兰新客运专线CRH5G型动车组轮对镟修周期研究
时间：2023-01-15 11:30:09 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
樊立新，石邹亮，韩春刚，李阳，尹鹏飞，李富平
（1.乌鲁木齐铁路局集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011；
2.中车长春客车股份有限公司 铁路客车业务部售后服务部，吉林 长春 130062）
兰新客运专线2014年开通，主要运营CRH5G型高寒抗风沙动车组. 由于运营里程长、持续运行速度高、通行地区环境恶劣（高温、高寒、强风沙、冰雪）、动客混跑等不利因素，动车组的可靠性、适应性、安全性面临严峻考验[1]. 在动车组九大系统中，轮对是确保动车组安全运行的关键设备，作为转向架的重要组成部分，在高速运转过程中，车轮与钢轨接触，不可避免发生踏面磨耗.踏面磨耗对动车组临界速度影响较大，脱轨系数、轮轨横向力、横向平稳性指标随着踏面磨耗的增加呈先减少后增加的趋势[2]；
随着车轮镟修运行里程的增加，车辆蛇行临界速度呈下降趋势，当LM_（B10）型踏面车轮镟修后运行里程达到14.7万km时，车辆蛇行失稳出现临界和亚临界失稳的组合状态[3]. 为此，需要将车轮外形镟修为原型或指定的外形，以恢复轮轨接触关系和轮轨动力学性能. CRH5G型动车组镟修周期规定30万km[4]，但CRH5G型动车组实际在兰新客运专线镟修运行15万km后，陆续出现振动大、轴箱弹簧折断、垂向止档折断等影响行车安全的问题. 考虑兰新客运专线轮对多边形及钢轨波磨等高频异常振动现象，文献[5]建议兰新客运专线CRH5G型动车组维持15万km的镟修周期，但是不同的季节、不同的交路、不同的钢轨情况都会对兰新客运专线CRH5G型动车组镟修周期有影响，本文在确保安全的前提下，拟确定动车组动态镟修的周期，以期提高动车组运行品质.
为了提高动车组运行品质，恢复轮轨接触关系和轮轨动力学性能，确保动车组运行安全，当动车组出现振动大、抖动大、噪声大、运行部故障时，需及时通过镟床对轮对进行测量并进行镟修. 本文选取CRH5G-5183、CRH5G-5198两动车组镟修里程进行研究，如表1所示.
表1 CRH5G-5183/5198动车组镟修统计 万km
由表1可知：CRH5G-5183动车组运行197万km，共计镟修13次，最小镟修周期10.6万km，最大镟修周期18.9万km，平均镟修周期15.2万km；
CRH5G-5198动车组运行160万km，最小镟修周期8.0万km，最大镟修周期17.0万km，平均镟修周期12.3万km；
两组动车组的平均镟修周期13.8万km. 由此可见，兰新客运专线动车组轮对镟修周期是一个变化值，为了确保动车组的运行品质，因此建议动车组镟修运行8万km后加强对动车组运行品质的监控，并将镟修周期控制在14万km内.
反映CRH5G型动车组车轮状态的指标有剥离、硌伤、擦伤、轮径差、车轮踏面径向跳动、车轮内侧端面跳动、轮对内侧距、轮缘高度、轮缘厚度等[6]. 虽然日常检修测量均未发现超标情况，但车辆运行过程中还是存在晃车（轮轨匹配低锥度）、抖车（轮轨匹配高锥度）、噪声大（车轮粗糙度较大）的问题. 轮对镟修运行15万km以上时，车轮出现明显的高阶多边形，导致轴箱体振动加速度过大，经轴箱垂向止档悬臂结构的放大，进而导致应急垂向止档疲劳断裂[7]；
同时，过大的轴箱加速度也会发生轴箱弹簧断裂等影响行车安全的故障，因此需要对车轮多边形和等效锥度进行分析研究.
2.1 车轮多边形分析
车轮多边形也叫非圆化磨损或车轮波磨，其特点是车轮周向呈周期性变化，车轮多边形阶数大于等于14阶为高阶多边形. 随机选取2018年1 000条CRH5G型动车组车轮测量数据分析发现，共有186条车轮存在高阶多边形，占比18.6%.由图1可知，动车组镟修后运行3～4万km即出现轮对高阶多边形，但发生次数较少；
8万km以后多边形发生较多，尤其是运行大于13万km时.即镟修后运行量程越大，高阶多边形出现的概率越大.
图1 镟修后运行里程对车轮高阶多边形的影响
使用噪音测试软件测试CRH5G型动车组转向架上方的噪声值，共计288个测试数据，同时对噪声测试的动车组进行车轮多边形粗糙度水平测量：噪声值80 dB以上，但车轮多边形粗糙度水平未超标的仅3个；
16个噪声测试未超标，但车轮多边形粗糙度水平超标；
噪声值在80 dB以上车轮多边形粗糙度水平超标准确率为93.4%. 因此，噪声值在80 dB可以作为运行品质的监控手段.
