CRH3動車組橫向加速度超限報警與輪對踏面外形尺寸的相關性分析研究

曾 旗， 丁陽春， 李邦偉， 李 斌

(廣州鐵路(集團)公司 廣州動車段， 廣東廣州 510000)

CRH3動車組橫向加速度超限報警與輪對踏面外形尺寸的相關性分析研究

曾 旗， 丁陽春， 李邦偉， 李 斌

(廣州鐵路(集團)公司 廣州動車段， 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)報警故障的CRH3動車組的輪對踏面外形尺寸，著重分析了橫向加速度超限報警故障與S1002CN踏面外形各尺寸參數變化的相關性，提出了基于合理控制橫向加速度超限報警故障的輪對旋修建議。

動車組； 踏面外形尺寸； 橫向加速度； 相關性分析

輪對踏面外形尺寸是輪軌關系的關鍵因素之一，良好的踏面外形不僅能滿足車輛動力學性能要求，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計大體相同，輪對在運動過程中，應盡量保證踏面與鋼軌一點接觸，以減輕輪緣軌側磨損；輪緣設計應保證足夠的安全性，利于輪對通過曲線和運行穩定。因此，車輪的踏面形狀對車輪的運行安全性、穩定性起著至關重要的作用。國內外學者、科研機構一直在不斷研究、探索，試圖找到一種滿足高速列車動力學性能的最佳輪軌關系。但由于輪軌關系的復雜性及動力學性能研究受太多外界條件限制，多數研究都只能停留在函數建模、仿真計算或者是純理論分析上，缺乏實踐應用的驗證。

目前國內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動車組車輪采用了S1002CN型踏面，在運行前期，CRH3動車組頻繁出現了橫向加速度超限(173D/173E)報警故障，致使動車組運行速度自動降至200 km/h以下甚至自停車，對武廣線的運行秩序造成嚴重影響。為此，本文試圖通過對CRH3動車組實際運行過程中報警車組的統計分析，對報警車組的輪對進行長期跟蹤測量，研究CRH3動車組輪對踏面外形尺寸變化與CRH3動車組橫向加速度報警故障的相關規律性。

1 CRH3動車組橫向加速度超限報警故障的專項調查研究

1.1 對橫向加速度檢測系統的檢查

2010年6月以來，武廣線運營中的CRH3動車組頻頻報出故障。6月由克諾爾公司對報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進行檢查，確定橫向加速度檢測系統無故障。更換下的傳感器返回克諾爾公司進行振動測試，克諾爾公司7月初返回的測試結果顯示其橫向加速度傳感器功能正常，從而排除動車組橫向加速度檢測系統本身故障。

1.2 對報警車組進行的初步統計分析

調取(廣州南動車所，簡稱：廣南所)數據顯示：廣南所共有CRH3動車組51組，有40組在3個半月內發生過橫向加速度超限報警故障，占總數78.4%(具體統計見圖1)。因此，可以排除橫向加速度超限報警故障為個別車組的偶然因素造成。

從統計的報警車組信息可知：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警故障，因此我們對輪對踏面外形作進一步研究。

1.3 對報警車輛輪對踏面外形尺寸的跟蹤測量分析

為此廣州動車段成立CRH3動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警故障開展專項調查研究。測量分析小組經過半年多的時間，做了如下工作：

(1)對大部分橫向加速度超限報警的動車組，在入庫檢修時安排輪對踏面外形尺寸測量，積累原始數據。從9月25日起至11月底，共完成55個車，440組踏面數據的測量工作。

圖1 各車組橫向加速度報警故障次數統計

圖2 報警頻次較高的5組車各月報警總數

(2)根據8、9月份的故障頻次，選擇報警頻次較多的3034車、3040車、3042車3組動車組和報警頻次極少的3039車、3049車兩組動車組。另外選擇新投入運行的3064車、3076車兩組動車組，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車組輪對旋修后走行里程的變化規律。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據。

2 輪對踏面外形尺寸變化與橫向加速度超限報警的相關性分析

根據測量小組幾個月來的測量數據，得到橫向加速度超限報警時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，我們可以對這些離散的點進行多元回歸分析，求解多元線性回歸方程，以建立橫向加速度報警時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系。

2.1 回歸分析參數的選擇

(1)等效錐度。許多研究表明，等效錐度是影響車輛動力學性能的重要因素[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。輪對出現輪徑差，輪對勢必向輪徑小的一側移動，使輪對偏移軌道中心線。輪軸管理中，對同軸輪徑差也有嚴格的控制。

(3)同架反向輪徑差。沈茂儒等研究表明[3]，所有輪徑差都會影響行車安全性，隨著輪徑差的增大，車輛運行安全性指標逐漸變差。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知道CRH3動車組輪對踏面運行磨耗較小，每運行10萬 km踏面磨耗大約只有0.35 mm，但高速動車組輪對踏面磨耗之后，各動力學性能會不同程度下降，臨界速度的降低比較明顯，動車組的平穩性變差，有時甚至會產生短暫的晃動。因此，踏面磨耗也需列入考察范圍。

