基于同一轉向架歷史對比與同一列車橫向對比的轉向架狀態監測

戴 津,劉 峰,董孝卿,張瑞芳,申宇燕,趙玉其

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京100081)

近年來,我國大力發展高速鐵路客運事業,鐵路客運具有速度快,運輸量大,成本低等諸多特點,是我國交通運輸中的支柱性產業。隨著旅客列車提速的范圍越來越大,運行速度越來越高,鐵路客運中的行車安全問題也更為突出。

轉向架系統是列車最重要部件之一,轉向架狀態監測一直是客車行車安全監測系統中的重點監測對象,對保障旅客列車行車安全具有重要意義。轉向架的內部結構與列車運行環境的多樣性造成了其動力學系統振動情況復雜,難以用同一標準的參數限定值來判斷其性能好壞。轉向架性能出現問題往往有一個漸變的過程,在列車多次運行過程中,轉向架性能逐漸惡化。這里介紹在客車行車安全系統平臺下,對轉向架性能采用整列車橫向對比和單車歷史對比的方式,直觀有效的分析了轉向架運行的振動情況和性能的變化趨勢,為車輛維修管理提供指導,保證提速客車的運行安全。

1 系統概述

1.1 概述

客車行車安全監測診斷系統是在旅客列車運行過程中,對危害行車安全的主要因素進行實時監控診斷,數據記錄,集中顯示和存儲,將監測信息實時發送至地面,運行過程數據下載導入地面數據庫,實現客車運行的信息化監測。客車行車安全監測系統由車載安全監測系統和地面專家診斷系統組成。

地面專家診斷系統是將列車運行的過程數據導入地面數據庫,統計車輛運行的全程數據,進行二次特征抽取,同時根據車載系統的實時報警,對車輛動態性能進行綜合評判,根據診斷結果對重點關注車輛報警提示,并給出維修參考建議。

1.2 轉向架狀態監測過程

轉向架狀態監測框圖如圖1所示。

圖1 轉向架狀態監測過程

2 功能描述與原理

2.1 系統功能

客車行車安全轉向架監測系統所要解決的問題主要有輪對狀態監測、構架橫向穩定性監測、空氣彈簧等二系懸掛性能監測等。

根據主要監測對象,地面專家系統轉向架節點的主要功能有:

全程統計功能。提供所有編組車輛的參數對比,超出閾值的車輛為重點關注車輛。

速度統計功能。提供所有編組車輛在不同速度下的性能對比,可分析在不同速度下車輛的性能。

實時數據顯示。提供所有編組車輛的實時曲線,可回放任何運行時刻的實時數據。

歷史日期對比功能。提供同一輛車隨日期性能變化曲線,可研究車輛隨時間的變化趨勢。

系統提取的轉向架主要振動特征統計量包括:車體橫向、垂向特征值,構架橫向、垂向特征值,車輛橫向、垂向平穩性統計值,車體垂向高頻、低頻統計值,構架橫向低頻統計值等。

2.2 轉向架參數

轉向架結構分為以下幾個部分:

輪對軸箱裝置。軸箱與軸承裝置聯系構架和輪對,約束輪對相對運動的輪對定位也稱軸箱定位。

彈性懸掛裝置。輪對與構架之間的軸箱懸掛裝置(一系懸掛),構架與車體之間的搖枕(中央)懸掛裝置(二系懸掛),彈性懸掛裝置包括彈簧裝置、減振裝置、定位裝置等。

構架或側架。構架是轉向架的基礎。

基礎制動裝置。傳遞和放大制動缸的制動力。

轉向架支承車體的裝置。分為心盤集中承載、非心盤集中承載和心盤部分承載。

25T型客車轉向架主要有3種:CW-200K型,SW-220K型,AM96型。

轉向架的技術參數有:(1)構造速度(km/h);(2)軸重(t);(3)自重(t);(4)固定軸距(mm);(5)輪徑(mm);(6)軸徑中心距(mm);(7)旁承間距(mm);(8)中央彈簧橫向間距(mm);(9)軸箱彈簧橫向間距(mm);(10)制動倍率;(11)一系垂向剛度(kN/m);(12)一系定位剛度(kN/m);(13)一系垂向阻尼(kN?s/m);(14)二系垂向剛度(kN/m);(15)二系橫向剛度(kN/m);(16)二系垂向阻尼(kN?s/m);(17)二系橫向阻尼(kN?s/m);(18)車輛連掛時、單車調車時通過最小曲線半徑(m)。

輪對靜動平衡檢修要求:車輪壓裝在車軸以前須進行靜平衡試驗。車輪的剩余靜不平衡量應符合以下規定的許用靜不平衡量。當構造速度200≥v≥120 km/h時,車輪許用靜不平衡量應≤75 g?m;v＞200 km/h時,車輪許用靜不平衡量應≤50 g?m。車輪踏面及輪緣加修后,須進行動平衡試驗,輪對殘余不平衡值≤50 g?m。超過時須用減重法進行校正。

