基于IEC 61373:2010的軌道交通列車(chē)車(chē)輪踏面清掃器振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

馬 玄 馬玉強(qiáng) 王 悅 許 杰 賈 澤

(1.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司科技管理部, 130062, 長(zhǎng)春；2.中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司, 213011, 常州; 3.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司安技環(huán)保部， 130062, 長(zhǎng)春；4.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司國(guó)家軌道客車(chē)工程研究中心, 130062, 長(zhǎng)春∥第一作者， 高級(jí)工程師)

列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性與車(chē)輪踏面的狀態(tài)有著十分緊密的關(guān)系，同時(shí)，車(chē)輪踏面的黏著力及清潔度直接影響著列車(chē)的制動(dòng)效果。踏面清掃器是保證車(chē)輪和軌道接觸面黏著力及清潔度的重要裝置。踏面清掃器工作時(shí)，研磨塊與車(chē)輪踏面接觸，研磨塊中的金屬粒子粘附在車(chē)輪踏面，可增加輪軌之間的黏著力，同時(shí)又能清除車(chē)輪上附著的雜物。但是，近2年已裝車(chē)運(yùn)用的踏面清掃器的研磨塊背板偶有斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)(見(jiàn)圖1)。為了確認(rèn)踏面清掃器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，本文參照IEC 61373:2010《鐵路應(yīng)用 鐵道車(chē)輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》中規(guī)定的2類(lèi)轉(zhuǎn)向架安裝產(chǎn)品的試驗(yàn)要求，結(jié)合踏面清掃器的運(yùn)用工況特點(diǎn)，開(kāi)展了振動(dòng)沖擊試驗(yàn)研究。

圖1 列車(chē)車(chē)輪踏面清掃器背板斷裂圖Fig.1 Diagram of tread cleaner backplane fracture

1 列車(chē)車(chē)輪踏面清掃器振動(dòng)沖擊試驗(yàn)要求

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

踏面清掃器安裝在車(chē)輛轉(zhuǎn)向架上，主要由缸體、研磨塊背板、活塞桿及研磨塊等組成，其結(jié)構(gòu)安裝見(jiàn)圖2。本文選取地鐵用某型號(hào)踏面清掃器為試驗(yàn)對(duì)象，其最大外形空間尺寸為400 mm×100 mm×150 mm(長(zhǎng)度×寬度×高度)，質(zhì)量約10 kg。

圖2 踏面清掃器安裝圖Fig.2 Diagram of tread cleaner installation

按照IEC 61373:2010中的2類(lèi)試驗(yàn)要求，對(duì)該踏面清掃器進(jìn)行振動(dòng)沖擊試驗(yàn)及振動(dòng)磨損檢查，分析引起異常磨耗的原因，為解決研磨塊背板斷裂提供技術(shù)支持。

1.2 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)時(shí)，將踏面清掃器放置在電磁振動(dòng)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)最大推力為15.68 kN，最大速度為2 m/s，最大峰-峰位移為51 mm，頻率為2～2 200 Hz，一階諧振頻率為1 800 Hz。試驗(yàn)布置如圖3所示，試驗(yàn)用夾具與踏面清掃器通過(guò)螺栓按一定角度固定連接，以模擬被試產(chǎn)品在列車(chē)轉(zhuǎn)向架上的實(shí)際安裝姿態(tài)。設(shè)計(jì)試驗(yàn)夾具的第1階固有頻率為510 Hz，大于試驗(yàn)最大限值250 Hz；該固有頻率滿(mǎn)足動(dòng)強(qiáng)度要求，并對(duì)其進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度極限校核。

