董 博
(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所,北京 100081)
在高速動(dòng)車組運(yùn)行速度不斷提高的同時(shí),乘客對(duì)于舒適度的要求也越來越高,這就要求動(dòng)車組的懸掛系統(tǒng)具有優(yōu)異的減振性能[1]。配置優(yōu)異的懸掛系統(tǒng)能夠吸收隨車速提高帶來的高頻振動(dòng),降低輪軌作用力,增加高速動(dòng)車組直線運(yùn)行的臨界速度和穩(wěn)定性,同時(shí)保持良好的曲線通過能力,是動(dòng)車組運(yùn)行安全和乘坐舒適的有力保障[2]。
高速動(dòng)車組普遍運(yùn)用的懸掛系統(tǒng)由一系懸掛和二系懸掛組成,轉(zhuǎn)臂式定位是一種典型的轉(zhuǎn)向架一系懸掛方式,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、有效降低簧下質(zhì)量和定位參數(shù)容易精準(zhǔn)計(jì)算等特點(diǎn),可以較好地滿足動(dòng)車組的運(yùn)用要求[3]。轉(zhuǎn)臂式定位的懸掛系統(tǒng)一般由軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)、金屬螺旋彈簧、垂向減振器構(gòu)成[4]。其中,軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)承擔(dān)著動(dòng)車組及轉(zhuǎn)向架的垂向力、牽引及制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的縱向力,以及動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的輪軌橫向力[5]。因此,軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的剛度特性不但保證了動(dòng)車組運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性及穩(wěn)定性,還對(duì)輪軌之間的磨損產(chǎn)生一定影響,合理的剛度區(qū)間及適時(shí)的更換將直接影響動(dòng)車組運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性[6]。以CRH2型動(dòng)車組的軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象,在進(jìn)行60萬km的運(yùn)營后進(jìn)行拆解檢查及剛度測(cè)試,根據(jù)剛度變化率選取2件剛度變化較大的軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞試驗(yàn),疲勞試驗(yàn)后再次測(cè)試節(jié)點(diǎn)的剛度,并根據(jù)剛度變化情況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)對(duì)比分析,基于動(dòng)力學(xué)性能變化及軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的表面狀態(tài),進(jìn)行動(dòng)車組運(yùn)行安全性分析,提出了動(dòng)車組在正常運(yùn)營下軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的最佳更換周期。該研究對(duì)CHR2型動(dòng)車組運(yùn)營的安全性、穩(wěn)定性及運(yùn)營維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性有一定的參考意義。
CRH2型動(dòng)車組用軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)由金屬外套、芯軸及橡膠組成,金屬外套與芯軸通過橡膠硫化的方式組成一個(gè)整體,軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成及受力方向如圖1所示。
圖1 軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成及受力方向Fig.1 Structure composition and force direction of axle box arm positioning node
軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的芯軸固定在構(gòu)架的定位座上,金屬外套和芯軸橡膠與軸箱轉(zhuǎn)臂連接,輪對(duì)與構(gòu)架間的橫向及縱向相對(duì)位移依靠節(jié)點(diǎn)的彈性變形實(shí)現(xiàn)??梢?,軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)是直接影響動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定性和曲線通過性能最主要的懸掛部件[7]。
CRH2型動(dòng)車組軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)安裝在軸箱轉(zhuǎn)臂及壓蓋內(nèi)部,通過螺栓鎖緊,在鎖緊后橡膠受到一定程度的壓縮。為了保證與實(shí)際安裝狀態(tài)的一致性,在剛度測(cè)試時(shí)需采用與軸箱轉(zhuǎn)臂及壓蓋同樣尺寸的工裝對(duì)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緊固。
軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的垂向剛度及橫向剛度約束了動(dòng)車組在運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),對(duì)于動(dòng)車組運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性影響較大[8]。根據(jù)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的技術(shù)條件,得到垂向及橫向剛度測(cè)試時(shí)的加載范圍及剛度要求,軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)加載范圍及剛度指標(biāo)如表1所示。靜剛度試驗(yàn)采用5 t等級(jí)的MTS電子萬能試驗(yàn)機(jī),載荷精度為0.1 N,位移采用千分表測(cè)得,精度為0.001 mm。
