蘭新客專動車組轉向架一系垂向止擋斷裂問題的分析處理

宋永順， 劉 苗， 馮前前， 陳中帥

(中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司 車輛處， 烏魯木齊 830011)

2014年蘭新客專開通運營以來，動車組在風沙環(huán)境運行交路和運營里程不斷增加，長交路、高寒抗風沙的運用需求對動車組車輛的耐久性和可靠性提出了更高的要求，其中轉向架作為動車組的走行部位對動車組的安全運行至關重要，復雜運行狀態(tài)下的輪軌激擾直接影響轉向架一系簧下部件的可靠性。因此對于動車組輪對上安裝零部件的故障問題要進行系統(tǒng)的調查分析，在保證行車安全的基礎上妥善處理問題。

1 止擋斷裂問題概況

2015年蘭新客專某動車組入庫進行例行檢查時發(fā)現(xiàn)3車1位轉向架2、3位軸端一系垂向止擋發(fā)生斷裂(斷裂止擋照片見圖1)，斷裂部位在“工”字形止擋立柱下部。之后在同一條線路運行的該型動車組又連續(xù)發(fā)生多起轉向架一系垂向止擋斷裂故障且斷裂位置相同。如果該止擋在動車組高速運行過程中發(fā)生斷裂進而脫落，脫落的止擋可能會擊打損壞轉向架零部件、車體下部設備艙、線路設備及鋼軌等，因此該故障嚴重影響了動車組在蘭新客專的行車安全。

圖1 斷裂的一系垂向止擋

2 止擋結構和功能

該動車組一系垂向止擋通過M14的螺栓安裝于軸箱過渡蓋上，止擋上部穿過構架側梁下蓋板的限位卡槽，止擋與卡槽之間保持一定的安全距離。該止擋的功能是用于限制輪對與構架之間在垂向方向上的位移，實現(xiàn)輪對隨轉向架的整體起吊功能，用于轉向架檢修作業(yè)、整車起吊作業(yè)(如復軌)等，在動車組高速運行過程中無作用，具體結構和功能見圖2。

圖2 一系垂向止擋的安裝和功能

止擋的外形輪廓尺寸和螺栓緊固方式見圖3，該止擋為整體鍛鋼件，厚度為17 mm，材質為39NiCrMo3。止擋未進行過設計更改，且故障前同型號動車組在其他線路上已安全運行7年，最高運行里程超過360萬km。

3 故障調查分析

根據故障現(xiàn)象和動車組運用情況，應該從斷口形貌、安裝間隙、固有模態(tài)和線路測試等方面來全面系統(tǒng)分析故障原因。

3.1 斷口形貌

對斷裂止擋的斷口形貌進行觀察分析，斷口可見疲勞輝紋典型特征以及發(fā)生脆性斷裂的瞬斷區(qū)，呈現(xiàn)明顯的疲勞裂紋擴展形式(見圖4)。

1-平墊圈； 2-彈墊； 3-螺母； 4-軸箱過渡蓋； 5-一系垂向止擋； 6-防松片； 7-螺栓。圖3 止擋外形尺寸和安裝方式

圖4 斷口形貌

3.2 安裝間距核算

當車輛靜止停靠在平直軌道上且空車載荷工況下，從垂向、橫向、縱向3個方向測量核算一系垂向止擋與構架之間的靜態(tài)安裝間距(見圖5)，結果顯示：縱向間距A為10 mm，橫向間距C為10 mm，垂向間距B為28 mm。

圖5 安裝間距圖示

該型動車組一系懸掛為內側和外側兩套雙圈螺旋鋼彈簧，軸箱定位采用雙拉桿定位(見圖6)。對于縱向間距A，由于軸箱定位拉桿剛度較大，軸箱受力均衡且在不同載荷工況下軸箱處于水平狀態(tài)，因此縱向位移小于5 mm，A值滿足要求。對于垂向間距B，當車輛載重時B值增大約10 mm，在車輛運行過程中一系鋼彈簧垂向動態(tài)位移量為鋼彈簧靜態(tài)位移量的30%，約為±20 mm，小于初始安裝值28 mm。對于橫向間距C，經線路實測輪對相對于構架的最大橫向位移為8 mm，小于C值。因此該止擋與構架各向的安全間距值是合理的，能夠確保車輛正常運行時不會產生異常接觸。通過對斷裂止擋和對應構架表面觀察，也未發(fā)現(xiàn)沖擊和磕碰的痕跡，因此止擋斷裂問題與止擋與構架之間的安裝間距無關。

圖6 一系懸掛圖示

3.3 固有模態(tài)

模態(tài)是結構系統(tǒng)的固有振動特性。一個零部件的外形尺寸和材質確定了其模態(tài)特性。每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。對于一系垂向止擋而言，其外形尺寸和安裝方式屬于懸臂件，采用有限元方式對一系垂向止擋進行模態(tài)分析，分析結果如表1所示。其一階固有頻率為555 Hz，振型為橫向彎曲，如圖7(a)所示；二階主頻為1 283 Hz，振型為縱向彎曲，如圖7(b)所示。

表1 一系垂向止擋模態(tài)分析

圖7 一系垂向止擋模態(tài)