1.3 試驗(yàn)方法

IEC 61373:2010中規(guī)定了根據(jù)獲得的實(shí)測(cè)線路運(yùn)行數(shù)據(jù)制定隨機(jī)振動(dòng)量級(jí)所采用的方法。本文試驗(yàn)方案主要參照該標(biāo)準(zhǔn)中2類(lèi)轉(zhuǎn)向架安裝產(chǎn)品的試驗(yàn)要求，同時(shí)按現(xiàn)車(chē)實(shí)測(cè)振動(dòng)沖擊量級(jí)而設(shè)計(jì)。若現(xiàn)車(chē)實(shí)測(cè)振動(dòng)沖擊量級(jí)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的參考點(diǎn)加速度均方根值arms的要求，則按照實(shí)測(cè)振動(dòng)沖擊量級(jí)等效計(jì)算后再進(jìn)行試驗(yàn)；若現(xiàn)車(chē)實(shí)測(cè)振動(dòng)沖擊量級(jí)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，則按照該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)量級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，按照模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)→沖擊試驗(yàn)→功能性試驗(yàn)的順序進(jìn)行踏面清掃器振動(dòng)沖擊性能考核。

1.3.1 模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)

模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)需根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)能夠承受的最大振動(dòng)沖擊量級(jí)進(jìn)行折算。折算時(shí)，采用IEC 61373:2010中規(guī)定的幅值增強(qiáng)方法[1]。具體折算方法參考IEC 61373:2010附錄A.5的規(guī)定，根據(jù)幅值增強(qiáng)方向，由實(shí)際工況折算實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)。

增強(qiáng)前踏面清掃器的振動(dòng)條件要求見(jiàn)表1。

表1 踏面清掃器的振動(dòng)條件要求Tab.1 Vibration condition requirements of tread cleaner

采用標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)增加振幅而縮短試驗(yàn)時(shí)間的方法(即 “幅值增強(qiáng)方法”)，進(jìn)行模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)，其加速度比例系數(shù)計(jì)算方法采用如圖3所示的典型疲勞強(qiáng)度曲線。

注：Δσ為應(yīng)力幅值；N為循環(huán)次數(shù);m1、m2分別為典型金屬材料的對(duì)應(yīng)指數(shù)，m1取4，m2取6。圖3 踏面清掃器典型疲勞強(qiáng)度曲線圖Fig.3 Typical fatigue strength curve of tread cleaner

踏面清掃器振動(dòng)試驗(yàn)的加速度比例系數(shù)β為:

式中：

Ns——實(shí)車(chē)疲勞壽命內(nèi)的循環(huán)次數(shù)，取108次；

Nt——實(shí)驗(yàn)室模擬疲勞壽命內(nèi)的循環(huán)次數(shù)，Nt=n×3 600×2(n為模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng),單位為h)。

采用幅值增強(qiáng)方法[2]縮短試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，踏面清掃器模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)量級(jí)見(jiàn)表2。按2類(lèi)轉(zhuǎn)向架安裝計(jì)算ASD(加速度頻譜密度)，試驗(yàn)頻率范圍為5～250 Hz。根據(jù)振動(dòng)臺(tái)能力，本文選取表2試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為5 h的工況進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.2 沖擊試驗(yàn)

參照IEC 61373:2010對(duì)踏面清掃器做半正弦脈沖沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)要求如表3所示。

表2 踏面清掃器模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)量級(jí)Tab.2 Simulation long-life test magnitude of tread cleaner

表3 踏面清掃器沖擊試驗(yàn)要求Tab.3 Impact test requirements of tread cleaner

1.3.3 功能性試驗(yàn)

參照IEC 61373:2010對(duì)踏面清掃器做功能性試驗(yàn)。試驗(yàn)要求如表4所示。

表4 踏面清掃器功能性試驗(yàn)要求Tab.4 Functional trial requirements of tread cleaner

需要說(shuō)明的是，在進(jìn)行功能性試驗(yàn)時(shí)，踏面清掃器需執(zhí)行動(dòng)作。其動(dòng)作邏輯為:設(shè)置踏面清掃器充氣時(shí)間20 s，充氣氣壓為0.3 MPa，排氣時(shí)間10 s，再充氣20 s，以此反復(fù)循環(huán)。

1.4 評(píng)價(jià)基準(zhǔn)

