兰新客运专线CRH5G型动车组车轮多边形研究

石邹亮

(中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司 乌鲁木齐车辆段,新疆 乌鲁木齐 830011)

兰新客运专线自2014年开通运营后,主要运营CRH5G型高寒抗风沙动车组,面临运营里程长、高温、高寒、强风沙、冰雪、列车持续运行速度高、普速列车与动车组混跑等各种不利因素,对动车组的可靠性、适应性、安全性提出了严峻考验。兰新客运专线CRH5G型动车组运行8万公里以后车轮多边形发生较多,镟修后走行公里数越大,高阶多边形越频发。然而动车组车轮多边形在日常检查中难以发现,采用直接或间接检测多边形的手段需要动车组处于静止状态,检测效率过低[1]。目前车轮多边形检测主要借助于定期进行轮对不圆度检测,并采用镟轮的方式将车轮多边形控制在一定范围内。兰新客运专线运行的动车组镟修后运行里程8万公里后,每运行2万公里安排不落轮镟床进行轮对各项尺寸测量,然后对超限的车轮多边形进行镟修,效率比较低,随着动车组修程修制改革不断深入,TPDS-1(车辆运行品质轨旁动态监测系统)在兰新客运专线上投入使用,为研究兰新客运专线CRH5G型动车组车轮多边形检测创造了条件。

1 车轮多边形的危害

动车组车轮多边形现象也叫车轮波磨、车轮谐波磨耗,或车轮周期性非圆化,是轮轨系统最难解决的问题之一,车轮多边形将加剧轮轨作用力,对钢轨和车辆部件的可靠性产生不利影响,进而危及行车安全。文献[2]研究表明车轮多边形磨耗幅值发展导致轴承垂向恶化,当车轮多边形通过频率与钢轨局部弯曲模态产生耦合后,轴承载荷会更加恶劣。文献[3]发现了车轮多边形会使得轴箱端盖位置的振动加剧,揭示了轴箱端盖脱落的原因。对于兰新客运专线动车组轮对镟修后运行15万公里以上时,车轮出现明显的高阶多边形导致轴箱体振动加速度过大,轴箱垂向止挡本身是悬臂结构,其自身会对轴箱体振动进行放大,进而导致应急垂向止挡疲劳断裂[4]。文献[5]研究了高速列车齿轮箱体在受多边形激扰下的动态响应,发现高阶车轮多边形容易引起齿轮箱箱体共振,导致振动加速度和应力显著提高。车轮多边形会带来许多问题,例如车辆动力学性能恶化、产生强烈噪声、造成车轮部件疲劳损伤、降低乘客舒适度和列车运行品质。车轮多边形问题广泛存在于我国高速列车,对列车的乘坐舒适性和安全性有显著影响,通过定转速运行,增大车轮直径等措施改变固有频率,可抑制车轮多边形[6]。通过对近年文献查询,多为从设计制造角度研究改变动车组结构来减少轮对多边形,对已投入运营的动车组如何抑制多边形产生的研究较少,因此基于TPDS-1研究兰新客运专线CRH5G型动车组车轮多边形检测及时消除已产生的多边形,对确保动车组安全有重大意义。

2 TPDS-1检测原理

车辆运行品质轨旁动态监测系统是我国铁路运行安全防范与预警系统的重要装备之一[7],利用设置在轨道正线上的轮轨力连续测试平台,动态监测通过列车轮轨间连续的垂向和横向作用力,实现车辆运行品质在线监测和自动报警,能够实现踏面损伤及多边形、横向稳定性、超偏载检测。兰新高铁新装的TPDS-1设备能够兼顾动车组高速通过检测需求,测区长度达到11 m,测量精度更高,适应车型更广,可以全面检测动车组、客车、机车的踏面损伤问题。

3 车轮多边形分布研究

动车组车轮多边形的特点是车轮周向呈周期性变化。大于等于14阶为高阶多边形,对2021年9月至2022年8月配属中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司的动车组车轮多边形数据进行统计分析,研究车轮多边形形成的原因及分布规律,轮对多边形14阶及以上且粗糙度大于10 dB/1μm总计484次,由此可见TPDS-1设备能有效检测到车轮多边形。

3.1 季节性分布规律研究

按照车轮多边形产生的月份进行统计分析,发现车轮多边形1月、2月较少,7月至10月较多,结合文献及数据分析可得到车轮多边形与气温有关联,气温越低车轮多边形越少,气温越高越易形成车轮多边形,因此在夏季暑运期间要多关注车轮多边形,出现超标立即镟修,确保动车组安全运行。

3.2 车辆分布规律研究

兰新客运专线运行的CRH5G型动车组为8辆动车组固定编组,1、2、4、7、8车为动车,3、5、6车为拖车,按照车辆对484次车轮多边形进行分布统计,发现每个车均发生了车轮多边形,动车的动轴、拖轴均会产生车轮多边形。

3.3 粗糙度分布研究

按照粗糙度对484次车轮多边形数据进行分析(见表1),通过分析可知10 dB/1μm≤车轮多边形粗糙度<18 dB/1μm的车轮多边形占多数,需要进行噪声跟踪。由于动车组噪声比较复杂,有气动噪声、轮轨噪声、电器设备噪声,噪声程度还受到隔音及气密性影响,因此噪声跟踪尽量选择车内测量,避免在车内连接处测量噪声,以减少其他噪声影响。

表1 车轮多边形粗糙度分布情况

4 TPDS-1报警数据分析

TPDS-1报警分为一级报警、二级报警。通过分析TPDS-1数据,发现TPDS-1设备报警存在误差,二级报警的车轮测量其多边形,存在粗糙度大于18 dB/1μm的情况,报警轮所在转向架其他轮多边形粗糙度也存在超标情况,因此对于二级报警原则上需结合最近一级修测量。测量时需对报警轮所在转向架所有车轮进行检测。轮对故障动态检测系统采用光截图像测量技术及接触测量法经图像采集处理获得车轮外形轮廓、关键外形几何尺寸。车轮多边形测量可通过镟轮车床进行测量或利用便携式车轮多边形测量仪,前者适用于大批量报警数据测量,测量效率较高,后者适用于零散报警测量,较为方便。

5 结语

对兰新客运专线2021年9月至2022年8月TPDS-1设备报警复测的车轮多边形数据进行统计分析,通过查阅文献、按照季节、车辆、粗糙度分布进行统计分析,提出车轮多边形检测方法。为提高动车组运行品质,确保动车组安全,建议采取以下措施。

(1)由于车轮多边形危害性比较大,将会对钢轨和车辆部件的可靠性产生不利影响,因此必须及时通过镟修的方式控制在标准范围内。

(2)TPDS-1报警后经测量10 dB/1μm≤车轮多边形粗糙度<18 dB/1μm的车轮多边形占多数,需要噪声跟踪,噪声跟踪尽量选择车内,避免在车内连接处测量噪声,减少气动等其他噪声影响。

(3)TPDS-1报警准确率还有待提高,因此测量时二级报警原则上需结合最近一级修测量,一级报警立即本属入库进行检测,并对报警轮所在转向架所有车轮进行检测。

(4)为了提高车轮多边形测量效率,大批量测量通过镟轮车床进行测量,零散报警测量使用便携式测量仪。