基于等效錐度的動車組三級修間隔周期研究

吳晨愷 陳 進 林鳳濤

(1. 廣州地鐵集團有限公司，510010，廣州； 2. 華東交通大學土木建筑學院，330013，南昌；3. 華東交通大學機電與車輛工程學院，330013，南昌//第一作者，碩士研究生)

目前，我國動車組的檢修分為一至五級修，一、二級檢修為運用修，三、四、五級檢修為高級修。但是，我國各種型號的高速動車組在檢修周期方面存在一定差異，例如CRH2型動車組除一級修外，其余4個等級的檢修周期標準值(走行公里數)比CRH1、CHR3和CRH5型動車組的檢修周期標準(走行公里數)要小。我國動車組檢修周期詳見表1。

表1 中國動車組檢修周期標準值

CRH2型動車組在走行60萬km后就要進行一次三級修， CRH1、CHR3和CRH5型動車組的三級修間隔周期為走行120萬km，這樣CRH2型動車組的高級修次數過于頻繁，增加了車輛的運營成本。但是，在我國現有研究中，大多數學者把研究重點放在了車輪鏇修周期延長、動車組運用檢修計劃優化、車輪型面優化[1]等方面，對于動車組高級修或是三級修檢修周期的相關研究資料很少。因此，為了降低車輛運營成本，為以后的高級修間隔周期研究提供參考，本文選取CRH2A型動車組1和動車組2進行跟蹤試驗，研究其三級修間隔周期由60萬km延長至120萬km的可行性。

1 等效錐度對三級修間隔周期延長的影響

由文獻[2]知：輪軌幾何接觸是解釋鐵道車輛動力學性能的基礎，等效錐度是輪軌幾何接觸的重要參數。對我國多條線路上的動車組振動狀態及車輪磨耗跟蹤研究的結果表明，輪軌匹配等效錐度的大小與動車組運行過程中的動態響應密切相關。如果等效錐度過小，將導致動車組運用過程中出現“晃車”現象；而等效錐度過大，會引起動車組車輛構架橫向振動報警甚至失穩[2]。

隨著動車組走行里程的增加，車輪磨耗即車輪外形的改變會導致等效錐度發生變化，而等效錐度作為輪軌接觸線性化指標，表明輪軌幾何接觸發生改變，進而導致動車組動力學性能變化，最終可能發生上述的“晃車”或橫向失穩現象。

根據國際鐵路聯盟標準UIC 518規定：車輛進行試驗時，用等效錐度參數評估輪軌接觸幾何關系[3]。UIC 519規定：名義等效錐度指在輪對蛇行運動時橫移量3 mm處對應的值[4]。因此，本文以車輪軸橫移量3 mm處的等效錐度為主要評估指標，輔以車輪外形(車輪踏面磨耗量、輪軌接觸幾何關系)和車輛動力學性能(構架橫向穩定性、車體平穩性)評估指標，對選定的動車組1和動車組2，在60萬km鏇輪后、120萬km三級修及鏇輪前分別進行了跟蹤測試。經分析對比后，為評估三級修間隔周期延長的可行性提供參考和依據。

2 車輪外形變化評估

2.1 車輪踏面磨耗量

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

本文選取動力學性能測點所在的頭車(第8車)的8個輪子(簡稱“8車8輪”)踏面外形與標準外形(LMA)進行對比(見圖1、2)，并給出第8車的60萬km測試節點和120萬km測試節點磨耗量(見表2、3)，以此說明車輪在延長三級修間隔周期后踏面的磨耗情況。

圖1 動車組1的8車8輪踏面外形對比

從圖1、圖2和表2、表3可以得出結論：兩列動車組踏面磨耗量隨運行里程的增加而增大，但兩次測試時車輪外形與標準外形在踏面處無明顯區別，均未出現凹型磨耗現象，磨耗量、磨耗速度未見明顯增加趨勢(磨耗量包含了2次鏇輪的鏇修量)。

圖2 動車組2的8車8輪踏面外形對比表2 動車組1第8車車輪踏面磨耗量mm

車輪編號磨耗量67.1萬km測試節點116.5萬km測試節點10萬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 動車組2第8車車輪踏面磨耗量 mm

