輪對動不平衡狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和快速檢修方法

王林棟,吳 寧,章 亮

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所,北京 100081)

我國對鐵道車輛輪對動不平衡量有明確的限制,高速動車組的輪對動不平衡量不得超過50g·m[1]。目前,我國對輪對動不平衡的研究已經(jīng)取得了一定成果,新造、檢修車輛時均會在試驗室內(nèi)對輪對動不平衡進行檢測,相關(guān)的檢測設備、方法均比較規(guī)范且成熟[2-4]。這類方法采用試驗室內(nèi)的動平衡機進行檢測,耗時耗力,且時效性差,并不適用于運營車輛的日常監(jiān)測、診斷和檢修,不能及時發(fā)現(xiàn)問題也無法指導日常運營,不能滿足運營需求。

在我國新建鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試和新研發(fā)動車組性能試驗中,均出現(xiàn)過輪對動不平衡問題,嚴重影響了試驗進度和效率。而這一問題在運營列車和運營線路中很少出現(xiàn),在新建鐵路和試驗列車上偶有出現(xiàn)。

嚴重的輪對動不平衡危害較大。首先會引起軸箱、構(gòu)架和車體垂向的異常振動,車體地板出現(xiàn)明顯的垂向高頻振動,并伴有嗡嗡的高頻振動噪聲,影響旅客正常休息;其次可能使得車輪踏面產(chǎn)生剝離、擦傷、踏面外形異常磨耗等故障,從而增大輪軌間激擾[4-5]。長時間的動不平衡,可能會引起轉(zhuǎn)向架、齒輪箱等部件的疲勞損壞[6-7]。

通過監(jiān)測、診斷軸箱或車體的垂向振動加速度并分析數(shù)據(jù),可以及時發(fā)現(xiàn)輪對的動不平衡。我國的多數(shù)動車組上已經(jīng)裝有軸箱或車體垂向加速度傳感器,因此僅需要給出識別方法和評判標準,分析既有數(shù)據(jù)即可完成故障診斷。本文給出了識別方法和評判標準,并根據(jù)經(jīng)驗對常見原因進行了分析,給出了切實可行的診斷和檢修方法。

1 特征分析

動不平衡會導致運行車輛的振動加大,振動特征明顯。因此本文分析了出現(xiàn)動不平衡后的車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和軸箱振動加速度。車體、構(gòu)架、軸箱垂向振動加速度和傅里葉變換后的頻譜圖如圖1～圖3所示,車體垂向平穩(wěn)性如圖4所示,輪軌垂向力及傅里葉變換后頻譜圖如圖5所示。

圖1 車體垂向振動加速度和傅里葉變換后頻譜圖

圖2 構(gòu)架垂向振動加速度及傅里葉變換后頻譜圖

圖3 軸箱垂向振動加速度和傅里葉變換后頻譜圖

圖4 車體垂向平穩(wěn)性隨速度分布散點圖

圖5 輪軌垂向力和傅里葉變換后頻譜圖

綜上可知,當運行速度v為310 km/h時,車體垂向平穩(wěn)性指數(shù)W出現(xiàn)了大于3.0的數(shù)值(等級為不合格),車體垂向振動加速度、構(gòu)架垂向振動加速度、軸箱垂向振動加速度和輪軌垂向力均存在32.2 Hz的主頻。根據(jù)速度和主頻,計算振動波長λ=v/(3.6f)=310/(3.6×32.2)=2.67 m。實測車輛直徑D為0.85 m,計算得出車輪周長L=πD=3.14×0.85=2.67 m。顯然,振動波長與車輪周長相同。其他運行速度級下振動數(shù)據(jù)也具有此特征,這說明振動根源可能與輪對有關(guān)。經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn),此時輪對動不平衡超過了要求限值。經(jīng)過處理后動不平衡數(shù)值符合要求,再次運行時車體垂向平穩(wěn)性明顯改善,等級變?yōu)閮?yōu)秀。

分析動不平衡時其他動力學性能指標。輪軌垂向力、構(gòu)架和軸箱垂向均受到動不平衡的影響,出現(xiàn)了與車體垂向相同頻率、相同波長的周期振動。因此可以從這些參數(shù)分析輪對動不平衡是否滿足要求。

2 成因分析

要從根源上解決輪對動不平衡,還需要分析成因,可以從信號特征、試驗過程、現(xiàn)場檢查結(jié)果3個方面進行分析:

(1) 信號特征分析。動不平衡引起的振動波長與車輪周長一致。

(2) 試驗過程分析,即分析發(fā)現(xiàn)動不平衡的過程。試驗在同一條線路上進行了多天。試驗人員發(fā)現(xiàn),車體垂向平穩(wěn)性指數(shù)W在試驗第1天是正常的(等級為優(yōu)),隨著試驗進行,平穩(wěn)性指數(shù)數(shù)值越來越大,這表明車體垂向平穩(wěn)性越來越差,3天后等級變?yōu)椴缓细瘛Ｍ瑫r試驗人員發(fā)現(xiàn),線路上存在大量建設期間遺留的塵土,車輪的輻板和輪盤之間存在這種塵土。從第4天開始,車輛檢修部門對車輪進行了清塵,平穩(wěn)性指數(shù)數(shù)值開始減小,這表明車體垂向平穩(wěn)性越來越好,3天后等級恢復為優(yōu)。車體垂向平穩(wěn)性指數(shù)W隨時間的變化過程如圖6所示。

