duì)某CRH1型動(dòng)車組進(jìn)行了持續(xù)跟蹤測(cè)試，得出了車輪外形及磨耗數(shù)據(jù)，并分析了其輪緣、踏面厚度、等效錐度與車體振動(dòng)加速度等主要參數(shù)。結(jié)果表明：各車輪均存在明顯的輪緣偏磨現(xiàn)象，且磨耗速度與運(yùn)行里程成正增長(zhǎng)趨勢(shì)，車輪偏磨直接影響了車輛的橫向穩(wěn)定性。

Abstract： In order to study the law of the influence of abnormal wheel abrasion on vehicle dynamic performance， a continuous tracking test on a certain CRH1 EMU was carried out in this paper. The wheel shape and abrasion data was obtained ， and main parameters， such as rim， tread thickness， equivalent taper and vibration acceleration of the vehicle body were analyzed. The results showed that an obvious phenomenon of wheel edge eccentric wear appeared in each wheel ， the wear speed was directly proportional to running mileage， and wheel eccentric wear directly affected the lateral stability of vehicles.

關(guān)鍵詞：CRH1;異常磨耗;動(dòng)力學(xué)性能

Key words： CRH1;abnormal wear;dynamic performance

0 ?引言

隨著社會(huì)和高鐵的快速發(fā)展，動(dòng)車組的安全性和舒適性也顯得日益突出，其中車輪異常磨耗直接決定了車輛運(yùn)行的安全性和舒適性，也影響著車輛的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本[1]。隨著列車的持續(xù)運(yùn)營(yíng)，踏面磨耗程度明顯加劇，車輪偏磨現(xiàn)象產(chǎn)生，嚴(yán)重影響輪軌接觸關(guān)系[2]，從而影響車輛的動(dòng)力學(xué)性能，甚至?xí)饑?yán)重的安全事故[3]。為了找到適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案，必須先得到列車運(yùn)行過程的車輪磨耗規(guī)律及對(duì)應(yīng)的車輛動(dòng)力學(xué)規(guī)律[4]，遂開展對(duì)某CRH1型動(dòng)車組長(zhǎng)期的車輪磨耗和車輛動(dòng)振動(dòng)數(shù)據(jù)的檢測(cè)工作。

1 ?數(shù)據(jù)測(cè)量方案設(shè)計(jì)

一次完整的監(jiān)測(cè)工作從該動(dòng)車組剛進(jìn)行車輪鏇修工作開始，直到下一次的車輪鏇修[5]（即一個(gè)鏇修周期），共需進(jìn)行8次數(shù)據(jù)測(cè)量，測(cè)量的數(shù)據(jù)包括車輪踏面外形數(shù)據(jù)和車輛動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)，而車輛動(dòng)力學(xué)性能往往依靠車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和軸箱的振動(dòng)加速度來衡量。測(cè)量車輪踏面外形的設(shè)備為GREENWOOD公司生產(chǎn)的MiniProf手持車輪外形測(cè)量?jī)x，車輛各部位的振動(dòng)加速的采集和分析使用中國(guó)鐵道科學(xué)研究院自主研發(fā)的DASO軟件和相應(yīng)的振動(dòng)采集儀，測(cè)量周期為3-5萬km。

1.1 測(cè)點(diǎn)布置方案

跟蹤檢測(cè)動(dòng)車組為8輛編組動(dòng)車組，其測(cè)點(diǎn)布置在8車司機(jī)室（即2號(hào)司機(jī)室）對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向架。具體測(cè)點(diǎn)布置情況見圖1。在2號(hào)司機(jī)室車體布置縱向、橫向、垂向加速度傳感器和陀螺儀，在軸箱布置了橫向、垂向加速度傳感器，在構(gòu)架布置了橫向、垂向加速度傳感器和雷達(dá)測(cè)速儀。

1.2 數(shù)據(jù)處理及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 磨耗數(shù)據(jù)處理方法

通過手持車輪外形測(cè)量?jī)x對(duì)車輪輪緣踏面廓形進(jìn)行測(cè)量，由測(cè)量得到的車輪輪緣踏面廓形數(shù)據(jù)計(jì)算得到輪緣高度、厚度，車輪直徑，踏面磨耗、qR值等參數(shù)，測(cè)量尺寸見圖2。

為便于對(duì)車輪外形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，現(xiàn)定義如下：

①對(duì)每節(jié)車的車輪進(jìn)行如下定義：站在1車面向8車，左手側(cè)為左輪，左側(cè)分別為1號(hào)輪、3號(hào)輪、5號(hào)輪和7號(hào)輪，右側(cè)以此類推。

②單次輪緣磨耗量計(jì)算方法：兩次測(cè)量的輪緣厚度之差，作為輪緣磨耗量。

③單次車輪踏面磨耗量計(jì)算方法，兩次測(cè)量的輪緣高度差，作為車輪踏面磨耗量。

④10萬公里平均輪緣、踏面磨耗量。

輪緣或踏面10萬公里平均磨耗量=（鏇修周期內(nèi)最后一次測(cè)量結(jié)果-鏇修周期第1次測(cè)量結(jié)果）/兩次測(cè)試的走行里程差×10萬公里。

1.2.2 振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)處理方法

車體加速度濾波頻率為0.5～40Hz，構(gòu)架橫向加速度濾波頻率為0.5～10Hz，構(gòu)架垂向加速度和軸箱橫向、垂向加速度濾波頻率為0.5～40Hz。

