動車組輪對踏面鏇修策略分析

羅光兵，張甬成，嚴(yán)皓，楊九河

（中國鐵路成都局集團有限公司 成都動車段，四川 成都 610000）

0 引言

輪對是軌道車輛最關(guān)鍵的部件之一，其狀態(tài)的好壞決定了列車運行的安全性能，因此輪對的運用維護需要大量的人力和配套設(shè)施資源。不少專家針對輪對的有效管理，從信息化平臺建設(shè)方面進行分析，提出輪對信息化管理的思路[1]。在輪對踏面鏇修制度和策略方面有大量的研究，趙文杰等[2]通過對地鐵磨耗數(shù)據(jù)的分析，對輪緣厚度和輪徑進行分類，分別建立輪緣厚度和踏面直徑的磨耗模型，隨后采用鏇修策略實現(xiàn)了輪對的優(yōu)化；董孝卿等[3]通過大量的跟蹤測試，分析車輛的振動特性和磨耗周期性能，制定了車輪踏面鏇修的策略和評價方法；此外，在輪對周期性磨耗狀態(tài)以及輪緣磨耗預(yù)測方面也有大量的研究[4-6]。盡管在理論和測試上對輪對踏面鏇修方案有所研究，但各應(yīng)用站段在輪對的管理上都有著特殊的需要和條件限制，有必要根據(jù)實際情況建立個性化的維修管理體系，實現(xiàn)站段管理與中國鐵路總公司輪對管理系統(tǒng)的有效整合。

以中國鐵路成都局集團公司成都動車段為例進行分析，該段擁有CRH1A、CRH380D、CRH2A、CRH380A以及CRH3A型動車組，各型車組的輪對管理標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異，且包含LMA、S1002CN和LMD等多種踏面類型，各型輪對鏇修里程規(guī)定也存在較大差異。在這樣復(fù)雜的需求和技術(shù)條件下要實現(xiàn)輪對的有效管理，需要合理、系統(tǒng)的構(gòu)架平臺，采用信息化和智能化手段對輪對運用、檢修、存儲等問題進行研究。因此，在現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下[7]，有必要對動車段輪對的狀態(tài)檢測和輪對踏面鏇修策略進行分析，提出適合動車段實際情況的具體鏇修策略，從而提高輪對使用壽命，降低運維成本。

1 動車組輪對運用現(xiàn)狀分析

1.1 踏面常見故障

在輪對運用過程中，由于軌道波磨、軌邊異物以及輪對踏面疲勞損傷等問題，從而導(dǎo)致輪對剝離、車輪不圓以及深度裂紋等現(xiàn)象，極大降低了輪對使用壽命，同時危及車輛的運行安全，輪對踏面常見故障見圖1。因此，如何有效對輪對踏面常見故障進行檢測、處理和預(yù)防是當(dāng)前的難點，也是運用站段必須解決的實際問題。

圖1 輪對踏面常見故障

1.2 等效錐度變化

車輛運行過程中輪對的磨耗狀態(tài)、等效錐度以及輪軌接觸關(guān)系都會因車型的不同而存在較大的差異，如何完善踏面鏇修標(biāo)準(zhǔn)也是值得思考和解決的重要問題。針對成都動車段車輛的運行狀況，對現(xiàn)有車型輪對等效錐度進行統(tǒng)計分析（見圖2）。各種類型踏面的輪對等效錐度存在明顯差異，適用于CRH1A型動車組的LMD型踏面，鏇修里程接近30萬km，等效錐度在0.22左右；適用于CRH2A/CRH380A的LMA型踏面，鏇修里程約23.5萬km，等效錐度大部分處于0.10以內(nèi)；適用于CRH380D/CRH3A的S1002CN型踏面，由于車型規(guī)定的鏇修里程不一致，導(dǎo)致等效錐度也存在差異，CRH380D的鏇修里程約24萬km，等效錐度在0.36左右，而CRH3A鏇修里程約19萬km，等效錐度在0.34左右。如何確定不同車型不同類型踏面、不同車型同一類型踏面的等效錐度變化，有效保障車輛的運行平穩(wěn)性和安全性，是當(dāng)前動車組輪對管理過程中重點關(guān)注的問題，也是運用站段運用輪對管理過程中的難題，是實現(xiàn)全過程卡控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖2 不同車型輪對等效錐度統(tǒng)計

1.3 鏇修比例系數(shù)

