蘭新客運專線CRH5G型動車組輪對鏇修周期研究

樊立新，石鄒亮，韓春剛，李陽，尹鵬飛，李富平

（1.烏魯木齊鐵路局集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.中車長春客車股份有限公司 鐵路客車業(yè)務(wù)部售后服務(wù)部，吉林 長春 130062）

蘭新客運專線2014年開通，主要運營CRH5G型高寒抗風沙動車組. 由于運營里程長、持續(xù)運行速度高、通行地區(qū)環(huán)境惡劣（高溫、高寒、強風沙、冰雪）、動客混跑等不利因素，動車組的可靠性、適應(yīng)性、安全性面臨嚴峻考驗[1]. 在動車組九大系統(tǒng)中，輪對是確保動車組安全運行的關(guān)鍵設(shè)備，作為轉(zhuǎn)向架的重要組成部分，在高速運轉(zhuǎn)過程中，車輪與鋼軌接觸，不可避免發(fā)生踏面磨耗.踏面磨耗對動車組臨界速度影響較大，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、橫向平穩(wěn)性指標隨著踏面磨耗的增加呈先減少后增加的趨勢[2]；隨著車輪鏇修運行里程的增加，車輛蛇行臨界速度呈下降趨勢，當LM_（B10）型踏面車輪鏇修后運行里程達到14.7萬km時，車輛蛇行失穩(wěn)出現(xiàn)臨界和亞臨界失穩(wěn)的組合狀態(tài)[3]. 為此，需要將車輪外形鏇修為原型或指定的外形，以恢復(fù)輪軌接觸關(guān)系和輪軌動力學性能. CRH5G型動車組鏇修周期規(guī)定30萬km[4]，但CRH5G型動車組實際在蘭新客運專線鏇修運行15萬km后，陸續(xù)出現(xiàn)振動大、軸箱彈簧折斷、垂向止檔折斷等影響行車安全的問題. 考慮蘭新客運專線輪對多邊形及鋼軌波磨等高頻異常振動現(xiàn)象，文獻[5]建議蘭新客運專線CRH5G型動車組維持15萬km的鏇修周期，但是不同的季節(jié)、不同的交路、不同的鋼軌情況都會對蘭新客運專線CRH5G型動車組鏇修周期有影響，本文在確保安全的前提下，擬確定動車組動態(tài)鏇修的周期，以期提高動車組運行品質(zhì).

1 鏇修周期統(tǒng)計分析

為了提高動車組運行品質(zhì)，恢復(fù)輪軌接觸關(guān)系和輪軌動力學性能，確保動車組運行安全，當動車組出現(xiàn)振動大、抖動大、噪聲大、運行部故障時，需及時通過鏇床對輪對進行測量并進行鏇修. 本文選取CRH5G-5183、CRH5G-5198兩動車組鏇修里程進行研究，如表1所示.

表1 CRH5G-5183/5198動車組鏇修統(tǒng)計 萬km

由表1可知：CRH5G-5183動車組運行197萬km，共計鏇修13次，最小鏇修周期10.6萬km，最大鏇修周期18.9萬km，平均鏇修周期15.2萬km；CRH5G-5198動車組運行160萬km，最小鏇修周期8.0萬km，最大鏇修周期17.0萬km，平均鏇修周期12.3萬km；兩組動車組的平均鏇修周期13.8萬km. 由此可見，蘭新客運專線動車組輪對鏇修周期是一個變化值，為了確保動車組的運行品質(zhì)，因此建議動車組鏇修運行8萬km后加強對動車組運行品質(zhì)的監(jiān)控，并將鏇修周期控制在14萬km內(nèi).

2 輪對狀態(tài)分析

反映CRH5G型動車組車輪狀態(tài)的指標有剝離、硌傷、擦傷、輪徑差、車輪踏面徑向跳動、車輪內(nèi)側(cè)端面跳動、輪對內(nèi)側(cè)距、輪緣高度、輪緣厚度等[6]. 雖然日常檢修測量均未發(fā)現(xiàn)超標情況，但車輛運行過程中還是存在晃車（輪軌匹配低錐度）、抖車（輪軌匹配高錐度）、噪聲大（車輪粗糙度較大）的問題. 輪對鏇修運行15萬km以上時，車輪出現(xiàn)明顯的高階多邊形，導致軸箱體振動加速度過大，經(jīng)軸箱垂向止檔懸臂結(jié)構(gòu)的放大，進而導致應(yīng)急垂向止檔疲勞斷裂[7]；同時，過大的軸箱加速度也會發(fā)生軸箱彈簧斷裂等影響行車安全的故障，因此需要對車輪多邊形和等效錐度進行分析研究.