圖6 車體垂向平穩(wěn)性指標W隨時間的變化過程

(3) 現(xiàn)場檢查結(jié)果分析。試驗人員會同檢修人員對車輛進行了全面檢查,發(fā)現(xiàn)在車輪輻板上明顯粘有塵土。

綜合分析,車輪輻板和輪裝制動盤之間累積的塵土是成因。塵土位于縫隙里無法脫落,當車輛制動時候塵土會變得不均勻從而導致輪對動不平衡。不平衡引起車輪的異常振動,并將振動傳遞到車體上使垂向平穩(wěn)性變差。

3 故障診斷

研究車輛運行時輪對動不平衡診斷方法,可以監(jiān)測輪對動不平衡狀態(tài),指導車輛檢修。根據(jù)輪對動不平衡特征和成因,可以通過以下因素判別。

(1) 分析車輛上已有的車體垂向振動加速度或者軸箱垂向振動加速度,進行頻譜分析,得出主頻率f。結(jié)合車輛運行速度v,計算振動波長λ=v/(3.6f)。根據(jù)輪徑D計算車輪周長L=πD。判斷振動波長λ與車輪周長L是否相同。如果λ≈L,說明很有可能存在嚴重的輪對動不平衡;如果λ≠L,說明輪對動不平衡不嚴重。

這一方法不僅適用于塵土引起的動不平衡,也適用于其他原因,適用于所有車輛運行狀態(tài)下的識別。

(2) 觀察車輛的運行線路是否有大量的塵土。一般新建、多隧道線路上塵土較多。

(3) 觀察車輪輻板與輪裝制動盤之間是否有明顯的塵土。引起輪對動不平衡的塵土厚度一般達到毫米級。

這些因素緊密結(jié)合,互相印證。吻合因素越多,出現(xiàn)動不平衡的可能性越大。車輛振動越大,動不平衡越嚴重。

在裝有車體垂向加速度傳感器的情況下,可以通過車體垂向平穩(wěn)性指數(shù)W評判動不平衡的大小。如果W數(shù)值大于3.0(等級為不合格),說明需要檢修處理。沒有傳感器的情況下可以通過觀察輪對進行判斷,如果有明顯塵土且厚度達到毫米級或者出現(xiàn)結(jié)塊,說明需要檢修處理。

4 檢修方法

根據(jù)經(jīng)驗,運營車輛的輪對動不平衡最常見的成因是縫隙里累積了過多的塵土。對于這種情況,在動車所里即可完成檢修處理,故障診斷和檢修流程如圖7所示。詳細檢修流程分三步:

圖7 故障診斷和檢修流程圖

(1) 將車輛靜止停放,用高壓風槍將方便操作范圍內(nèi)的車輪輻板與輪裝制動盤之間的塵土吹走。如果有軸盤,還需要將將方便操作范圍內(nèi)的軸盤縫隙里的塵土吹走,同時要對所有車輪進行操作。

(2) 將清理過塵土的區(qū)域做標記,對所有車輪操作。一般情況下,因為遮擋、障礙等原因無法一次清理干凈,會遺留未清理的區(qū)域。

(3) 車輛低速前進,地面指揮人員與牽引司機保持溝通,直至未清理區(qū)域暴露出來。

重復進行這三步,直至全列車的所有輪對上的縫隙均清理干凈,觀察不到明顯塵土為止。根據(jù)經(jīng)驗,一般每列車清理3～4次后可以實現(xiàn)360°全覆蓋,經(jīng)過3天的清理可以完全消除動不平衡。具體效果可以通過振動傳感器動態(tài)監(jiān)測車輛狀態(tài)來查看。

采用此方法能夠有效解決塵土引起的動不平衡。從圖6可知,第7天車體垂向平穩(wěn)性恢復正常(等級為優(yōu)),充分說明了此方法是有效的。多列動車組的驗證結(jié)果均表明此方法可行。根據(jù)檢修經(jīng)驗,在檢修時應注意以下幾點:不能有任何遺漏區(qū)域,否則會導致更大的動不平衡;不能用水沖洗,因為塵土中可能含有水泥,水洗后容易形成隱藏在縫隙內(nèi)部的結(jié)塊,導致清理難度加大。

5 結(jié)論

輪對動不平衡在運行車輛上具有明顯的特征。對車體垂向振動加速度進行數(shù)據(jù)處理,結(jié)合車輛運行速度,可以診斷輪對的動不平衡,監(jiān)測、評判動不平衡的嚴重程度,為狀態(tài)檢修提供依據(jù)。根據(jù)檢修經(jīng)驗可知,塵土引起的動不平衡可以在動車所內(nèi)用高壓風槍完成處理,不必拆卸輪對,省時省力。