目前，輪對踏面鏇修維護正處于人工作業(yè)和信息化管理的過渡階段，輪對的管理流程、信息記錄以及數(shù)據(jù)處理等方面還需要不斷探索，輪對踏面鏇修策略的卡控因素應(yīng)體現(xiàn)不同的輪對磨耗特征和匹配關(guān)系。通過現(xiàn)場調(diào)研，現(xiàn)有的輪對踏面鏇修依據(jù)可以歸納為設(shè)備檢測建議和人工卡控。通過測量輪對加工前的數(shù)據(jù)，基于輪緣厚度給定一個參考值，作業(yè)者根據(jù)實際情況，選擇一個滿足輪徑標(biāo)準(zhǔn)的鏇修量進行處理。根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)分析，采用鏇修比例系數(shù)（輪徑變化量/輪緣厚度變化量）的方式衡量輪緣厚度與輪徑的變化關(guān)系（見圖3）。統(tǒng)計結(jié)果表明，不同類型踏面的輪對鏇修比例系數(shù)控制在20以內(nèi)，集中在10左右。

由此可見，為了增加輪緣厚度需要鏇修過多的輪徑，若部分輪對出現(xiàn)偏磨、凹陷磨耗、輪緣磨耗等異常情況，則需要鏇修更多的輪徑。為了滿足輪徑之間的匹配關(guān)系，還需要根據(jù)實際情況進行修型，該過程的選擇差異也會造成不同程度的輪徑損耗，輪徑匹配的具體標(biāo)準(zhǔn)見表1。在實際正常鏇修過程中，一般不會考慮將輪緣厚度鏇修至原型，而是根據(jù)輪緣厚度的變化就近選擇匹配的鏇修方案，通常采用2次進刀量，至少消耗2 mm的輪徑值。因此，確定合適的鏇修比例系數(shù)就顯得尤為重要，要滿足安全性能要求，還要降低輪徑和輪緣的損耗。

圖3 輪緣厚度及輪徑變化關(guān)系

表1 輪徑匹配的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 輪徑磨耗量和輪緣厚度的關(guān)系

為尋求鏇修策略的制定依據(jù)，對動車組輪對踏面鏇修記錄進行分析，踏面磨耗與輪緣厚度之間的關(guān)系見圖4。該統(tǒng)計基于各型車輪磨耗數(shù)據(jù)，根據(jù)輪緣厚度的變化情況，以每0.1 mm厚度的間隔取1個輪徑磨耗均值進行分析。從數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果看，CRH1A和CRH380A型動車組變化趨勢相同，通過散點圖擬合的曲線可知，輪緣厚度低于30 mm時，輪徑磨耗量隨輪緣厚度增加而稍有降低的趨勢，輪緣厚度大于30 mm時，則出現(xiàn)增加的趨勢；CRH380D為新輪，輪緣厚度大于31 mm，輪徑磨耗量隨輪緣厚度增加基本呈直線下降趨勢。該分析結(jié)果可以作為輪對踏面鏇修策略制定的約束指標(biāo)之一。

2 踏面鏇修策略分析

2.1 輪對管控流程

為了改變傳統(tǒng)的輪對狀態(tài)監(jiān)測方式，成都動車段利用信息化手段搭建了動車組輪對健康管理平臺，綜合利用檢測棚、鏇輪機床、探傷設(shè)備、輪對外形測量儀器及智能檢測設(shè)備，對輪對的狀態(tài)信息進行分析，建立趨勢分析、預(yù)警預(yù)測及踏面鏇修方案的物理模型和數(shù)學(xué)模型，有效監(jiān)控輪對全生命周期的變化。

圖4 輪緣厚度與輪徑磨耗的關(guān)系

輪對管控具體流程是通過輪對型面檢測裝備，掌握輪對磨耗的動態(tài)變化，分析近期的磨耗趨勢、踏面裂紋和剝離等狀態(tài)，為檢修提供必要的數(shù)據(jù)支撐；當(dāng)手持設(shè)備核定輪對狀態(tài)后，制定相應(yīng)的維修計劃，有效卡控輪對存在的缺陷故障，降低安全風(fēng)險（見圖5）。在輪對的監(jiān)測過程中，最關(guān)鍵的步驟是如何實現(xiàn)輪對的鏇修，傳統(tǒng)方式是通過鏇輪機床測量給定參考意見，操作人員基于現(xiàn)有作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行控制。該過程簡單易實現(xiàn)，但會導(dǎo)致輪對的過度損耗，降低使用壽命。尋求一種更為經(jīng)濟的鏇修方式，在保障安全性能的前提下提升使用壽命是研究的重點。