2.1 車輪多邊形分析

車輪多邊形也叫非圓化磨損或車輪波磨，其特點是車輪周向呈周期性變化，車輪多邊形階數(shù)大于等于14階為高階多邊形. 隨機選取2018年1 000條CRH5G型動車組車輪測量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，共有186條車輪存在高階多邊形，占比18.6%.由圖1可知，動車組鏇修后運行3～4萬km即出現(xiàn)輪對高階多邊形，但發(fā)生次數(shù)較少；8萬km以后多邊形發(fā)生較多，尤其是運行大于13萬km時.即鏇修后運行量程越大，高階多邊形出現(xiàn)的概率越大.

圖1 鏇修后運行里程對車輪高階多邊形的影響

使用噪音測試軟件測試CRH5G型動車組轉(zhuǎn)向架上方的噪聲值，共計288個測試數(shù)據(jù)，同時對噪聲測試的動車組進行車輪多邊形粗糙度水平測量：噪聲值80 dB以上，但車輪多邊形粗糙度水平未超標的僅3個；16個噪聲測試未超標，但車輪多邊形粗糙度水平超標；噪聲值在80 dB以上車輪多邊形粗糙度水平超標準確率為93.4%. 因此，噪聲值在80 dB可以作為運行品質(zhì)的監(jiān)控手段.

2.2 等效錐度分析

由于動車組為非線性系統(tǒng)，影響其運行狀態(tài)的因素較多，如輪軌匹配關(guān)系、車輛運行速度、氣候環(huán)境、線路激擾水平等，其中等效錐度、構(gòu)架橫向振動加速度、平穩(wěn)性指標隨鏇后運行里程的增長呈非線性變化. 為簡化研究，本文假設(shè)上述三者與鏇后運行里程均呈線性增長.

安排CRH5G-5200動車組在烏魯木齊—哈密線以250 km/h運行，計算3 mm處的等效錐度，對該數(shù)據(jù)進行線性擬合. 測量蘭新客運專線多處車輛抖動較為劇烈區(qū)段鋼軌情況，結(jié)果顯示鋼軌具有波磨、寬光帶等共同特征，嚴重影響動車組運行品質(zhì). 根據(jù)文獻[8]，運行速度200 ～ 250 km/h 時，CRH5G型動車組等效錐度上限取值0.40，由于蘭新客運專線運行環(huán)境差，其等效錐度上限控制經(jīng)驗值為0.3.將CRH5G-5200 動車組鏇后0～13.03萬km踏面數(shù)據(jù)與標準60N鋼軌匹配，計算3 mm處的等效錐度，如圖2所示. 對該數(shù)據(jù)進行線性擬合，當?shù)刃уF度最大值達到0.3時，對應(yīng)鏇后運行里程約為12.6萬km；當?shù)刃уF度均值達到0.3時，對應(yīng)鏇后運行里程約為14.1萬km，如圖3所示.