表1 軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)加載范圍及剛度指標(biāo)Tab.1 Loading range and stiffness index of axle box arm positioning node
1.2.1 垂向剛度試驗(yàn)
根據(jù)JIS K 6385 《防振橡膠的試驗(yàn)方法》及軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的技術(shù)條件得到垂向剛度的試驗(yàn)方法:以5 mm/min的速度對(duì)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的垂向施加載荷,從0 加載至11.8 kN,再卸載到0,進(jìn)行2次預(yù)加載。第3次以0.5 mm/min的速度對(duì)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載,從0加載至11.8 kN,再卸載到0,取第3個(gè)加載循環(huán)載荷上升段的數(shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的剛度,剛度計(jì)算的載荷取值范圍為0.098 ~ 11.8 kN。1#至8#軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的垂向剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 1#至8#軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的垂向剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Vertical stiffness test data of 1# - 8# axle box arm positioning node
根據(jù)表2可以看出,所測(cè)8個(gè)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的剛度區(qū)間為13.4 ~ 14.3 kN/mm,與基準(zhǔn)值13.7 kN/mm的偏差率為-2.2% ~ 4.4%,所測(cè)8個(gè)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的垂向剛度一致性較好,與基準(zhǔn)值相比均未超過±5%。
1.2.2 橫向剛度試驗(yàn)
根據(jù)JIS K 6385 《防振橡膠的試驗(yàn)方法》及軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的技術(shù)條件得到橫向剛度的試驗(yàn)方法:以5 mm/min的速度對(duì)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的垂向施加載荷,從0加載至11.8 kN,再卸載到0,進(jìn)行2次預(yù)加載。第3次以0.5 mm/min的速度對(duì)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載,從0加載至11.8 kN,再卸載到0,取第3個(gè)加載循環(huán)載荷上升段的數(shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的剛度,剛度計(jì)算的載荷取值范圍為0.098 ~ 11.8 kN。1#至8#軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的橫向剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。
根據(jù)表3可以看出,所測(cè)8個(gè)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的剛度區(qū)間為5.37 ~ 5.72 kN/mm,與中間值5.49 kN/mm的偏差率為-2.2% ~ 4.2%,所測(cè)的8個(gè)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的橫向剛度一致性較好,與基準(zhǔn)值相比均未超過±5%。
表3 1#至8#軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的橫向剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Lateral stiffness test data of 1# - 8# axle box arm positioning node
8件軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的垂向及橫向剛度測(cè)試結(jié)果均在產(chǎn)品技術(shù)條件給定的剛度范圍之內(nèi),達(dá)到了運(yùn)營條件。
高速動(dòng)車組在實(shí)際運(yùn)營中,線路條件較為復(fù)雜,紫外線、高低溫、風(fēng)沙等多樣化的環(huán)境對(duì)其性能均有一定的影響,一旦軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的性能發(fā)生較大變化,將對(duì)動(dòng)車組整體懸掛性能產(chǎn)生較大影響,如發(fā)生共振,將直接損害動(dòng)車組上的設(shè)備及軌道部件,進(jìn)而危及行車安全[9]。
對(duì)測(cè)試合格后的8件軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)營試驗(yàn),運(yùn)營總行程為60萬km,在運(yùn)營每10萬km后對(duì)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的外觀及表面狀態(tài)進(jìn)行檢查,觀察有無橡膠溶膠及橡膠與金屬粘接不牢靠等問題。在累計(jì)運(yùn)營達(dá)到60萬km后,對(duì)8件軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拆解,檢查其外觀及磨損程度,并對(duì)芯軸端部進(jìn)行探傷,檢查芯軸有無裂紋缺陷,同時(shí),對(duì)運(yùn)營60萬km后的軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行垂向剛度及橫向剛度測(cè)試,運(yùn)營60萬km后的軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)剛度及剛度變化率如表4所示。
