重庆单轨车辆车体倾斜故障分析及改进措施

2018-05-02于忠建王文华韩俊臣陆海英

城市轨道交通研究 2018年4期

于忠建王文华韩俊臣陆海英

（中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心转向架研发部，130062，长春∥第一作者，工程师）

2015年5月20号，中车长春轨道客车股份有限公司收到重庆市轨道交通集团有限公司关于2031编组5车相对6车向二位侧（注：在车内站立，面向1车司机室，右侧为一位侧，左侧为二位侧）倾斜的反馈问题。经现场调查，从6车二位侧观察5车二位侧上部排水槽，5车二位侧端墙竖直线上部及下部均超出6车二位侧端墙坚直线，且上部大于下部，说明5车车体实际存在的问题是：倾斜加横向偏移。

1 原因分析

重庆单轨采用的轮胎式单轨车辆与传统的钢轮钢轨车辆相比，无论是走行原理还是受力方式均有较大差异。传统车辆属“随遇稳定”模式，轮对中心距大，车辆重心始终处于2个车轮之间。但对于跨坐式单轨转向架而言，同一车轴的2个走行轮中心距仅为400 mm，容易失稳，属“随遇不稳定”模式。因此，转向架设置了2个稳定轮（位于下侧的水平轮）从侧面抱住轨道梁，由此产生一个横向力，从而形成一个附加反力矩，将“随遇不稳定”结构转变为“随遇稳定”结构，以保证车辆的稳定性。另一特点是，走行轮由橡胶轮胎取代传统车辆的钢制车轮，由4个导向轮（位于上侧的水平轮）实现传统车辆车轮踏面的导向作用，导向轮和稳定轮也使用橡胶轮胎［1-2］。因此，对转向架轮胎的调查成为了车体倾斜原因分析的重点。

车体倾斜的影响因素可分为如下4大类10种可能原因。

1.1 转向架倾斜问题

对倾斜车体的转向架空气弹簧（以下简称“空簧”）高度进行调整，当空簧调整到同一高度或空簧无气时，车体仍然倾斜，此时需考虑转向架自身是否存在倾斜。

（1）走行轮胎压及轮径差的影响，由于两轮较近，即使较小的轮径差，反映到空簧支点也会被放大。

（2）水平轮胎压及轮径差的影响。

（3）水平轮与轨道梁之间的压力超差。

（4）未对两侧空簧座面到轨面的高度差进行控制。

（5）转向架构架机械加工偏差。

1.2 转向架二系悬挂系统问题

据悉，2036编组之前出现的车体倾斜即与二系差压阀故障（低压力导通，即动作差压值低）及高度阀调整杆（以下简称“高度阀杆”）故障（高度阀杆衬套磨耗导致其运动间隙大，使得空簧无法正常充、排气）有关，通过更换差压阀及高度阀杆衬套，故障随即消除。

1.3 线路问题

（1）轨道梁上平面不平顺的影响。

（2）轨道梁两侧立面不平顺的影响。

1.4 车体自身问题

因制造偏差及载荷分布不均等车体自身问题，导致落车后转向架因受力不均而倾斜。

（1）车体配重不均衡导致车辆重心偏差。

（2）车体底架扭曲变形的影响。

2 调查过程

2.1 转向架倾斜调查

因5车二位车体倾斜程度较重，所以此次对转向架的调查重点放在5车二位转向架。

2.1.1 走行轮胎压及轮径调查

检查走行轮胎压（通过压力表读取）并调整内压至标准值（950±10）kPa、测量外径（通过高度尺测量）、测量花纹深度（通过深度尺测量）。

从测量结果可知，一位端一位侧与二位侧走行轮胎压分别为1 050 kPa和960 kPa，压差值略大，二位端胎压相当（分别为980 kPa和950 kPa），由于二位车体倾斜程度较重，因而认为当前走行轮胎压不会对车体倾斜造成严重影响，但需调整；一位端一位侧与一位端二位侧轮径相同（均为1 003.8 mm），二位端轮径相当（分别为1 004.2 mm和1 004.6 mm），轮径相差不大，最大差值仅为0.8 mm；花纹深度与轮径为对应关系，从实测值可知，花纹深度相差不大，一位端二位侧轮胎花纹深度略低，走行轮胎无异常磨耗。

2.1.2 水平轮胎压及轮径调查

检查水平轮胎压（通过压力表读取）并调整内压至（980± 10）kPa、测量外径（通过高度尺测量）、测量磨耗孔深度（通过深度尺测量）。

从测量结果可知，导向轮胎压相当，约为900 kPa，稳定轮胎压略低，约为850 kPa，水平轮胎压低于标准值约80～130 kPa，轮胎使用一段时间后，压力下降属正常现象，随即将水平轮胎补压至标准值980 kPa；磨耗孔深度与轮径为对应关系，导向轮胎磨耗量总体上接近，最大差值仅为0.8 mm（出现在二位端），稳定轮胎磨耗量总体上接近，差值仅为0.6 mm。

2.1.3 水平轮与轨道梁之间的压力调查

通过轮胎压力检测台，将水平轮与轨道梁之间的压力调整至标准值3 900～4 900 N。若水平轮与轨道梁之间的压力值小于标准值，则减少调整垫，若水平轮与轨道梁之间的压力值大于标准值，则增加调整垫。

胎压调整原理：单轨车辆的抗侧滚刚度由装配在转向架对角线位置的导向轮和稳定轮提供，不同的压力等效不同的抗侧滚刚度。基于此考虑，将抵抗车体向二位侧倾斜的抗侧滚刚度提高，即将二位侧导向轮与一位侧稳定轮压在轨道梁上的压力提高，另一对角相对调低，但保证在标准值范围之内，从原理上对车辆倾斜起到一定的抵抗作用。