圖2 鏇修后13萬km輪對橫移量對等效錐度的影響

圖3 鏇修后運行里程對等效錐度影響的擬合

3 穩(wěn)定性與平穩(wěn)性分析

3.1 穩(wěn)定性

鐵道車輛轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性是指車輛以較高的速度在平直線路上運行受到某種激擾后，構(gòu)架橫向加速度是否收斂，如果不收斂，即會出現(xiàn)構(gòu)架橫向失穩(wěn)運行[9]. 對于動車組而言，因運行速度較高，其構(gòu)架橫向穩(wěn)定性非常重要. 構(gòu)架橫向振動加速度經(jīng)0.5～10 Hz濾波后，10 min內(nèi)連續(xù)6次達到0.8g，判定為轉(zhuǎn)向架失穩(wěn). CR300BF動車組（250 km/h速度等級）構(gòu)架橫向加速度的報警邏輯：構(gòu)架橫向振動加速度0.5～10 Hz濾波后，10 min內(nèi)連續(xù)3次達到0.5g，預(yù)警；連續(xù)10次達到0.8g，報警（限速運行）. 本文參考CR300BF的橫向穩(wěn)定性標準來分析蘭新客運專線CRH5G型動車組的橫向穩(wěn)定性：對CRH5G-5200動車組在烏魯木齊至哈密區(qū)間按照250 km/h運行，測量鏇后里程5、7、8、10、11、12、13萬km時構(gòu)架的橫向穩(wěn)定性，具體見表2，由表2數(shù)據(jù)可知構(gòu)架橫向振動加速度諧波幅值隨里程變大呈增長趨勢.

表2 鏇修后不同里程構(gòu)架橫向振動加速度

取8車1位枕梁經(jīng)過0.5～10 Hz濾波后的加速度，統(tǒng)計出現(xiàn)連續(xù)10次諧波的幅值，對該數(shù)據(jù)進行線性擬合得到圖4：當構(gòu)架橫向振動加速度連續(xù)10次達到0.8g時，其對應(yīng)的鏇后運行里程為12萬km. 因此，為了保證構(gòu)架橫向穩(wěn)定性不超過限制0.8g，建議輪對鏇修周期控制在12萬km內(nèi).

圖4 鏇后里程對橫向加速度影響的擬合（8車1位轉(zhuǎn)向架（0.5～10 Hz濾波））

3.2 平穩(wěn)性

高速動車組是高速鐵路和客運專線上重要的運載工具，其動力學性能直接影響運行的安全性與舒適性. 按照GB5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》對鏇修后運行5、7、8、10、11、12、13萬km的橫向平穩(wěn)性進行評價，平穩(wěn)性指標見表3，測試結(jié)果見圖5.

表3 平穩(wěn)性指標

由圖5可知：動車組鏇修后隨著運行里程的增大，平穩(wěn)性指標逐漸變大，鏇修后8萬km內(nèi)動車組平穩(wěn)性評定為優(yōu)秀，8萬km至11萬km平穩(wěn)性評定良好，11萬km至13萬km評定為合格. 取8車1位枕梁加速度進行計算，對該數(shù)據(jù)進行線性擬合得到圖6，鏇后運行11.5萬km以內(nèi)，車輛橫向平穩(wěn)性指標統(tǒng)計最大值均小于2.75，250 km/h速度等級平穩(wěn)性均值小于2.5. 為了提高旅客舒適度，確保動車組運行安全，按照平穩(wěn)性小于2.75計算鏇修周期，確定鏇修周期為11.5萬km.

圖5 鏇后不同里程對平穩(wěn)性的影響

圖6 鏇后里程對橫向平穩(wěn)性影響的擬合

4 結(jié)論

本文未考慮鋼軌波磨等因素對動車組運行品質(zhì)的影響，僅從蘭新客運專線動車組車內(nèi)噪聲、車輪多邊形、等效錐度、橫向穩(wěn)定性、橫向平穩(wěn)性方面著手研究蘭新客運專線CRH5G型動車組輪對鏇修周期，得出了以下結(jié)論：

1）車內(nèi)噪聲超過80 dB，高階多邊形粗糙度超標準確率達到93.4%，因此建議將噪聲監(jiān)測作為一種動態(tài)監(jiān)測手段，噪聲高于80 dB時，安排進行輪對多邊形測量.

2）由于動車組鏇修后8萬km存在車輪多邊形超限的情況，此時可根據(jù)實際情況對輪對多邊形等基本數(shù)據(jù)進行測量.

3）根據(jù)既有的鏇修數(shù)據(jù)、車輪多邊形、等效錐度、橫向穩(wěn)定性、橫向平穩(wěn)性綜合分析結(jié)果，建議將鏇修周期由30萬km調(diào)整為11.5萬km至14萬km，根據(jù)實際動車組運行品質(zhì)動態(tài)鏇修.

4）由于蘭新客運專線輪對多邊形較多，需要對車輛運行品質(zhì)軌旁動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）報警沖擊當量進行研究，以實現(xiàn)車輛運行品質(zhì)在線監(jiān)測及自動報警，確保動車組運行安全.