從表4可以看出,在高速動(dòng)車組運(yùn)營60萬km后,軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的垂向剛度及橫向剛度均變大,垂向剛度變化率最大的為5#節(jié)點(diǎn),運(yùn)營前后的剛度變化率為13.4%;橫向剛度變化率最大的為3#節(jié)點(diǎn),運(yùn)營前后的剛度變化率為13.2%。軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)剛度變大的原因主要是由于橡膠老化導(dǎo)致。
表4 運(yùn)營60萬km后的軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)剛度及剛度變化率Tab.4 Stiffness and stiffness change rate after 600 thousand km after operation
選取2件高速動(dòng)車組運(yùn)營60萬km后的軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞試驗(yàn),通過疲勞試驗(yàn)后節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)及剛度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行動(dòng)車組安全性能分析,根據(jù)分析提出軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的最佳更換周期。根據(jù)表3可以看出,3#節(jié)點(diǎn)及5#節(jié)點(diǎn)在運(yùn)營后的垂向及橫向剛度變化率均超過10%,因而選取這2件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)具有一定的代表意義。根據(jù)JIS K 6385《防振橡膠的試驗(yàn)方法》及軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的技術(shù)條件得到垂向和橫向疲勞試驗(yàn)的載荷、頻率及試驗(yàn)次數(shù),疲勞試驗(yàn)參數(shù)如表5所示。
表5 疲勞試驗(yàn)參數(shù)表Tab.5 Fatigue test parameter table
在試驗(yàn)過程中,觀察軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的表面狀態(tài),并根據(jù)溫度情況采取必要的降溫措施,當(dāng)溫度達(dá)到40℃以上時(shí),采用風(fēng)冷的方式對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行降溫。疲勞試驗(yàn)結(jié)束后檢查軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的外觀,發(fā)現(xiàn)橡膠與金屬工裝接觸的位置出現(xiàn)局部溶膠,同時(shí),橡膠有部分掉屑現(xiàn)象,但是節(jié)點(diǎn)的橡膠與金屬粘接部位并未出現(xiàn)剝離及異常變形[10]。疲勞試驗(yàn)后將軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)靜置在常溫環(huán)境24 h,然后測(cè)試其剛度,疲勞試驗(yàn)后軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)剛
度及疲勞試驗(yàn)前后的剛度變化率如表6所示。
表6 疲勞試驗(yàn)后軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)剛度及疲勞試驗(yàn)前后的剛度變化率Tab.6 Stiffness of axle box arm positioning node after fatigue test and stiffness change rate before and after fatigue test
根據(jù)表6可以看出,疲勞試驗(yàn)前后,軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的剛度變化雖未超過10%,但橡膠表面已發(fā)生溶膠、掉屑等現(xiàn)象,說明此時(shí)已接近橡膠產(chǎn)品的疲勞極限,如繼續(xù)服役,將會(huì)導(dǎo)致橡膠金屬剝離等缺陷,近而影響行車安全。將表6得到的剛度變化率與運(yùn)營前測(cè)試的剛度進(jìn)行比對(duì)可知,3#節(jié)點(diǎn)總的垂向剛度變化率達(dá)到20.6%,橫向剛度變化率達(dá)到22.2%;5#節(jié)點(diǎn)總的垂向剛度變化率達(dá)到26.1%,橫向剛度變化率達(dá)到21.8%。由于剛度變化將會(huì)影響動(dòng)車組運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)性能,因而應(yīng)從動(dòng)力學(xué)性能方面綜合評(píng)價(jià)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)疲勞到限后對(duì)動(dòng)車組運(yùn)營安全性的影響。
高速動(dòng)車組運(yùn)行安全性主要涉及是否會(huì)出現(xiàn)脫軌和傾覆2種情況,在動(dòng)力學(xué)計(jì)算中,一般以輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率、車輪軌磨耗指數(shù)等指標(biāo)來評(píng)定運(yùn)行安全性。車輪脫軌是高速動(dòng)車組運(yùn)行中最大的安全隱患之一,正常情況下,動(dòng)車組在直線高速運(yùn)行時(shí),脫軌安全性很好,但當(dāng)出現(xiàn)諸如軌道局部損壞、懸掛失效等不利情況時(shí),輪軌間相互作用力可能顯著偏離正常情況,導(dǎo)致脫軌安全性下降。采用轉(zhuǎn)臂式定位結(jié)構(gòu)的軸箱體,其垂向、橫向定位剛度主要由軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)來提供,因而節(jié)點(diǎn)的垂向及橫向剛度變化特征對(duì)動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)性能有顯著影響。通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算,得到軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)剛度變化前后動(dòng)車組的脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力和磨耗指數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的變化情況,綜合分析節(jié)點(diǎn)剛度演變帶來的安全隱患。
