動車組車輪高階不圓度成因分析①

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(唐山軌道客車有限責任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035)

0 引 言

過去十年里，中國高速鐵路投入運營的線路里程和運行在這些線路上的動車組數(shù)量都不斷增長[1]。任何列車健康問題，不管其嚴重程度，都能被不斷增長的動車組數(shù)量放大。輕則導(dǎo)致維修保養(yǎng)成本增長，重則引起威脅乘客和線路安全的重大事故。車輪作為列車安全運行的關(guān)鍵走行部部件，動車組用戶對其強度、壽命等也提出了更高的要求[2]。隨著列車里程的增加，車輪也不斷受到磨損。如果列車車輪所受的磨損不是均勻的分布在圓周上，將造成車輪多邊形現(xiàn)象，輕則導(dǎo)致列車顛簸，乘客舒適度下降，重則導(dǎo)致列車出軌[3]。

列車在行進中輪對踏面與鋼軌不停摩擦，對踏面的磨耗會引起輪對圓周多處形成非圓形態(tài)，從而使輪對形態(tài)逐漸偏離于完美的圓[4]。輪對不圓又分為低階不圓和高階不圓[5]。一階不圓指偏心，二階不圓指橢圓，以此類推階次越高，輪圓的非圓弧邊越多。

1 數(shù)據(jù)分析

研究的樣本為上海虹橋動車所所運營的116列CHR380B/CHR380BL。我們獲得的數(shù)據(jù)可分為四類：多邊形檢測記錄和輪對鏇修記錄，LY檢測數(shù)據(jù)，交路、車次與里程，WTDS數(shù)據(jù)。多邊形檢測記錄和輪對鏇修記錄主要包括列車自出廠以來至多邊形檢測日期的走行里程，鏇修時里程指列車自出廠至鏇修日期的走行里程，鏇后里程指列車自鏇修日期至下一次多邊形檢測日期的走行里程。LY檢測包括了八個檢測項目：輪徑，輪緣高，輪緣厚，垂直磨耗，踏面磨耗，QR值，內(nèi)距和同軸輪徑差。交路、車次與里程包括不同車組在不同的日期跑過的交路，交路的具體信息，交路車次，車次具體信息等。WTDS包含一個單元車廂中電路及壓力信息。

1.1 多邊形檢測

目前動車段對輪對進行不圓度檢測并不是隨機的，而是根據(jù)一些觀測到的現(xiàn)象對特定的一些輪對進行檢測。如圖1所示，軸溫傳感器線卡螺栓丟失是輪對高階多邊形的最大原因，其次是溫傳感器線夾C型支架斷裂和噪聲過大。由此可見，可通過梳理車軸和轉(zhuǎn)向架上的故障警報來預(yù)測輪的多邊形。

圖1 高階多邊形的三大起因分布

1.2 低階與高階不圓度的關(guān)系

如前所述，階次反應(yīng)了粗糙度的峰值出現(xiàn)在振蕩波形的那個頻率。如圖2，圖3可以看到在20階容易出現(xiàn)最大的粗糙度幅值，在20階的粗糙度等級也是最高的。而在低階階次中1階占了壓倒性多數(shù)，1階的粗糙度也是低階中最高的。由圖4，我們能看到多邊形檢測樣本中的檢測結(jié)果中高階不圓度和低階不圓度是呈正相關(guān)的，很可能是因為輪軌摩擦同時造成了低階和高階的不圓。但是低階和高階不圓度的關(guān)聯(lián)度并不大，低階和高階不圓的具體形成機理還并不一定是完全相同的。

圖2 各高階與低階不圓階次的輪次

圖3 高階和低階不圓度

圖4 高階不圓度與低階不圓度相關(guān)性

1.3 高階不圓與鏇后里程

顯而易見，由圖5能看出高階不圓度和鏇后里程存在正相關(guān)，因為鏇輪周期內(nèi)的里程越長，輪軌之間的磨耗機會越多。因為動車段目前將鏇前的最大里程定為18萬公里，導(dǎo)致鏇后里程達到18萬公里后多邊形數(shù)檢測記錄大幅減少，所以這個區(qū)間兩者的關(guān)聯(lián)并不太可信。還有一點要注意的是，鏇后里程是很多因子或變量的公共因子，比如鏇后里程越長，經(jīng)歷的加減速次數(shù)越多，經(jīng)歷各種故障的幾率越大。因此，將與鏇后里程相關(guān)聯(lián)的多個因子同時放進模型里對高階多邊形的識別幫助并不會太大。圖6展示了高階多邊形在不同鏇后里程的分布情況。十萬公里以下的高階多邊形很罕見，高階多邊形大多發(fā)生在鏇后里程15萬到18萬公里。

圖6 高階多邊形在鏇后里程的分布

1.4 高階不圓與動拖輪

有電動機帶動軸輪旋轉(zhuǎn)的輪對我們稱之為動輪，沒有電動機帶動僅僅是被動輪拖著旋轉(zhuǎn)前進的輪對我們稱之為拖輪。一列CRH380B車組的第1、3、6、8車廂所有軸是動軸，其他車廂的軸是沒有動力的拖軸。一列CRH380BL的第1、3、6、8、9、11、14、16車廂所有的軸是動軸，其他車廂的軸是沒有動力的拖軸。多邊形檢測記錄里大部分高階多邊形都來自于動輪，但動拖輪的整體高階不圓度并無太大區(qū)別。Pearson關(guān)聯(lián)測試p<0.05, 說明高階不圓度和一個輪對是否有電機驅(qū)動是相關(guān)的。

1.5 高階不圓與車廂

在樣本中，不論是8編組還是16編組，首尾兩節(jié)車廂出現(xiàn)的高階多邊形最多(圖7)，但是從整體來看不同車廂的高階不圓度并無明顯差異(圖8)。

1.6 高階不圓與軸位

從數(shù)量上來說，出現(xiàn)在第1、4軸上(首尾軸)的高階多邊形輪對最多。從整體上來看，這兩個軸的輪對高階不圓度也比第2、3軸要高。

圖7 多邊形數(shù)量在不同車廂的分布

圖8 各車廂輪對的高階不圓度

圖9 高階不圓度與軸位

2 結(jié) 論

綜上所述，本文從動車組實際運營及維修數(shù)據(jù)出發(fā)，通過對數(shù)據(jù)的分段、數(shù)據(jù)的特征值計算，把原始信息量化，其后通過變量關(guān)聯(lián)分析，得出以下結(jié)論：

1) 動車的車軸與轉(zhuǎn)向架故障與車輪高階多邊形的發(fā)生存在強相關(guān)性。

2) 低階多邊形與高階多邊形之間呈正相關(guān)。

3) 高階多邊形大多發(fā)生在鏇后里程15萬到18萬公里。

4) 車輪高階不圓度與是否驅(qū)動、車廂位置及軸位均有可見相關(guān)性。

參考文獻:

[1] 郝陽陽.動車組運用計劃編制方法研究[D].石家莊鐵道大學(xué), 2015.

[2] 趙亮.CRH2型動車組車輪疲勞強度分析及輪徑限度研究[D].北京交通大學(xué), 2015.

[3] 王憶佳, 曾京, 羅仁,等.高速列車車輪多邊形化對車輛動力學(xué)性能的影響[J].四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版), 2013, 45(3):176-182.

[4] 袁雨青.高速列車車輪不圓機理及影響研究[D].北京交通大學(xué), 2016.

[5] 羅光兵.高速客車車輪不圓對車輛振動影響的分析[J].鐵路計算機應(yīng)用, 2017, 26(7):74-77.