1.2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

①車輪外形磨耗、等效錐度、輪軌幾何接觸關(guān)系無相對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

②車體平穩(wěn)性和車體加速度評(píng)價(jià)指標(biāo)見GB5599-85[6]。具體表見表1。

2 ?車輪外形測(cè)量結(jié)果

2.1 車輪磨耗隨里程的變化規(guī)律

表2和表3為該動(dòng)車組從鏇修后0公里運(yùn)行到32.5萬公里時(shí)，8號(hào)車車輪踏面和輪緣處磨耗量統(tǒng)計(jì)情況，圖3至圖4為踏面和輪緣磨耗量隨列車行走里程的變化趨勢(shì)。

由圖3、圖4可得：

①踏面和輪緣的磨耗量隨運(yùn)營(yíng)里程的增加而變大，踏面磨耗速率后期有逐漸變緩的趨勢(shì)，而踏面磨耗速率在0～28.7萬公里間呈現(xiàn)緩慢降低趨勢(shì)，28.7～32.5萬公里卻突然增大。不同車輪的踏面和輪緣磨耗量有著明顯的個(gè)體差異，磨耗量最小值與最大值對(duì)應(yīng)的車輪號(hào)也不一致。

②幾乎所有的車輪都有輪緣偏磨現(xiàn)象，該動(dòng)車組外側(cè)輪緣磨耗量大于內(nèi)側(cè)輪緣磨耗量，即同一車軸上，單號(hào)車輪的輪緣磨耗量比雙號(hào)車輪的大。

2.2 等效錐度隨里程的變化規(guī)律

如圖5所示，動(dòng)車組等效錐度 總體趨勢(shì)隨運(yùn)行里程的增加而緩慢增大，但部分里程區(qū)段會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。橫移量為1mm車的等效錐度與橫移量為3mm處的等效錐度隨運(yùn)行里程的變化趨勢(shì)相似，但橫移量為1mm處的等效錐度數(shù)值均大于橫移量3mm處的等效錐度值。

2.3 輪軌接觸幾何關(guān)系隨運(yùn)行里程變化規(guī)律

如圖6所示，動(dòng)車組車輪磨耗后輪軌接觸均存在多點(diǎn)接觸現(xiàn)象;動(dòng)車組輪軌接觸區(qū)域在不同時(shí)期表現(xiàn)出不同特點(diǎn)，鏇修初期輪軌接觸點(diǎn)較均勻，后期輪軌接觸點(diǎn)又集中在滾動(dòng)圓兩側(cè)區(qū)域。

3 ?振動(dòng)性能測(cè)試結(jié)果

3.1 構(gòu)架橫向穩(wěn)定性指標(biāo)

根據(jù)《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》[8]，經(jīng)10Hz濾波后，構(gòu)架橫向加速度峰值未連續(xù)6次以上達(dá)到或超過0.8g～1.0g（g=10m/s2），即符合《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》要求。先后8次跟蹤測(cè)試該CRH1型動(dòng)車組的構(gòu)架與車體加速度，利用DASO軟件的數(shù)據(jù)處理模塊得構(gòu)架橫向加速度，并得出了構(gòu)架橫向加速度時(shí)域波形圖。如圖7和圖8所示，在第8次測(cè)試過程中，該動(dòng)車組分別以上下行工況運(yùn)行的構(gòu)架橫向加速度隨速度的變化圖，測(cè)試過程中構(gòu)架橫向加速度沒有連續(xù)出現(xiàn)加速度大于限值的現(xiàn)象，即沒有出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，但已有接近限值的趨勢(shì)。

3.2 車體平穩(wěn)性指標(biāo)

圖9和圖10分別為鏇修后，該動(dòng)車組運(yùn)行31萬公里后，車體橫向和垂向平穩(wěn)性隨運(yùn)行速度變化規(guī)律散點(diǎn)圖。結(jié)果表明，車體平穩(wěn)性隨速度的增加呈不斷增大的趨勢(shì)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值約為2.5，垂向平穩(wěn)性最大值約為2.2，根據(jù)GB5599-85可知，在正常速度范圍內(nèi)，該動(dòng)車組車體平穩(wěn)性指標(biāo)雖然為優(yōu)，但已接近良的界限。

4 ?結(jié)論

經(jīng)過針對(duì)某CRH1型動(dòng)車組先后8次的跟蹤測(cè)試，得出以下結(jié)論：①從車輪外形數(shù)據(jù)可知，車輪踏面和輪緣磨耗皆隨運(yùn)行速度的增加而增大，且輪緣存在明顯的偏磨現(xiàn)象（單號(hào)輪磨耗量明顯大于雙號(hào)輪磨耗量）。②輪軌接觸幾何和等效錐度的變化顯示，隨著里程的增加，輪軌接觸區(qū)域主要集中在名義滾動(dòng)圓兩側(cè)，等效錐度趨于平穩(wěn)，有利于車輛的平穩(wěn)運(yùn)行。③從檢測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)來看，在一個(gè)鏇修周期內(nèi)，車輛動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)皆正常，但隨著車輪輪緣偏磨的加劇，構(gòu)架橫向穩(wěn)定性和車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)有明顯下降的跡象。因此，亟需進(jìn)一步加強(qiáng)研究并得出解決車輪輪緣偏磨對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響的措施，從而從根本上消除車輪偏磨給車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適性的隱患。

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課題項(xiàng)目：柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（2018-KJA03）。