从测量结果可知，导向轮胎与轨道梁之间的压力，一位端（一位侧和二位侧分别为5 182 N和4 982 N）大于二位端（一位侧和二位侧分别为4 847 N和4 568 N），一位侧大于二位侧，部分压紧力已超过新造转向架标准，最低值出现在二位端二位侧，其中一位端一位侧与二位端二位侧的对角压力差达到600 N；稳定轮胎与轨道梁之间的压力，二位侧（为5 543 N）大于一位侧（为5 216 N）约300 N，压紧力较新造转向架标准偏大，最大已超出允许范围600 N。水平轮压差的变化会导致转向架提供的抗侧滚刚度变化，进而导致左右两侧支撑力不均衡，使转向架或车体倾斜，因此，转向架恢复时，需通过调整垫片重新调节水平轮胎的压紧力。

2.1.4 两侧空簧座面到轨面的高度调查

两侧空簧座面的高度测量，要求有准确的测量设备及辅助工装，如激光测距仪、水平尺和测量基准平台。经调查，故障转向架在调整水平轮与轨道梁之间的压力时，并未对两侧空簧座面到轨面的高度差进行控制，导致转向架在无载荷状态下两侧空簧座面距轨面偏差过大。从测量结果可知，转向架一位侧空簧座面到测量基准平台的距离为2.606 m（测量3次，取平均值），二位侧空簧座面到平台的距离为2.598 m（测量3次，取平均值），空簧座面到平台的距离，一位侧比二位侧高8 mm（即空簧无气状态下，一位侧空簧上面高于二位侧空簧上面8 mm，转向架呈倾斜状态）。

对故障转向架恢复，既要按照本文2.1.3节的胎压调整原理，将抵抗车体向二位侧倾斜的抗侧滚刚度提高，又要按本节控制两侧空簧座面的高度差。通过加减调整垫片，适当提高二位侧稳定轮和一位侧导向轮压紧力，并将两侧空簧座面高度差控制在4 mm内。

2.1.5 构架机械加工情况检测

通过三坐标测量仪对返厂的转向架构架机械加工进行3D检测，检测结果如表1所示。

表1 转向架构架机械加工3D检测结果

测量结果表明，构架机械加工的精度总体上没有问题，但个别尺寸略有超差，可通过加减垫片来弥补尺寸超差带来的影响。

2.2 转向架二系悬挂系统分析

可能影响车体倾斜的转向架二系悬挂系统主要零部件有：高度阀、差压阀及高度阀杆。高度阀安装在车体上，通过控制空簧的充、排气，使车体在不同静载荷下保持一定高度，同时减少车辆的倾斜。每个空簧由1个高度阀控制。两侧空簧之间设置有差压阀，可确保转向架两侧空簧压差不超过为保证行车安全规定的某一定值，若超出时，则差压阀自动连通两侧空簧，使压差维持在该定值以下，因此差压阀起着保证安全的作用［3-5］。高度阀杆配合高度阀一起使用，是高度阀进、排气的控制机构，由机械杆件组成，安装在构架与高度阀之间。

对从故障车拆下的高度阀、差压阀进行性能检测（针对高度阀，进行了流量、动作、漏泄等试验［6］；针对差压阀，进行了流向、动作压力及漏泄等试验）。对高度阀杆的安装衬套及L型螺栓球铰等磨耗件进行了仔细检查。检测结果表明，除衬套因磨耗严重需及时更换外，二系悬挂系统其余零部件均无异常。高度阀杆较为复杂，活动关节较多，衬套材料为聚氨酯橡胶，图纸要求其硬度为邵氏（D）99°，经检测发现，从故障车拆下的衬套硬度值普遍不合格（实测硬度约为邵氏（D）42°）。衬套硬度的严重不足，将导致高度阀杆动作不良，不能将车体与转向架之间的高度变化有效地传递至高度阀，进而使空簧充、排气不及时，导致同一转向架2个空簧高度不一致，使车体发生倾斜。

2.3 线路原因分析

轨道不平顺（包括轨道梁上平面和两侧立面的不平顺），若是线路问题，则在不同线路或不同站点，车体倾斜只是程度上的差异，并无本质变化，即使程度上的差异也很小，因此线路问题可不予考虑。

2.4 车体自身原因分析

（1）车辆重心位置。由《重庆单轨车前后重量均衡计划值》可知，除有司机室的头尾车其车辆重心位置与车辆中心略有偏差外（也在合理范围内），中间车重心位置处于车辆正中位置，因此，理论上转向架不存在因车体偏载而发生倾斜。

（2）车辆四点称重。经调查，落车前，故障车并未进行四点称重，因此不排除车辆在AW0状态下的质量及质量分配不满足标准要求。对5车的4个空簧压力进行检测，其中1、4位空簧压力明显高于2、3位，4位比3位空簧压力高出73.5 kPa。根据压力差推断，5车二位端转向架左右两侧载荷相差约1.3 t，说明车体底架扭曲严重。

从重庆轨道交通3号线北延段项目开始，车体设备组装完成后、车辆落车前，必须进行四点称重，调平车体空簧平面，四点称重结果必须满足同一端每个空簧座载荷与其平均载荷偏差≤2%，每端空簧座载荷与两端平均载荷偏差≤2%，每侧空簧座载荷与两侧平均载荷偏差≤2%。