CRH2型动车组转向架三级修优化研究 *

彭国平, 弓海斌, 王海涛, 张华丽, 杨 晟, 邬平波

(1 中车青岛四方机车车辆股份有限公司， 山东青岛 266111；2 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室， 成都 610031)

高速动车组三级修需要将转向架与车体分离，并分解轮对，是现有高级修等级中最低级的检修。目前，CRH2平台动车组三级检修的间隔周期为60万km或1.5 a，在实际检修过程中，由于动车组上线频繁，单日运行里程较长，很多动车组在1年左右运行里程即达到60万km，需要进行三级检修，这严重制约动车组上线率，影响CRH2平台动车组的竞争力，迫切需要对现有检修规程进行优化。通过将现行三级修调整优化为在动车运用所即能执行的动车组转向架60万km专项修，即整车不落架、不分解轮对可有效解决上述问题。

结构健康监测指的是针对工程结构的损伤识别及其特征化的策略和过程，目前在土木[1]、桥梁[2]等领域运用较广。文中运用结构健康检测理念，从可行性分析及实车验证、车辆动力学试验、关键零部件精密检查3个方面，通过检修积累、相关试验以及状态监控等健康检测手段，对动车组转向架60万km专项修进行全面分析。

1 可行性分析及实车验证

现行三级修包含齿轮箱、油压减振器、轴箱定位节点和弹簧、联轴节的检查和性能测试。为实现转向架专项修，设计了齿轮箱检查的相关工装。通过前期检修积累，对转向架现行三级修需分解检修的油压减振器、轴箱定位节点和弹簧、联轴节进行取消相关检修的可行性分析。

1.1 齿轮箱

现行三级检修对齿轮箱的检修主要包含齿轮箱内部清洗及小齿轮轴承游隙测量。齿轮箱内部清洗是为了去除齿轮箱箱体内部轴承旋转和齿轮啮合产生的磨耗粉；小齿轮轴承游隙测量是由于圆锥滚子轴承轴向游隙对轴承旋转精度、承载能力和使用寿命等影响较大。

现车状态下，通过设计合适的齿轮箱冲洗工装，对动车组齿轮箱进行内部静态冲洗作业，冲洗油通过齿轮箱的注油栓进入，从箱体下方的排油栓处流出，强制循环冲洗达到清洗目的，如图1所示。该清洗方式有效清洗了油位计视窗顶部至齿轮箱底部，清洗效果和现行三级检修要求相当。

图1 齿轮箱现车清洗工装

现车状态下，使用两台转向架支撑转轮装置同步支撑同一条轮对两侧轴箱体下部，轮对处于悬空状态，车轮可自由旋转，如图2所示。使用小齿轮轴游隙测量工装测量齿轮箱小轴游隙，如图3所示，该测量方法与单轮对状态所测小轴游隙测量值相差较小。

图2 轮对支撑示意图

图3 小轴游隙测量示意图

1.2 油压减振器

三级修时存在少数垂向及抗蛇行减振器阀振动、起步不良及阻尼力衰减等异常。而横向减振器在三级检修过程中未出现刚度测试不合格现象，因此，60万km专项修可取消横向减振器的刚度测试，但仍需保留对垂向、抗蛇行减振器的刚度测试。

1.3 轴箱定位节点和弹簧

前期共计检修12.6万多次轴箱定位节点，均未发现刚度超差及芯棒探伤裂纹。且从刚度检测数据看，各高级修时轴箱定位节点刚度较为稳定，在不同检修周期内变化趋势相同，刚度值符合检修规程要求。因此，60万km专项修取消轴箱定位节点刚度测试可行。

动车组在运用过程中未发现过轴箱弹簧断裂现象，且在前期三级检修过程中未检测出刚度不合格。每个转向架配置4组轴箱弹簧，如果1组轴箱弹簧失效，另外3组也能起到平面支撑作用，不会导致构架倾斜。鉴于轴箱弹簧的重要性，60万km专项修取消刚度测试的同时，仍保留对轴箱弹簧状态检查的要求。

