蘭新客運專線CRH5G型動車組車輪多邊形研究

石鄒亮

(中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司 烏魯木齊車輛段,新疆 烏魯木齊 830011)

蘭新客運專線自2014年開通運營后,主要運營CRH5G型高寒抗風沙動車組,面臨運營里程長、高溫、高寒、強風沙、冰雪、列車持續運行速度高、普速列車與動車組混跑等各種不利因素,對動車組的可靠性、適應性、安全性提出了嚴峻考驗。蘭新客運專線CRH5G型動車組運行8萬公里以后車輪多邊形發生較多,鏇修后走行公里數越大,高階多邊形越頻發。然而動車組車輪多邊形在日常檢查中難以發現,采用直接或間接檢測多邊形的手段需要動車組處于靜止狀態,檢測效率過低[1]。目前車輪多邊形檢測主要借助于定期進行輪對不圓度檢測,并采用鏇輪的方式將車輪多邊形控制在一定范圍內。蘭新客運專線運行的動車組鏇修后運行里程8萬公里后,每運行2萬公里安排不落輪鏇床進行輪對各項尺寸測量,然后對超限的車輪多邊形進行鏇修,效率比較低,隨著動車組修程修制改革不斷深入,TPDS-1(車輛運行品質軌旁動態監測系統)在蘭新客運專線上投入使用,為研究蘭新客運專線CRH5G型動車組車輪多邊形檢測創造了條件。

1 車輪多邊形的危害

動車組車輪多邊形現象也叫車輪波磨、車輪諧波磨耗,或車輪周期性非圓化,是輪軌系統最難解決的問題之一,車輪多邊形將加劇輪軌作用力,對鋼軌和車輛部件的可靠性產生不利影響,進而危及行車安全。文獻[2]研究表明車輪多邊形磨耗幅值發展導致軸承垂向惡化,當車輪多邊形通過頻率與鋼軌局部彎曲模態產生耦合后,軸承載荷會更加惡劣。文獻[3]發現了車輪多邊形會使得軸箱端蓋位置的振動加劇,揭示了軸箱端蓋脫落的原因。對于蘭新客運專線動車組輪對鏇修后運行15萬公里以上時,車輪出現明顯的高階多邊形導致軸箱體振動加速度過大,軸箱垂向止擋本身是懸臂結構,其自身會對軸箱體振動進行放大,進而導致應急垂向止擋疲勞斷裂[4]。文獻[5]研究了高速列車齒輪箱體在受多邊形激擾下的動態響應,發現高階車輪多邊形容易引起齒輪箱箱體共振,導致振動加速度和應力顯著提高。車輪多邊形會帶來許多問題,例如車輛動力學性能惡化、產生強烈噪聲、造成車輪部件疲勞損傷、降低乘客舒適度和列車運行品質。車輪多邊形問題廣泛存在于我國高速列車,對列車的乘坐舒適性和安全性有顯著影響,通過定轉速運行,增大車輪直徑等措施改變固有頻率,可抑制車輪多邊形[6]。通過對近年文獻查詢,多為從設計制造角度研究改變動車組結構來減少輪對多邊形,對已投入運營的動車組如何抑制多邊形產生的研究較少,因此基于TPDS-1研究蘭新客運專線CRH5G型動車組車輪多邊形檢測及時消除已產生的多邊形,對確保動車組安全有重大意義。

2 TPDS-1檢測原理

車輛運行品質軌旁動態監測系統是我國鐵路運行安全防范與預警系統的重要裝備之一[7],利用設置在軌道正線上的輪軌力連續測試平臺,動態監測通過列車輪軌間連續的垂向和橫向作用力,實現車輛運行品質在線監測和自動報警,能夠實現踏面損傷及多邊形、橫向穩定性、超偏載檢測。蘭新高鐵新裝的TPDS-1設備能夠兼顧動車組高速通過檢測需求,測區長度達到11 m,測量精度更高,適應車型更廣,可以全面檢測動車組、客車、機車的踏面損傷問題。

