基于等效錐度的動(dòng)車組三級(jí)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(guó)動(dòng)車組的檢修分為一至五級(jí)修，一、二級(jí)檢修為運(yùn)用修，三、四、五級(jí)檢修為高級(jí)修。但是，我國(guó)各種型號(hào)的高速動(dòng)車組在檢修周期方面存在一定差異，例如CRH2型動(dòng)車組除一級(jí)修外，其余4個(gè)等級(jí)的檢修周期標(biāo)準(zhǔn)值(走行公里數(shù))比CRH1、CHR3和CRH5型動(dòng)車組的檢修周期標(biāo)準(zhǔn)(走行公里數(shù))要小。我國(guó)動(dòng)車組檢修周期詳見表1。

表1 中國(guó)動(dòng)車組檢修周期標(biāo)準(zhǔn)值

CRH2型動(dòng)車組在走行60萬(wàn)km后就要進(jìn)行一次三級(jí)修， CRH1、CHR3和CRH5型動(dòng)車組的三級(jí)修間隔周期為走行120萬(wàn)km，這樣CRH2型動(dòng)車組的高級(jí)修次數(shù)過于頻繁，增加了車輛的運(yùn)營(yíng)成本。但是，在我國(guó)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(zhǎng)、動(dòng)車組運(yùn)用檢修計(jì)劃優(yōu)化、車輪型面優(yōu)化[1]等方面，對(duì)于動(dòng)車組高級(jí)修或是三級(jí)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(yíng)成本，為以后的高級(jí)修間隔周期研究提供參考，本文選取CRH2A型動(dòng)車組1和動(dòng)車組2進(jìn)行跟蹤試驗(yàn)，研究其三級(jí)修間隔周期由60萬(wàn)km延長(zhǎng)至120萬(wàn)km的可行性。

1 等效錐度對(duì)三級(jí)修間隔周期延長(zhǎng)的影響

由文獻(xiàn)[2]知：輪軌幾何接觸是解釋鐵道車輛動(dòng)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(duì)我國(guó)多條線路上的動(dòng)車組振動(dòng)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(dòng)車組運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)密切相關(guān)。如果等效錐度過小，將導(dǎo)致動(dòng)車組運(yùn)用過程中出現(xiàn)“晃車”現(xiàn)象；而等效錐度過大，會(huì)引起動(dòng)車組車輛構(gòu)架橫向振動(dòng)報(bào)警甚至失穩(wěn)[2]。

隨著動(dòng)車組走行里程的增加，車輪磨耗即車輪外形的改變會(huì)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(dòng)車組動(dòng)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(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC 518規(guī)定：車輛進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，用等效錐度參數(shù)評(píng)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(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)時(shí)橫移量3 mm處對(duì)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(píng)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(dòng)力學(xué)性能(構(gòu)架橫向穩(wěn)定性、車體平穩(wěn)性)評(píng)估指標(biāo)，對(duì)選定的動(dòng)車組1和動(dòng)車組2，在60萬(wàn)km鏇輪后、120萬(wàn)km三級(jí)修及鏇輪前分別進(jìn)行了跟蹤測(cè)試。經(jīng)分析對(duì)比后，為評(píng)估三級(jí)修間隔周期延長(zhǎng)的可行性提供參考和依據(jù)。

2 車輪外形變化評(píng)估

2.1 車輪踏面磨耗量

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

本文選取動(dòng)力學(xué)性能測(cè)點(diǎn)所在的頭車(第8車)的8個(gè)輪子(簡(jiǎn)稱“8車8輪”)踏面外形與標(biāo)準(zhǔn)外形(LMA)進(jìn)行對(duì)比(見圖1、2)，并給出第8車的60萬(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)和120萬(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)磨耗量(見表2、3)，以此說明車輪在延長(zhǎng)三級(jí)修間隔周期后踏面的磨耗情況。

圖1 動(dòng)車組1的8車8輪踏面外形對(duì)比

從圖1、圖2和表2、表3可以得出結(jié)論：兩列動(dòng)車組踏面磨耗量隨運(yùn)行里程的增加而增大，但兩次測(cè)試時(shí)車輪外形與標(biāo)準(zhǔn)外形在踏面處無(wú)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(shì)(磨耗量包含了2次鏇輪的鏇修量)。