3.4 線路測試

蘭新客運專線全長1 776 km，沿線區(qū)域內地形地貌復雜，高原、山地、盆地、戈壁、沙漠相間，是世界上首條高寒風沙的高速鐵路客運專線，從烏魯木齊站到蘭州站動車組全程運行時間約11.5～12 h，中途停靠9～11個站點，平均站間距離約200 km，平均站間運行時間1 h。因此，對于蘭新客專開行的動車組具有長距離、長時間勻速運行的特點。為了更好的掌握動車組運行過程中一系垂向止擋的實際狀態(tài)，對發(fā)生止擋斷裂的動車組進行了線路測試，在軸箱以及一系垂向止擋頂部安裝了加速傳感器。通過測試發(fā)現(xiàn)，在同一時刻，止擋頂部振動遠大于軸箱振動，即止擋懸臂頂部振動明顯大于止擋與軸箱螺栓連接部位振動。在車輪旋修前，選取動車組勻速200 km/h運行時的同一時刻軸箱和止擋頂部的振動，比較其均方根值發(fā)現(xiàn)，軸箱處的橫向振動傳遞至止擋后被顯著放大，具體數值見表2。

表2 軸箱及止擋振動加速度 m·s-2

通過對軸箱及止擋的橫向振動頻譜分析發(fā)現(xiàn)，軸箱和止擋橫向振動的顯著頻率主要集中在300 Hz至520 Hz頻率范圍內，以520 Hz為主峰值，并伴隨20 Hz的調制頻率，止擋橫向振動能量遠大于軸箱，如圖8所示。實測520 Hz振動主頻已經與理論計算得出的一系垂向止擋橫向彎曲模態(tài)振型頻率接近，說明此時在軸箱較寬振動頻率激擾下，一系垂向止擋已經發(fā)生共振，橫向振動被放大，從而導致止擋下部發(fā)生疲勞裂紋至斷裂。

圖8 軸箱和止擋橫向振動特性

3.5 車輪多邊形測量

列車車輪多邊形磨耗也叫做車輪非圓化磨損或車輪波磨，它的特點是車輪半徑沿車輪一周呈周期性變化，其波長從十幾厘米延伸到整個車輪周長，對應的階數一般在1～30之間，車輪高階多邊形會引起轉向架部件的高頻異常振動，嚴重情況下將導致部件發(fā)生斷裂和破壞。本次調查中，采用BBM車輪不圓度測量儀，對止擋斷裂對應位置的車輪踏面進行了車輪不圓度測量，測量結果顯示該車輪滾動圓存在明顯的25階和26階多邊形(見圖9)。故障發(fā)生時動車組車輪旋修后運行里程為17萬km。之后在蘭新客專發(fā)生止擋斷裂動車組的運行里程也都在車輪旋修后15萬～19萬km之間，經過普查，這些發(fā)生止擋斷裂的動車組車輪也都存在明顯的25階至28階多邊形。

圖9 車輪多邊形測量

動車組車輪直徑D約為890 mm，運行速度為200 km/h，由公式f=v/πD，得到車輪的旋轉基頻約為19.9 Hz(即線路測試中采集到的20 Hz調制頻率)，由此推算出26邊形車輪對應約520 Hz振動主頻，與線路實測振動數據相符。考慮到輪軌之間的振動激擾影響因素很多，包括線路波磨、軌枕跨距、鋼軌模態(tài)、輪對模態(tài)等，所以在軸箱上反應出來的是頻率范圍較寬的振動頻率。

4 結論及措施

根據以上調查分析，可以判定一系垂向止擋斷裂的產生原因包括外因和內因兩方面。

(1)外因是動車組車輛運用過程中，特別是車輪旋修后運行15萬km以上時，車輪出現(xiàn)明顯的高階多邊形導致軸箱振動加劇，進而引起一系垂向止擋的高周疲勞斷裂。

(2)內因是一系垂向止擋自身固有的振動模態(tài)和振動頻率，導致其在高頻激擾下產生共振，進而疲勞斷裂。

對于蘭新客專高鐵運營，首要的是要確保車輛安全運行和行車平穩(wěn)有序，對于轉向架一系垂向止擋斷裂問題必須結合蘭新客專的運用特點(線路里程長、沿途停靠站少、站間距大、故障處理難度大)來解決問題。根據之前的調查分析，對故障問題采取如下措施：一是綜合多起故障時車輪運用里程和高階多邊形狀態(tài)，對于動車組車輪每15萬km進行一次旋修，同時采用兩刀旋修工藝，徹底消除車輪多邊形，避免高頻振動對轉向架軸箱及其安裝零部件的破壞；二是考慮到一系垂向止擋的功能性，對于高頻振動較大且旋輪后里程較短(15萬km以內)的車組可拆除一系垂向止擋。

上述處理措施實施后，蘭新客專動車組再沒有發(fā)生一系垂向止擋斷裂故障，該問題的調查分析和處理措施也為鐵路運輸部門處理類似故障問題積累了寶貴的經驗。對于車輪多邊形的產生機理還需要車輛、線路、運用部門聯(lián)合科研院所進行深入的研究分析。