試驗(yàn)結(jié)束后，從以下3個(gè)方面對(duì)踏面清掃器進(jìn)行評(píng)價(jià)：①相關(guān)零部件無(wú)破損、脫落及松動(dòng)，或永久變形；②踏面清掃器活塞桿動(dòng)作正常，且例行試驗(yàn)應(yīng)滿(mǎn)足要求；③研磨塊無(wú)缺陷、裂紋等。

2 踏面清掃器各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 踏面清掃器橫向試驗(yàn)

2.1.1 踏面清掃器模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)

通過(guò)觀察圖4可知，踏面清掃器橫向模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)頻譜曲線在標(biāo)稱(chēng)值附近變化，且大都在振動(dòng)頻譜上、下界限內(nèi)；在某些頻段踏面清掃器的振動(dòng)量級(jí)超出了界限值，可能是受試驗(yàn)夾具連接的影響造成一定的偏差，但總體而言該影響可忽略不計(jì)。

圖4 踏面清掃器橫向模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)頻譜曲線Fig.4 Lateral simulated long-life vibration test curve of tread cleaner

2.1.2 踏面清掃器沖擊試驗(yàn)

通過(guò)觀察圖5和圖6踏面清掃器橫向正向及橫向反向的沖擊試驗(yàn)曲線可知，控制峰值和響應(yīng)峰值均在IEC 61373:2010要求的上、下界限內(nèi)，且無(wú)試驗(yàn)偏差數(shù)據(jù)出現(xiàn)。

圖5 踏面清掃器橫向正向沖擊試驗(yàn)曲線Fig.5 Lateral positive impact test curve of tread cleaner

圖6 踏面清掃器橫向反向沖擊試驗(yàn)曲線Fig.6 Lateral reverse impact test curve of tread cleaner

2.1.3 踏面清掃器功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

在模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)及沖擊試驗(yàn)后，要對(duì)踏面清掃器進(jìn)行功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，以觀察踏面清掃器橫向試驗(yàn)后能否正常工作，以及其功能是否受到影響。通過(guò)觀察圖7踏面清掃器橫向功能性隨機(jī)振動(dòng)頻譜曲線可知，控制譜線與響應(yīng)譜線均在正常范圍內(nèi)，且量級(jí)上未出現(xiàn)明顯的數(shù)值偏差。試驗(yàn)證明，橫向長(zhǎng)壽命和橫向正、反向沖擊試驗(yàn)對(duì)踏面清掃器的正常功能未造成影響。

圖7 踏面清掃器橫向功能性隨機(jī)振動(dòng)頻譜曲線Fig.7 Lateral functional random vibration test curve of tread cleaner

2.2 踏面清掃器縱向試驗(yàn)

2.2.1 踏面清掃器模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)

通過(guò)觀察圖8所示的踏面清掃器縱向模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)頻譜曲線可知，振動(dòng)頻譜可控曲線在標(biāo)稱(chēng)值附近變化，且大都在上、下界限內(nèi)；曲線起始段部分?jǐn)?shù)值超出了界限值，可能是受試驗(yàn)夾具連接的影響存在一定的偏差，但總體而言是在可接受范圍之內(nèi)。

圖8 踏面清掃器縱向模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)曲線Fig.8 Longitudinal simulated long life vibration test of tread cleaner

2.2.2 踏面清掃器沖擊試驗(yàn)

通過(guò)觀察圖9和圖10踏面清掃器縱向正向及縱向反向沖擊試驗(yàn)可知，控制譜線與響應(yīng)譜線均在上、下界限內(nèi)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程滿(mǎn)足IEC 61373:2010的要求，且無(wú)試驗(yàn)偏差數(shù)據(jù)出現(xiàn)。