2.2 踏面鏇修策略模型研究

通過現(xiàn)場測試分析，輪對踏面鏇修主要參考輪徑、輪緣厚度、輪緣高度和踏面磨耗的狀態(tài)變化。同一轉(zhuǎn)向架的輪徑差種類多樣，若出現(xiàn)不合理的輪徑超差可能導(dǎo)致輪對產(chǎn)生滑動和牽引電機的載荷分配不均，對列車的運行穩(wěn)定性和安全性帶來嚴(yán)重的影響。輪緣厚度也是衡量車輛安全運行的重要指標(biāo)，輪緣厚度減少會引起強度降低，通過曲線時可能導(dǎo)致輪緣缺損，同時易造成爬軌的風(fēng)險。因此，在傳統(tǒng)的鏇修方案上，考慮輪徑和輪緣厚度的變化，對全列輪對進行綜合評估，依據(jù)TB/T 449—2016標(biāo)準(zhǔn)[7]及現(xiàn)有機床使用的0.5 mm輪緣厚度鏇輪模板為基礎(chǔ)，分析各類動車組不同踏面鏇修策略，所形成踏面鏇修方案應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)參數(shù)要求。

圖5 輪對管控流程

根據(jù)現(xiàn)有輪對外形檢測設(shè)備，可有效計算鏇修前的輪緣厚度、輪緣高度、運行中的輪徑磨耗量以及運行中踏面基線上逐點的磨耗量分布情況。針對磨耗后的踏面外形曲線，輪對管理系統(tǒng)可自適應(yīng)地調(diào)整與之最適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)輪踏面外形，標(biāo)準(zhǔn)輪各曲線段的配合關(guān)系滿足動車組運用維修規(guī)程，且保證標(biāo)準(zhǔn)輪踏面曲線的連續(xù)與光滑。針對各種輪緣厚度的鏇修設(shè)定值，可以計算出需要的最優(yōu)輪徑鏇修量、鏇修制約點的位置坐標(biāo)、鏇修損耗與運行磨耗的比例系數(shù)、輪徑鏇修量與輪緣厚度恢復(fù)量的比例系數(shù)以及鏇修中踏面基線上逐點的鏇修量分布等決策指標(biāo)。同時，鏇修原則包括動車組運用維修規(guī)程中涉及的同軸原則、同架原則和同單元原則，鏇修策略的數(shù)學(xué)描述如下[8-9]：

式中：minf為預(yù)測值與測量值之差求和的最小值；Dklmn為第k輛車、第l臺轉(zhuǎn)向架、第m條軸、第n個輪徑的檢測值；D—為第k輛車、第l臺轉(zhuǎn)向架、第m條軸、第n個klmn輪徑的預(yù)測值；w為輪緣厚度的測量值；w0為滿足鏇修條件的最小值；w—為輪緣厚度的預(yù)測值；Δw為輪緣厚度鏇修量；ΔD為輪緣厚度變化與輪徑變化之間的關(guān)系；k為鏇修比例系數(shù)輪徑差的最大直徑，車中滿足同輪對同轉(zhuǎn)向架輪徑差為最小輪列車中滿足同輪對、同轉(zhuǎn)向架、同車輛輪徑差的最大值δ2、δ3、δ4分別為各種約束條件下的門限值，根據(jù)具體問題約定形成。

2.3 輪對踏面鏇修策略設(shè)計流程

制定輪對踏面鏇修策略設(shè)計流程見圖6。由此得到的方案，優(yōu)化參數(shù)和控制參數(shù)較多，能有效解決整車輪對踏面鏇修中的經(jīng)濟性和安全性問題。

2.4 踏面鏇修結(jié)果對比

基于以上研究，對某型動車組的輪對踏面鏇修進行了測試分析，采用踏面鏇修策略和常規(guī)鏇修方案的輪對之間的差異見圖7。對比結(jié)果顯示，采用踏面鏇修策略的輪對整體鏇修量有所降低，節(jié)約量集中在25%左右，但部分輪對會出現(xiàn)比常規(guī)鏇修量偏大的情況，這是考慮整車輪對匹配所致的結(jié)果。若考慮輪對正常使用條件下，全生命周期內(nèi)能增加2次以上鏇修周期，可以有效地提高輪對的使用壽命，降低鏇修成本。

圖6 輪對踏面鏇修策略及最優(yōu)鏇修設(shè)計流程

圖7 輪對鏇修方案結(jié)果對比

3 結(jié)束語

基于輪對的管理現(xiàn)狀和輪對的運用情況的分析，在現(xiàn)有的輪對監(jiān)測設(shè)備基礎(chǔ)上，制定輪對采用信息化的管理思路，并提出輪對踏面鏇修方案設(shè)計的策略流程。以輪徑和輪緣厚度的變化為目標(biāo)的踏面鏇修策略，能有效降低輪徑的損耗，提升輪對的使用壽命。

文中設(shè)計的鏇修策略依然不夠完善，并未考慮輪軌的匹配關(guān)系以及磨耗型踏面的磨耗水平等因素的影響。隨著輪對踏面鏇修數(shù)據(jù)的累積，應(yīng)考慮磨耗型踏面的鏇修策略，不再將型面鏇修至與標(biāo)準(zhǔn)外形一致，這樣既可以降低鏇修量，降低維修成本，又能保障輪對的安全性能，提升其使用效率。