2.3 評判規則

轉向架具有復雜的動力學系統結構,各型轉向架在結構上有差異,其振動性能表現也有不同,此外列車運行線路與環境對轉向架振動狀態有一定的影響,當不同型號轉向架混合編組運行時,這種差異更為明顯,使得系統很難僅用同一標準的參數閾值來判斷轉向架性能是否惡化。轉向架性能出現問題往往有一個漸變的過程,是隨著列車運行時間逐漸顯露出來。針對此情況,轉向架狀態地面診斷主要采用相對評判和絕對評判兩種方法來對轉向架性能進行綜合評測診斷。

絕對評判原理:根據已有的標準,轉向架動態性能部分參數已明確具有絕對的邊界值,對于此類特征值采用絕對評判的原則來判定。

相對評判原理:對于邊界值難以界定的動態性能統計特征值,采取相對評判的原則,對同一列車各個轉向架特征值進行比較,對同一轉向架特征值歷史數據進行比較,評判出動力學性能較差者。

3 轉向架狀態監測實際運用

3.1 111135車輪對動不平衡超差

111135車在運行過程出現振動異常,垂向振動劇烈,地面轉向架監測專家系統報告該車輛垂向平穩性超標,與整列車其他車輛相比該車明顯平穩性值偏大(圖2)。

圖2 111135車與同列其他車輛垂向平穩性值對比直方圖

圖2中橫坐標為整列車的各個車輛,縱坐標為車輛垂向平穩性值,藍色、綠色直方圖分別表示車輛轉向架的一端二端。可看出整列車橫向比較111135客車的車輛垂向平穩性一端和二端值都大于其他車輛,并且超出正常參考閾值范圍。該車為軟座車,是在A2修更換輪對之后又投入使用的,投入使用后即出現了垂向振動異常的情況,幾次運行途中均有明顯振感。車輛段針對此情況更換了該車前后轉向架的4個輪對。更換輪對后的111135車運行情況良好,垂向平穩性指標恢復正常(圖3、圖4)。

圖3 111135車更換輪對后垂向平穩性值歷史對比直方圖

圖4 111135車體垂向振動量歷史對比直方圖

圖3、圖4中橫坐標為列車運行的日期,縱坐標為車輛垂向平穩性值和車體垂向振動值,從111135車的歷史對比圖中可看出,該車的車輛垂向平穩性和車體垂向振動值在更換輪對前后有了較大的變化。更換前的振動值較大,振動劇烈,更換后的振動值明顯降低,恢復正常水平。

圖5、圖6中橫坐標為列車運行的速度,縱坐標為車體垂向平穩性值和車體垂向低頻振動標準差值,這里看到111135車速度在小于100 km/h時,振動情況差別不是很大,當速度超過100 km/h時振動明顯加劇,二位轉向架的低頻垂向振動量標準差在更換輪對后得到了很大的改善,而一位轉向架則變化不大,因此認為低頻振動是造成二位轉向架振動性能惡化的重要原因。

圖5 111135車輛垂向平穩性歷史對比圖

圖6 111135車體垂向低頻振動標準差歷史對比圖

車輛段對更換下的4個輪對進行了詳細的測試,發現其中位于三位軸的輪對輪徑偏差大于1 mm,超過了0.66 mm的段修標準,后查明是該車A2修時旋削輪對的車床頂針偏離了正確位置,而造成了輪對的動不平衡超差。

3.2 554028車垂向減振器漏油

地面系統報警554028車構架橫向、垂向振動關注。從該車的振動量歷史對比圖 7、圖 8中可以看到,554028車構架橫向、垂向振動量在運行過程中有逐漸變大、性能惡化的趨勢。

圖7 554028構架橫向振動量日期對比直方圖

圖8 554028構架垂向振動量歷史對比直方圖

車輛段對554028車進行了檢修,發現3、5位垂向減振器漏油,車輛段更換了該車的3、5位垂向減振器和2、3位輪對。更換后的554028構架橫向和垂向振動量明顯下降,恢復到正常水平。

4 結束語

在客車安全監測系統地面專家系統平臺下,通過對整列車轉向架振動情況的橫向對比和同一轉向架運行數據的歷史對比,能更清晰的發現某個轉向架是否出現振動異常情況,是否具有性能變差趨勢,有效診斷監測轉向架潛在的或已經發生的故障,幫助指導車輛檢修維護工作,對保障提速旅客列車的行車安全具有積極意義。

[1] 嚴雋耄.車輛工程[M].北京:中國鐵道出版社,2005:28-92.

[2] 陳朝發,劉 峰,等.客車行車安全監測診斷系統研究[J].鐵道機車車輛,2003(S2):53-56,71.

[3] 中華人民共和國鐵道部.25T型客車檢修規程[M].北京:中國鐵道出版社,2006:92-110.