圖9 踏面清掃器縱向正向沖擊試驗(yàn)曲線Fig.9 Longitudinal positive impact test of tread cleaner

圖10 踏面清掃器縱向反向沖擊試驗(yàn)曲線Fig.10 Longitudinal reverse impact test of tread cleaner

2.2.3 踏面清掃器功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

踏面清掃器縱向模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)及縱向正、反向沖擊試驗(yàn)完成后，仍需對(duì)其進(jìn)行功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，以觀察踏面清掃器橫向試驗(yàn)后能否正常工作，且其功能是否受到影響。通過(guò)觀察圖11所示的踏面清掃器縱向功能性振動(dòng)試驗(yàn)曲線可知，該曲線上升和下降階段出現(xiàn)了部分偏差，其余頻段均在正常范圍內(nèi)，未出現(xiàn)明顯的數(shù)值偏差。試驗(yàn)證明，踏面清掃器縱向長(zhǎng)壽命和縱向正、反向沖擊試驗(yàn)對(duì)其正常功能未造成影響。

圖11 踏面清掃器縱向功能性隨機(jī)振動(dòng)曲線Fig.11 Longitudinal functional random vibration test of tread cleaner

2.3 踏面清掃器垂向試驗(yàn)

2.3.1 踏面清掃器模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)

通過(guò)觀察圖12所示的垂向模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)頻譜曲線可知，控制曲線在標(biāo)稱(chēng)值附近變化，響應(yīng)曲線整體在上、下界限內(nèi)；響應(yīng)曲線起始頻段部分?jǐn)?shù)值超出了界限值，可能是受試驗(yàn)夾具連接的影響造成一定的偏差，但總體而言是在可接受范圍之內(nèi)。

圖12 踏面清掃器垂向模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)曲線Fig.12 Vertical simulated long-life vibration test of tread cleaner

2.3.2 踏面清掃器沖擊試驗(yàn)

通過(guò)觀察圖13和圖14踏面清掃器的垂向正向及垂向反向沖擊試驗(yàn)可知，控制譜線與響應(yīng)譜線均在上、下界限內(nèi)，試驗(yàn)過(guò)程滿(mǎn)足IEC 61373:2010的要求，無(wú)明顯試驗(yàn)偏差數(shù)據(jù)出現(xiàn)。

圖13 踏面清掃器垂向正向沖擊試驗(yàn)曲線Fig.13 Vertical positive impact test of tread cleaner

圖14 踏面清掃器垂向反向沖擊試驗(yàn)曲線Fig.14 Vertical reverse impact test of tread cleaner

2.3.3 踏面清掃器功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

在垂向模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)后，對(duì)踏面清掃器進(jìn)行垂向功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。通過(guò)觀察圖15垂向功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)曲線可知，剛開(kāi)始頻段出現(xiàn)了部分偏差，其余階段均在正常范圍內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的數(shù)值偏差，試驗(yàn)證明垂向長(zhǎng)壽命試驗(yàn)對(duì)踏面清掃裝器的正常功能未造成影響。

圖15 踏面清掃器垂向功能性隨機(jī)振動(dòng)曲線Fig.15 Vertical functional random vibration test curve of tread cleaner

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)IEC 61373:2010要求，對(duì)踏面清掃器進(jìn)行了橫向、縱向和垂向等3個(gè)方向的模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，試驗(yàn)后的踏面清掃器各零部件無(wú)破損、脫落及松動(dòng)或永久變形，未出現(xiàn)明顯的裂痕，研磨塊無(wú)缺陷、裂紋，活塞桿動(dòng)作正常。這說(shuō)明踏面清掃器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，工作性能未受到影響。在目前的試驗(yàn)條件下，由于受試驗(yàn)臺(tái)能力的限制，未能完全模擬出踏面清掃器承受的振動(dòng)與沖擊復(fù)合加載的實(shí)車(chē)工況，還需要對(duì)試驗(yàn)條件加以改進(jìn)與優(yōu)化，合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，避免欠試驗(yàn)和過(guò)試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)一步開(kāi)展正弦掃頻試驗(yàn)和路譜迭代模擬振動(dòng)試驗(yàn)，多維度分析踏面清掃器出現(xiàn)故障的原因，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)品質(zhì)量。