根據(jù)新品時(shí)與疲勞試驗(yàn)后軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的剛度變化情況,應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件(SIMPACK)對(duì)CHR2型動(dòng)車組建立動(dòng)力學(xué)模型。在動(dòng)力學(xué)建模中假定車體、構(gòu)架、輪對(duì)均為剛體,則模型共有21個(gè)剛體,分別代表車體、構(gòu)架、輪對(duì)、軸箱和牽引裝置等,所建模型充分考慮轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各懸掛部件及各向止擋的非線性特征。由于動(dòng)車組是一個(gè)較為復(fù)雜的多體系統(tǒng),各部件之間存在相互作用力和相對(duì)運(yùn)動(dòng),輪軌之間也存在復(fù)雜的滾動(dòng)及滑動(dòng)接觸,為了清楚顯示動(dòng)力學(xué)性能的變化,仿真計(jì)算時(shí)未添加軌道激擾。疲勞到限與新品時(shí)脫軌系數(shù)變化曲線如圖2所示,疲勞到限與新品時(shí)磨耗指數(shù)變化曲線如圖3所示。
圖2 疲勞到限與新品時(shí)脫軌系數(shù)變化曲線Fig.2 Change curve of derailment coefficient of fatigue limit and new product
圖3 疲勞到限與新品時(shí)磨耗指數(shù)變化曲線Fig.3 Change curve of wear index of fatigue limit and new product
疲勞到限與新品時(shí)動(dòng)力學(xué)性能變化率如表7所示,通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算可以看出,軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)剛度的變化導(dǎo)致脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力的最大值增大了4.6%左右,磨耗指數(shù)最大值增大了12.05%。產(chǎn)生的影響主要有:①橫向力過大,會(huì)帶來諸多不利的現(xiàn)象,如軌排橫移、軌距擴(kuò)大、扣件松動(dòng)、線路變形、甚至擠翻鋼軌等,這些不利現(xiàn)象一旦發(fā)生疊加,將有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故,因此,應(yīng)嚴(yán)格控制橫向力的增加;②由于脫軌系數(shù)=輪軌橫向力/輪軌垂向力,在垂向力保持不變的情況下,橫向力的增大會(huì)帶來脫軌系數(shù)的增加,而脫軌系數(shù)是影響行車安全最重要的指標(biāo),列車發(fā)生脫軌后將造成無法估量的損失,因此,應(yīng)采取措施降低輪軌橫向力;③車輪的踏面、輪緣與鋼軌的磨耗是評(píng)價(jià)動(dòng)車組技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中最主要的指標(biāo),磨耗系數(shù)增大,車輪與鋼軌的更換頻次也相應(yīng)增加,不僅影響運(yùn)營成本的增加,還為動(dòng)車組與軌道檢修帶來較大負(fù)擔(dān)。因此,軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)疲勞到限后,對(duì)動(dòng)車組運(yùn)營的安全性及經(jīng)濟(jì)性均產(chǎn)生較大影響,應(yīng)制定合理的更換周期保證動(dòng)車組安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。
表7 疲勞到限與新產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)性能變化率Tab.7 Dynamic performance change rate of fatigue limit and new product
(1)高速動(dòng)車組運(yùn)營60萬km后,軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)垂向剛度最大變化率達(dá)到13.4%,橫向最大剛度變化率達(dá)到13.2%;600萬次疲勞試驗(yàn)后,垂向剛度最大變化率達(dá)到11.2%,橫向剛度變化率在8%左右,通過新品時(shí)的剛度與疲勞試驗(yàn)后的剛度對(duì)比可以看出,垂向與橫向剛度變化率均超過20%。
(2)通過高速動(dòng)車組運(yùn)營60萬km前后的剛度變化與疲勞試驗(yàn)前后的剛度變化數(shù)據(jù)可以看出,運(yùn)營后的剛度變化更為明顯,主要原因?yàn)椋哼\(yùn)營時(shí)受到溫度變化、紫外輻射、風(fēng)蝕、鹽霧等環(huán)境條件的綜合作用,而疲勞試驗(yàn)只考慮載荷和試驗(yàn)次數(shù)的施加,未考慮運(yùn)營環(huán)境的影響;同時(shí),橡膠類產(chǎn)品通常在生產(chǎn)后的1年內(nèi)性能變化較大,性能穩(wěn)定后的壽命期內(nèi),產(chǎn)品性能變化也趨于穩(wěn)定。
(3)根據(jù)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的垂向及橫向剛度變化情況,通過SIMPACK軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算,進(jìn)而分析高速動(dòng)車組在軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)剛度變化后的安全性。分析發(fā)現(xiàn)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的剛度增大20%后,脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力的最大值增大了4.6%左右,磨耗指數(shù)最大值增大了12%;橫向力過大,將對(duì)高速動(dòng)車組運(yùn)營帶來諸多不利的現(xiàn)象,如軌排橫移、軌距擴(kuò)大、扣件松動(dòng)、線路變形、甚至擠翻鋼軌等,這些不利現(xiàn)象一旦發(fā)生疊加,將有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。為了保證高速動(dòng)車組安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行,在正常運(yùn)營情況下,CRH2型動(dòng)車組軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)更換周期為5 a。