圖2 動(dòng)車組2的8車8輪踏面外形對(duì)比表2 動(dòng)車組1第8車車輪踏面磨耗量mm

車輪編號(hào)磨耗量67.1萬(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)116.5萬(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)10萬(wàn)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(dòng)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(dòng)車組1和動(dòng)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(dòng)車組三級(jí)修間隔周期由60萬(wàn)km延長(zhǎng)至120萬(wàn)km時(shí)，被測(cè)兩列動(dòng)車組輪軌接觸幾何關(guān)系均無(wú)明顯變化，輪軌接觸主要發(fā)生在名義滾動(dòng)圓中心區(qū)域，這使得輪對(duì)橫移量3 mm處等效錐度無(wú)明顯增加的趨勢(shì)，對(duì)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(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)(動(dòng)車組1)輪軌接觸幾何關(guān)系圖

圖4 120萬(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)(動(dòng)車組1)輪軌接觸幾何關(guān)系圖

圖5 60萬(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)(動(dòng)車組2)輪軌接觸幾何關(guān)系圖

圖6 120萬(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)(動(dòng)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(duì)象，對(duì)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(jí)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(dòng)車組1第7、8車輪軸橫移量3 mm處等效錐度

表5 動(dòng)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(dòng)車組1和動(dòng)車組2的60萬(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)和120萬(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)的等效錐度均較接近，且兩次測(cè)試結(jié)果都接近標(biāo)準(zhǔn)踏面外形的等效錐度，延長(zhǎng)三級(jí)修間隔周期后等效錐度的變化小，對(duì)輪軌關(guān)系影響也較小。

4 車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)估

4.1 構(gòu)架橫向穩(wěn)定性

根據(jù)《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》及《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)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(duì)象，給出60萬(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)和120萬(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)的構(gòu)架橫向加速度散點(diǎn)圖。

圖7 動(dòng)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(dòng)車組1和動(dòng)車組2在60萬(wàn)km鏇修后和120萬(wàn)km三級(jí)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(cè)試節(jié)點(diǎn)的構(gòu)架橫向加速度散點(diǎn)趨勢(shì)無(wú)明顯變化。

4.2 車體平穩(wěn)性

根據(jù)《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》及《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)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(dòng)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(duì)象，給出了60萬(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)和120萬(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)的車體平穩(wěn)性散點(diǎn)圖。

圖9 動(dòng)車組1車體橫向平穩(wěn)性

圖10 動(dòng)車組1車體垂向平穩(wěn)性

圖11 動(dòng)車組2車體橫向平穩(wěn)性

其中，動(dòng)車組1和動(dòng)車組2在60萬(wàn)km鏇修后和120萬(wàn)km三級(jí)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(jí)修間隔周期延長(zhǎng)后未出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。

圖12 動(dòng)車組2車體垂向平穩(wěn)性

5 結(jié)論

(1) 兩列動(dòng)車組測(cè)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(shì)，輪軌接觸主要發(fā)生在名義滾動(dòng)圓中心區(qū)域，60萬(wàn)km及120萬(wàn)km測(cè)試節(jié)點(diǎn)的輪軌接觸幾何關(guān)系均無(wú)明顯變化。

(2) CRH2A型兩列跟蹤測(cè)試的動(dòng)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(gè)別點(diǎn)為良外，其余點(diǎn)均為優(yōu)；在三級(jí)修間隔周期延長(zhǎng)60萬(wàn)km后車輛動(dòng)力學(xué)性能滿足規(guī)范要求。因此，兩列跟蹤動(dòng)車組在延長(zhǎng)三級(jí)修間隔周期后，三級(jí)修前的各項(xiàng)振動(dòng)性能及磨耗情況與60萬(wàn)km時(shí)對(duì)比無(wú)明顯變化，均滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求。本文建議，CRH2型車三級(jí)修可在走行120萬(wàn)km后進(jìn)行，與CRH1、CRH3、CRH5型檢修周期保持一致。