2.2 等效锥度分析
由于动车组为非线性系统，影响其运行状态的因素较多，如轮轨匹配关系、车辆运行速度、气候环境、线路激扰水平等，其中等效锥度、构架横向振动加速度、平稳性指标随镟后运行里程的增长呈非线性变化. 为简化研究，本文假设上述三者与镟后运行里程均呈线性增长.
安排CRH5G-5200动车组在乌鲁木齐—哈密线以250 km/h运行，计算3 mm处的等效锥度，对该数据进行线性拟合. 测量兰新客运专线多处车辆抖动较为剧烈区段钢轨情况，结果显示钢轨具有波磨、宽光带等共同特征，严重影响动车组运行品质. 根据文献[8]，运行速度200 ～ 250 km/h 时，CRH5G型动车组等效锥度上限取值0.40，由于兰新客运专线运行环境差，其等效锥度上限控制经验值为0.3.将CRH5G-5200 动车组镟后0～13.03万km踏面数据与标准60N钢轨匹配，计算3 mm处的等效锥度，如图2所示. 对该数据进行线性拟合，当等效锥度最大值达到0.3时，对应镟后运行里程约为12.6万km；
当等效锥度均值达到0.3时，对应镟后运行里程约为14.1万km，如图3所示.
图2 镟修后13万km轮对横移量对等效锥度的影响
图3 镟修后运行里程对等效锥度影响的拟合
3.1 稳定性
铁道车辆转向架横向稳定性是指车辆以较高的速度在平直线路上运行受到某种激扰后，构架横向加速度是否收敛，如果不收敛，即会出现构架横向失稳运行[9]. 对于动车组而言，因运行速度较高，其构架横向稳定性非常重要. 构架横向振动加速度经0.5～10 Hz滤波后，10 min内连续6次达到0.8g，判定为转向架失稳. CR300BF动车组（250 km/h速度等级）构架横向加速度的报警逻辑：构架横向振动加速度0.5～10 Hz滤波后，10 min内连续3次达到0.5g，预警；
连续10次达到0.8g，报警（限速运行）. 本文参考CR300BF的横向稳定性标准来分析兰新客运专线CRH5G型动车组的横向稳定性：对CRH5G-5200动车组在乌鲁木齐至哈密区间按照250 km/h运行，测量镟后里程5、7、8、10、11、12、13万km时构架的横向稳定性，具体见表2，由表2数据可知构架横向振动加速度谐波幅值随里程变大呈增长趋势.
表2 镟修后不同里程构架横向振动加速度
取8车1位枕梁经过0.5～10 Hz滤波后的加速度，统计出现连续10次谐波的幅值，对该数据进行线性拟合得到图4：当构架横向振动加速度连续10次达到0.8g时，其对应的镟后运行里程为12万km. 因此，为了保证构架横向稳定性不超过限制0.8g，建议轮对镟修周期控制在12万km内.
图4 镟后里程对横向加速度影响的拟合（8车1位转向架（0.5～10 Hz滤波））
3.2 平稳性
高速动车组是高速铁路和客运专线上重要的运载工具，其动力学性能直接影响运行的安全性与舒适性. 按照GB5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》对镟修后运行5、7、8、10、11、12、13万km的横向平稳性进行评价，平稳性指标见表3，测试结果见图5.
表3 平稳性指标
由图5可知：动车组镟修后随着运行里程的增大，平稳性指标逐渐变大，镟修后8万km内动车组平稳性评定为优秀，8万km至11万km平稳性评定良好，11万km至13万km评定为合格. 取8车1位枕梁加速度进行计算，对该数据进行线性拟合得到图6，镟后运行11.5万km以内，车辆横向平稳性指标统计最大值均小于2.75，250 km/h速度等级平稳性均值小于2.5. 为了提高旅客舒适度，确保动车组运行安全，按照平稳性小于2.75计算镟修周期，确定镟修周期为11.5万km.
图5 镟后不同里程对平稳性的影响
图6 镟后里程对横向平稳性影响的拟合
本文未考虑钢轨波磨等因素对动车组运行品质的影响，仅从兰新客运专线动车组车内噪声、车轮多边形、等效锥度、横向稳定性、横向平稳性方面着手研究兰新客运专线CRH5G型动车组轮对镟修周期，得出了以下结论：
1）车内噪声超过80 dB，高阶多边形粗糙度超标准确率达到93.4%，因此建议将噪声监测作为一种动态监测手段，噪声高于80 dB时，安排进行轮对多边形测量.
2）由于动车组镟修后8万km存在车轮多边形超限的情况，此时可根据实际情况对轮对多边形等基本数据进行测量.
3）根据既有的镟修数据、车轮多边形、等效锥度、横向稳定性、横向平稳性综合分析结果，建议将镟修周期由30万km调整为11.5万km至14万km，根据实际动车组运行品质动态镟修.
4）由于兰新客运专线轮对多边形较多，需要对车辆运行品质轨旁动态监测系统（TPDS）报警冲击当量进行研究，以实现车辆运行品质在线监测及自动报警，确保动车组运行安全.
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