車輪踏面等效錐度軌邊檢測的應(yīng)用研究

顧小山

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京動車段，江蘇 南京 210005)

0 引言

近年來，徐州東動車所發(fā)生過數(shù)十例構(gòu)架橫向加速度報(bào)警故障。同時(shí)，報(bào)警動車組也發(fā)生了明顯的晃車現(xiàn)象。徐州東動車所技術(shù)組通過對報(bào)警動車組的車輛踏面測量及其輪軌匹配的分析，發(fā)現(xiàn)報(bào)警車輛的踏面等效錐度數(shù)值均超過了0.35(標(biāo)準(zhǔn)軌面匹配參考標(biāo)準(zhǔn)值)，普遍大于其他運(yùn)行良好動車組的等效錐度數(shù)值[1]。

等效錐度是評價(jià)輪軌接觸幾何狀態(tài)的重要指標(biāo)，是反映輪軌橫向力對運(yùn)動質(zhì)量影響的等效平均參數(shù)，對車輛蛇行穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。踏面外形變化和輪徑差變化都會導(dǎo)致輪軌接觸幾何關(guān)系的非線性增強(qiáng)及等效錐度的增大。動車組在長期運(yùn)用過程中，車輪出現(xiàn)磨耗且左右輪磨耗不均勻，產(chǎn)生輪徑差，會使等效錐度變大，產(chǎn)生較大的輪軌接觸應(yīng)力和較大的橫向力，從而引起轉(zhuǎn)向架蛇行頻率發(fā)生變化。在一定速度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)向架蛇行頻率可能與車體橫向固有頻率重合，從而使車體橫向振動惡化，最終表現(xiàn)為晃車等情況[2]。

目前國內(nèi)外等效錐度測量方式均為靜態(tài)庫內(nèi)測量，都是結(jié)合庫內(nèi)檢修或者輪對鏇修作業(yè)人工進(jìn)行，逐輪獲取踏面外形尺寸，存在檢測效率低等局限，嚴(yán)重制約了動車組的檢修效率。同時(shí)，也無法實(shí)現(xiàn)對運(yùn)用動車組輪對的踏面等效錐度實(shí)施在線監(jiān)測，以及對狀態(tài)異常的輪對進(jìn)行報(bào)警，對運(yùn)用動車組的輪對踏面狀態(tài)監(jiān)測極為不利。

為加強(qiáng)動車組車輪踏面等效錐度的檢測，中國鐵路總公司于2018年8月下發(fā)了《中國鐵路總公司機(jī)輛部關(guān)于加強(qiáng)動車組車輪多邊形防治等相關(guān)工作的通知》(機(jī)輛動客函〔2018〕86號)，其中明確要求：開展LY輪對踏面故障診斷系統(tǒng)檢測車輪踏面等效錐度的試驗(yàn)研究?！秶F集團(tuán)機(jī)輛部關(guān)于公布動車組車輪鏇修關(guān)鍵影響因素運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的通知》(機(jī)輛動客函〔2021〕36號)指出：“各鐵路局集團(tuán)公司要對照標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本局實(shí)際情況，有計(jì)劃地安排對運(yùn)用動車組車輪等效錐度、多邊形、徑跳進(jìn)行檢測，積極推進(jìn)動車組車輪視情鏇修?！?/p>

基于此背景，在徐州東動車所既有LY輪對踏面故障診斷系統(tǒng)上加裝輪對踏面等效錐度檢測單元，開展現(xiàn)場應(yīng)用可行性研究，包括檢測原理分析、LY系統(tǒng)加裝等效錐度方案以及現(xiàn)場實(shí)車數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證。

1 車輪等效錐度檢測研究

1.1 LY加裝等效錐度檢測模塊可行性分析

LY系統(tǒng)等效錐度模塊的等效錐度檢測采用UIC519標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)UIC519標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法，錐形踏面輪對在線路上具有相對固定的正弦運(yùn)動軌跡，如圖1所示。Klingel理論指出這一運(yùn)動軌跡的波長取決于踏面的錐度角以及左右輪軌接觸斑之間的距離，即如Klingel公式所示[3]。

圖1 錐形踏面輪對在線路上具有相對固定的正弦運(yùn)動軌跡

(1)

式中：λ為輪對運(yùn)動軌跡的波長；e為左右輪軌接觸斑之間的距離，即為跨距；r0為輪對處在對中位置時(shí)的車輪滾動圓半徑；γ為車輪踏面的錐度角[3]。

實(shí)際運(yùn)用中的車輪踏面具有變化的錐度角，可以采用對左右滾動圓半徑差(取決于輪對橫移量)進(jìn)行積分的方法獲得輪對的運(yùn)動波長，再將該波長與Klingel理論中的相應(yīng)波長對照，得出輪對等效錐度：

(2)