1.4 联轴节

现行有关联轴节的三级检修要求更换润滑油脂和橡胶挡水板，对小齿轮及外筒小齿轮部位进行磁粉探伤。

60万km和120万km的联轴节润滑脂化验表明，润滑油脂中各金属元素含量都很小，符合相关要求。联轴节挡水板和缓冲橡胶在60万km后其刚度、硬度、拉伸强度、扯断伸长率及扯断强度与新品相差不大。

对齿面存在轻微点蚀的联轴节，如图4所示，按电机常用最大扭矩的强化扭矩，进行齿面点蚀耐久试验，现车工况120万km后，齿面点蚀未见明显扩展，齿轮磨损量极小，如图5所示。因此，60万km专项修可以取消联轴节的检修。

图4 试验联轴节

图5 齿面点蚀耐久试验

综上，通过设计齿轮箱内部清洗及小齿轮轴承游隙测量的工装，可以实现现车状态下齿轮箱的检修。通过前期的检修分析，转向架60万km专项修可取消横向减振器、轴箱定位节点和弹簧的刚度测试，取消联轴节的检修。只需要对垂向、抗蛇行减振器的刚度进行测试，检查轴箱弹簧的状态。为验证方案的可行性及可实施性，选取了9列动车组进行实车验证，实车验证过程中，现场实做未发生异常情况，检修用时间远低于正常三级修，充分证明动车组转向架60万km专项修可行性及可实施性，且优化效果明显。

2 轴箱轴承相关试验

现行三级检修要求拆卸轴箱体后对轴箱轴承外观状态检查，轴承润滑脂泄漏不超标，手动转动轴承，要求转动灵活无卡阻。由于转向架60万km专项修不拆解轴箱体，因此无法进行上述检查，为确保轴箱轴承的健康状态，轴箱轴承需要从耐久性试验、剥离扩展试验、状态监控措施等方面进行检修周期延长可行性分析。

2.1 耐久性试验

对新品轴箱轴承进行120万km耐久性试验，试验结束后，轴承温升、润滑脂状态、轴承分解后状态、密封圈及接触部状态正常，综合判断满足EN 12082标准要求。

2.2 剥离扩展试验

轴箱轴承的电蚀、润滑脂泄漏或失效进一步恶化可能导致轴承剥离，轴承剥离直接影响动车组的运营安全。选取外圈滚道面上存在轴向剥离的轴承，如图6所示，在剥离扩展试验台上进行剥离扩展试验，运行59.1万km后，温度不超过EN 12082标准的规定，但轴承内外滚道均有许多小的凹坑，滚子滚动面有许多环状的磨损痕迹，有明显深度，滚子大端面有一定程度的磨损，保持架完好。轴承剥离区域沿圆周方向有所扩展。同时，相比新品轴承，剥离轴承的温度和振动测试数值明显较高。但试验结束后轴承没有出现裂纹等现象，同时也没有发现咬粘的征兆，如图7所示。因此，存在轻微剥离的情况下，轴承剥离扩展速度缓慢，不会影响运行安全。

图6 轴箱轴承剥离试验(扩展前)

2.3 状态监控

动车组装有对轴箱轴承温度监控的熔断式温度检测器或实时轴温传感器，通过熔断式温度检测器和实时温度传感器，在运用过程中轴箱轴承如发生状态异常，能及时发现轴箱轴承异常。

轴箱轴承既要保证动车组的运用安全，又要实现三级修优化，除动车组自带的轴温监控措施外，在现车状态下，通过监测设备对轴承状态进行监控也是保障动车组运用安全的重要措施。

滚动轴承故障轨边声学诊断系统(TADS系统)采用先进的轨边声学指向跟踪技术、声音频谱分析技术和计算机智能识别技术[3]，如图8所示，可对动车组轴箱轴承内、外圈滚道和滚动体裂纹、剥离、磨损及腐蚀等故障进行早期诊断及分级报警。

图7 轴箱轴承剥离试验(扩展后)

图8 轨边声学诊断系统

综上，通过耐久性试验得出轴箱轴承可运行120万km；通过剥离扩展试验，得出了存在轻微剥离的情况下，剥离扩展速度相对较慢，不会在短时间内引起温度、振动异常等影响运行安全的问题；熔断式轴温检测器或实时轴温传感器以及轨边声学诊断系统的监控下，可确保轴箱轴承的运行安全。