3 車輪多邊形分布研究

動車組車輪多邊形的特點是車輪周向呈周期性變化。大于等于14階為高階多邊形,對2021年9月至2022年8月配屬中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司的動車組車輪多邊形數據進行統計分析,研究車輪多邊形形成的原因及分布規律,輪對多邊形14階及以上且粗糙度大于10 dB/1μm總計484次,由此可見TPDS-1設備能有效檢測到車輪多邊形。

3.1 季節性分布規律研究

按照車輪多邊形產生的月份進行統計分析,發現車輪多邊形1月、2月較少,7月至10月較多,結合文獻及數據分析可得到車輪多邊形與氣溫有關聯,氣溫越低車輪多邊形越少,氣溫越高越易形成車輪多邊形,因此在夏季暑運期間要多關注車輪多邊形,出現超標立即鏇修,確保動車組安全運行。

3.2 車輛分布規律研究

蘭新客運專線運行的CRH5G型動車組為8輛動車組固定編組,1、2、4、7、8車為動車,3、5、6車為拖車,按照車輛對484次車輪多邊形進行分布統計,發現每個車均發生了車輪多邊形,動車的動軸、拖軸均會產生車輪多邊形。

3.3 粗糙度分布研究

按照粗糙度對484次車輪多邊形數據進行分析(見表1),通過分析可知10 dB/1μm≤車輪多邊形粗糙度<18 dB/1μm的車輪多邊形占多數,需要進行噪聲跟蹤。由于動車組噪聲比較復雜,有氣動噪聲、輪軌噪聲、電器設備噪聲,噪聲程度還受到隔音及氣密性影響,因此噪聲跟蹤盡量選擇車內測量,避免在車內連接處測量噪聲,以減少其他噪聲影響。

表1 車輪多邊形粗糙度分布情況

4 TPDS-1報警數據分析

TPDS-1報警分為一級報警、二級報警。通過分析TPDS-1數據,發現TPDS-1設備報警存在誤差,二級報警的車輪測量其多邊形,存在粗糙度大于18 dB/1μm的情況,報警輪所在轉向架其他輪多邊形粗糙度也存在超標情況,因此對于二級報警原則上需結合最近一級修測量。測量時需對報警輪所在轉向架所有車輪進行檢測。輪對故障動態檢測系統采用光截圖像測量技術及接觸測量法經圖像采集處理獲得車輪外形輪廓、關鍵外形幾何尺寸。車輪多邊形測量可通過鏇輪車床進行測量或利用便攜式車輪多邊形測量儀,前者適用于大批量報警數據測量,測量效率較高,后者適用于零散報警測量,較為方便。

5 結語

對蘭新客運專線2021年9月至2022年8月TPDS-1設備報警復測的車輪多邊形數據進行統計分析,通過查閱文獻、按照季節、車輛、粗糙度分布進行統計分析,提出車輪多邊形檢測方法。為提高動車組運行品質,確保動車組安全,建議采取以下措施。

(1)由于車輪多邊形危害性比較大,將會對鋼軌和車輛部件的可靠性產生不利影響,因此必須及時通過鏇修的方式控制在標準范圍內。

(2)TPDS-1報警后經測量10 dB/1μm≤車輪多邊形粗糙度<18 dB/1μm的車輪多邊形占多數,需要噪聲跟蹤,噪聲跟蹤盡量選擇車內,避免在車內連接處測量噪聲,減少氣動等其他噪聲影響。

(3)TPDS-1報警準確率還有待提高,因此測量時二級報警原則上需結合最近一級修測量,一級報警立即本屬入庫進行檢測,并對報警輪所在轉向架所有車輪進行檢測。

(4)為了提高車輪多邊形測量效率,大批量測量通過鏇輪車床進行測量,零散報警測量使用便攜式測量儀。