式中：tanγe為等效錐度。

因此，等效錐度檢測模塊只需獲取LY系統(tǒng)尺寸檢測單元測量出的車輪外形輪廓曲線，再結(jié)合既有標(biāo)準(zhǔn)軌道外形及軌距等參數(shù)，即可計(jì)算出車輪踏面的等效錐度，從檢測原理方面分析完全可行。

1.2 LY加裝等效錐度檢測模塊方式

LY系統(tǒng)的尺寸檢測單元采用光截圖像測量技術(shù)測量輪對關(guān)鍵尺寸，檢測原理如圖2所示。單邊車輪采用激光-相機(jī)組合單元，將激光投射到車輪踏面，形成從輪緣到踏面的激光光截曲線，車輪輪輞形成的光截曲線中包含了車輪踏面的全部外形尺寸信息，系統(tǒng)用與光入射方向成固定角度的相機(jī)拍攝獲取車輪外形光截曲線的圖像。經(jīng)過后臺圖像處理，可獲得車輪輪輞完整的外形尺寸曲線，如圖3所示[4]。

圖2 輪對關(guān)鍵尺寸測量原理

圖3 車輪完整外形曲線

LY系統(tǒng)尺寸檢測單元現(xiàn)場布局如圖4所示，通過現(xiàn)場采集單元，采集車輪外形尺寸數(shù)據(jù)，并通過后臺算法服務(wù)器，計(jì)算車輪踏面等效錐度，如圖5所示。

圖4 LY系統(tǒng)尺寸檢測單元現(xiàn)場采集單元布局

圖5 LY系統(tǒng)等效錐度計(jì)算流程

綜上，只需在LY系統(tǒng)上額外部署等效錐度服務(wù)器，即可實(shí)現(xiàn)等效錐度檢測模塊加裝。

2 LY加裝等效錐度檢測模塊效果驗(yàn)證

2.1 驗(yàn)證情況

經(jīng)過前述理論分析及論證，LY加裝等效錐度檢測模塊方案可行。接下來利用LY等效錐度檢測模塊及鏇輪機(jī)測量同一動車組車輪等效錐度，對比分析LY尺寸單元(等效錐度)檢測準(zhǔn)確性，用于驗(yàn)證所選編組覆蓋徐州動車所既有動車組車型，驗(yàn)證編組選擇有鏇修計(jì)劃編組，可根據(jù)鏇修計(jì)劃開展驗(yàn)證測試。詳細(xì)測試驗(yàn)證情況如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性驗(yàn)證情況

驗(yàn)證情況分析如下。

1)經(jīng)與鏇輪機(jī)對比分析，以LY系統(tǒng)車輪尺寸檢測單元提供的原始曲線，系統(tǒng)等效錐度的檢測精度可達(dá)到±0.03，滿足率可達(dá)96.3%。

2)1月17日，系統(tǒng)精度滿足率僅為78.20%。經(jīng)查，系統(tǒng)曲線異常原因?yàn)槌叽鐧z測單元遭踩踏，導(dǎo)致系統(tǒng)激光、相機(jī)布局改變，且等效錐度的計(jì)算對車輪廓形精度要求很高，因此，系統(tǒng)檢測精度滿足率下降。1月21日重新對系統(tǒng)標(biāo)定、校驗(yàn)后，設(shè)備性能回升。

3)數(shù)據(jù)波動性分析：隨著車輪在線路運(yùn)行，由于車輪踏面一圈的磨耗快慢不同，車輪一圈不同位置的外形輪廓有所不同。根據(jù)LY系統(tǒng)檢測原理，動車組每次經(jīng)過LY系統(tǒng)時(shí)，只對車輪的一個(gè)位置進(jìn)行測量；鏇輪機(jī)在測量等效錐度時(shí)，也只是對車輪的一個(gè)位置進(jìn)行測量。由于不能保證LY系統(tǒng)和鏇輪機(jī)測量的位置完全相同，故LY等效錐度與鏇輪機(jī)數(shù)據(jù)存在一定的偏差。

2.2 系統(tǒng)優(yōu)化

為了盡可能降低外部因素對設(shè)備檢測能力的影響，也就是對系統(tǒng)光學(xué)布局的影響，對LY系統(tǒng)尺寸檢測單元外罩進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，詳細(xì)如圖6所示。該新型外罩設(shè)計(jì)，極大地降低了系統(tǒng)監(jiān)測時(shí)由動車組過車造成的地面振動影響，也可防止外部踩踏，經(jīng)現(xiàn)場測試達(dá)到改進(jìn)預(yù)期。

圖6 LY系統(tǒng)新型外罩設(shè)計(jì)

3 結(jié)語

LY車輪踏面等效錐度檢測單元在既有LY系統(tǒng)上加裝實(shí)現(xiàn)，通過檢測原理分析、方案論證以及現(xiàn)場實(shí)車數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證，滿足動車組車輪等效錐度的日常運(yùn)用監(jiān)測要求，其檢測精度符合機(jī)輛動客函〔2021〕36號要求，具備推廣應(yīng)用價(jià)值。