3 车辆动力学试验

为了评估动车组运行60万km并进行了专项修后在线路服役过程中的动力学性能，针对CRH2型动车组开展车轮旋轮前、后的动力学性能测试，传感器类型与安装位置如表1所示。

表1 转向架测点布置

试验现场传感器布置如图9所示，旋轮前后构架横向加速度经0.5～10 Hz滤波后，均无大幅值谐波，其中某20 s的时域信号如图10所示。根据UIC 515标准，转向架无失稳现象。

图9 试验现场传感器布置图

图10 构架横向加速度0.5～10 Hz滤波

车辆的平稳性和舒适度指标参考了GB/T 5599，旋轮前后相同线路一段时间内的车辆平稳性和舒适度数据如表2所示。旋轮前后横向和垂向平稳性均小于2.5，性能等级为优。旋轮前后舒适度指标均未超过2.0，性能指标为舒适。

因此，动车组转向架60万km专项修后，在各个阶段车辆动力学性能均良好。

表2 旋轮前后车轮运行品质指标

4 关键零部件精密检查

为进一步掌握动车组转向架60万km专项修后各优化修部件的状态，在四级修中，对60万km专项修检修优化部件进行精密检查和性能测试，主要包含齿轮箱、横向减振器、轴箱和联轴节等。

4.1 齿轮箱

齿轮箱各部件外观状态良好，磁栓附着物细腻，润滑油检测符合要求，齿轮箱小齿轮轴轴向游隙测量值在0.13～0.17 mm之间，如图11所示，各项检查均符合要求。

图11 小轴轴向游隙

4.2 横向减振器

横向减振器整体外观状态良好，橡胶节点无龟裂、剥离等老化现象。对横向减振器进行功能测试，测试结果整体阻尼力平稳，阻尼性能符合规程要求，如图12所示。

图12 横向减振器拉伸阻尼力情况

4.3 轴箱

从分解检修情况看，轴箱轴承60万km专项修后的报废率与正常四级修基本持平。对部分轴箱轴承进行精密分解检查，检查内容包含外观状况、尺寸精度、圆度形状、母线形状、电蚀调查、润滑脂分析、油封调查，各项检查均未发现异常。

定位节点橡胶结合面之间无开裂，橡胶表面无溶胶、破损、龟裂、老化，刚度测量值集中在5.5 MN/m左右，符合要求，如图13所示。

轴箱弹簧外观检查状态良好，探伤无缺陷，内、外弹簧自由高检测均符合要求，载荷高均未超限，如图14所示。

图13 定位节点刚度测试

图14 轴箱弹簧高度测量

此外，联轴节各部件外观状态良好，满足动车组高级修各项技术要求，外筒及小齿轮探伤无异常，满足动车组高级修各项技术要求。

综上，通过对零部件的精密检查，确认60万km专项修检修优化部件状态及性能良好，进一步确定了动车组转向架60万km专项修可行。

5 结 论

(1)通过梳理CRH2型动车组转向架关键部件的检修数据的积累，提出一种新转向架专项修方案。新方案取消了油压减振器、轴箱定位节点和弹簧、联轴节的检修；设计了齿轮箱内部清洗及小齿轮轴承游隙测量的工装来进行现车状态的齿轮箱检修。实车验证表明，上述零部件并未出现异常，证明了专项修的可实施性。轴箱轴承的相关试验和状态监控，确保了不拆解检修轴箱体的情况下，轴箱轴承安全运行。

(2)线路动力学试验显示CRH2动车组转向架专项修后，车辆的动力学性能良好；对专项修后运行了60万km的动车组转向架相关部件检查，检查结果显示各零部件状态及性能良好，进一步验证了动车组转向架的专项修方案可行。

(3)提出的CRH2转向架60万km专项修方案，推进了动车组高级修周期的优化研究，显著地提高了动车组的上线率，大幅度节省人力、物力、财力，提高了检修效率并实现降本增效，进一步提高了该型动车组的竞争力。