2.2 輪軌接觸幾何關系

圖3～圖6為動車組1和動車組2頭車(第8車)4軸的輪軌接觸幾何關系。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：當動車組三級修間隔周期由60萬km延長至120萬km時，被測兩列動車組輪軌接觸幾何關系均無明顯變化，輪軌接觸主要發生在名義滾動圓中心區域，這使得輪對橫移量3 mm處等效錐度無明顯增加的趨勢，對改善輪軌接觸關系有利。

a) 左輪輪軌接觸b) 右輪輪軌接觸

圖3 60萬km測試節點(動車組1)輪軌接觸幾何關系圖

圖4 120萬km測試節點(動車組1)輪軌接觸幾何關系圖

圖5 60萬km測試節點(動車組2)輪軌接觸幾何關系圖

圖6 120萬km測試節點(動車組2)輪軌接觸幾何關系圖

3 輪軌匹配等效錐度

本文以兩列車輪軸橫移量3 mm處的等效錐度為對象，對比其第7、8車等效錐度與LMA標準外形等效錐度的差異，以說明車輪在增大三級修間隔周期標準后等效錐度的變化情況，具體見表4和表5。

表4 動車組1第7、8車輪軸橫移量3 mm處等效錐度

表5 動車組2第7、8車輪軸橫移量3 mm處等效錐度

從表4和表5可以得出結論：動車組1和動車組2的60萬km測試節點和120萬km測試節點的等效錐度均較接近，且兩次測試結果都接近標準踏面外形的等效錐度，延長三級修間隔周期后等效錐度的變化小，對輪軌關系影響也較小。

4 車輛動力學性能評估

4.1 構架橫向穩定性

根據《高速動車組整車試驗規范》及《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》，在10 Hz濾波后，構架橫向加速度峰值不得連續6次以上達到或超過0.8g～1.0g(g=10 m/s2)，即符合規范要求。

如圖7和圖8所示，本文以頭車(8車)為研究對象，給出60萬km測試節點和120萬km測試節點的構架橫向加速度散點圖。

圖7 動車組1構架橫向加速度散點圖

由圖7和圖8可以得出結論：動車組1和動車組2在60萬km鏇修后和120萬km三級修前構架橫向加速度最大值分別為0.28g和0.34g，構架橫向穩定性符合上述標準要求，且兩次測試節點的構架橫向加速度散點趨勢無明顯變化。

4.2 車體平穩性

根據《高速動車組整車試驗規范》及《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》，在0.5～40.0 Hz濾波后，平穩性指標W<2.50為優、在2.50≤W<2.75為良、在2.75≤W<3.00合格。

圖8 動車組2構架橫向加速度散點圖

如圖9～圖12所示，同樣以頭車(8車)為研究對象，給出了60萬km測試節點和120萬km測試節點的車體平穩性散點圖。

圖9 動車組1車體橫向平穩性

圖10 動車組1車體垂向平穩性

圖11 動車組2車體橫向平穩性

其中，動車組1和動車組2在60萬km鏇修后和120萬km三級修前車體橫向平穩性最大值分別為2.34和2.57，其車體垂向平穩性最大值分別為2.63和2.43。車體平穩性符合上述標準要求，三級修間隔周期延長后未出現不合格現象。

圖12 動車組2車體垂向平穩性

5 結論

(1) 兩列動車組測試期間車輪狀態較好，踏面外形和等效錐度均接近標準外形，磨耗量、磨耗速度未見明顯增加趨勢，輪軌接觸主要發生在名義滾動圓中心區域，60萬km及120萬km測試節點的輪軌接觸幾何關系均無明顯變化。

(2) CRH2A型兩列跟蹤測試的動車組構架橫向穩定性滿足相關標準要求，未出現橫向失穩現象；車體橫向和垂向平穩性除個別點為良外，其余點均為優；在三級修間隔周期延長60萬km后車輛動力學性能滿足規范要求。因此，兩列跟蹤動車組在延長三級修間隔周期后，三級修前的各項振動性能及磨耗情況與60萬km時對比無明顯變化，均滿足標準限值要求。本文建議，CRH2型車三級修可在走行120萬km后進行，與CRH1、CRH3、CRH5型檢修周期保持一致。