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

(6)輪對內側距。我國輪對內側距標準規定為1 353 mm，與歐洲標準1 360 mm有差別。多個研究表明無論在直線軌道和曲線軌道上，各種車速下，隨著內側距的增加，踏面磨耗深度將增大，磨耗位置向輪緣側移動。但運行中輪對內側距在動車組出廠時已經定型，不會有任何變化，故不將其列入考察范圍。

(7)QR值。為簡化自變量的個數，減少不必要的計算，我們先分析輪對踏面外形尺寸參數之間的關系。武廣線屬于無砟軌道，其博格板是鋼筋混凝土預制件，作為鋼軌承載臺，并且具有高平順等優點，CRH3動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系，因此其輪緣高、輪緣厚、輪緣角3個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有：QR值，輪對磨耗、輪對凹陷、等效錐度、輪徑差。

2.2 各參數的相關性分析

通過對測量的數據進行統計分析，可以看出這些參數與橫向加速度報警時的旋修后走行里程之間存在一定關系。

圖4 QR平均值與標準QR值之差隨旋修后走行里程的變化規律

圖5 QR值與標準QR值之差與故障分布關系

(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區間內，對應旋修后走行里程為13～20萬km。QR標準值為9.9，當降低0.4以后，橫向加速度超限報警故障發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律

圖7 輪對等效錐度與旋修后走行里程的變化規律

圖8 等效錐度范圍與故障分布關系

(3)從圖7，圖8可知：橫向加速度超限報警故障主要集中在等效錐度0.3～0.4區間內，對應旋修后走行里程為13～20萬km，等效錐度值在大于0.25時，故障幾率成上升趨勢，當等效錐度接近0.35時，故障幾率最高。

設橫向加速度超限報警時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為x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10，x11。我們必須先搞清楚每一個自變量對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，以便于更好地進行后面的預測與控制。

利用Excel加載宏工具[6]能夠快速計算出各自變量與因變量之間的相關系數r，結果如表1。

表1 各自變量與因變量之間的相關系數

|r|越接近于1，說明y與xi的相關程度越密切；|r|越接近于0，說明y與xi的相關程度越小。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個參數，不再加與考慮。

2.3 求解多元回歸方程及顯著性檢驗

重新設定自變量前輪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、后軸輪徑差分別設為u1，u2，u3，u4，u5，u6，u7，旋修后走行里程設為因變量y。

設回歸方程為：

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

b5u5+b6u6+b7u7

同樣，利用Excel加載宏工具能夠快速計算出自變量的系數如下表2。

表2 各自變量系數

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，系數是負值的因素，會限制輪對旋修后走行里程；同時后軸的QR值和踏面磨耗的變化比對橫向加速度超限報警反映靈敏。而前、后軸的等效錐度數值變化比對橫向加速度超限報警貢獻基本相同。踏面磨耗(單位：0.01 mm)因數值變化微小，故其系數大；而輪徑差(單位：1 mm)數值變化大，故其系數小。各參數的系數反映了其增量一個單位對橫向加速度超限報警的影響程度。

2.4 回歸方程顯著性檢驗：

計算得，F=6.845 03

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

3 CRH3動車組橫向加速度報警預測

通過上面對踏面外形變化研究，可以看出橫向加速度報警并非取決于單一某個值的變化，而是受多個因素共同作用的結果，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警影響起到比較顯著的影響而已。因此，我們需要進一步探討求證，QR值、踏面等效錐度、踏面磨耗、后軸輪徑差這些值在達到一定數值時，動車組橫向加速度出現超限報警的旋修后走行里程會處于什么范圍。

根據大量測量統計，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。

由于我們的測量數據n=36較大，而且各自變量因素取值接近于平均值，可以認為y的預測區間近似地為

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，橫向加速度超限報警時的旋修后累計公里數的區間范圍為(14.5242，18.731 8)。

也就是說，在武廣線上運行的CRH3動車組在軌道、區間、環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應為(16.5±2)萬km。

4 結 論

(1) 輪對踏面外形尺寸是輪軌關系中最重要的部分，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警影響比較顯著。

(2) 在不考慮軌道、區間、環境氣候等外界條件影響的情況下，武廣線上運行的CRH3動車組其最佳的旋修公里數應為16.5±2萬km。

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

[2] 張 劍，金學松，孫麗萍，等. 基于CRH5型高速動車組車輛輪對的動態特性與等效錐度關系初探[J]. 鐵道學報，2010，32(3):20-27.

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

[4] 黃運華，李 芾，傅茂海，等. 踏面形狀對地鐵車輛動力學性能的影響[J]. 機車電傳動，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定性分析[J]. 機械工程學報，2008,44(3)22-28.

[6] Excel Home. Excel 2007 實戰技巧精粹[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