戴 津,劉 峰,董孝卿,張瑞芳,申宇燕,趙玉其

(中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所,北京100081)

近年來,我國大力發(fā)展高速鐵路客運(yùn)事業(yè),鐵路客運(yùn)具有速度快,運(yùn)輸量大,成本低等諸多特點(diǎn),是我國交通運(yùn)輸中的支柱性產(chǎn)業(yè)。隨著旅客列車提速的范圍越來越大,運(yùn)行速度越來越高,鐵路客運(yùn)中的行車安全問題也更為突出。

轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)是列車最重要部件之一,轉(zhuǎn)向架狀態(tài)監(jiān)測一直是客車行車安全監(jiān)測系統(tǒng)中的重點(diǎn)監(jiān)測對象,對保障旅客列車行車安全具有重要意義。轉(zhuǎn)向架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與列車運(yùn)行環(huán)境的多樣性造成了其動力學(xué)系統(tǒng)振動情況復(fù)雜,難以用同一標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)限定值來判斷其性能好壞。轉(zhuǎn)向架性能出現(xiàn)問題往往有一個漸變的過程,在列車多次運(yùn)行過程中,轉(zhuǎn)向架性能逐漸惡化。這里介紹在客車行車安全系統(tǒng)平臺下,對轉(zhuǎn)向架性能采用整列車橫向?qū)Ρ群蛦诬嚉v史對比的方式,直觀有效的分析了轉(zhuǎn)向架運(yùn)行的振動情況和性能的變化趨勢,為車輛維修管理提供指導(dǎo),保證提速客車的運(yùn)行安全。

1 系統(tǒng)概述

1.1 概述

客車行車安全監(jiān)測診斷系統(tǒng)是在旅客列車運(yùn)行過程中,對危害行車安全的主要因素進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控診斷,數(shù)據(jù)記錄,集中顯示和存儲,將監(jiān)測信息實(shí)時發(fā)送至地面,運(yùn)行過程數(shù)據(jù)下載導(dǎo)入地面數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)客車運(yùn)行的信息化監(jiān)測?？蛙囆熊嚢踩O(jiān)測系統(tǒng)由車載安全監(jiān)測系統(tǒng)和地面專家診斷系統(tǒng)組成。

地面專家診斷系統(tǒng)是將列車運(yùn)行的過程數(shù)據(jù)導(dǎo)入地面數(shù)據(jù)庫,統(tǒng)計(jì)車輛運(yùn)行的全程數(shù)據(jù),進(jìn)行二次特征抽取,同時根據(jù)車載系統(tǒng)的實(shí)時報(bào)警,對車輛動態(tài)性能進(jìn)行綜合評判,根據(jù)診斷結(jié)果對重點(diǎn)關(guān)注車輛報(bào)警提示,并給出維修參考建議。

1.2 轉(zhuǎn)向架狀態(tài)監(jiān)測過程

轉(zhuǎn)向架狀態(tài)監(jiān)測框圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架狀態(tài)監(jiān)測過程

2 功能描述與原理

2.1 系統(tǒng)功能

客車行車安全轉(zhuǎn)向架監(jiān)測系統(tǒng)所要解決的問題主要有輪對狀態(tài)監(jiān)測、構(gòu)架橫向穩(wěn)定性監(jiān)測、空氣彈簧等二系懸掛性能監(jiān)測等。

根據(jù)主要監(jiān)測對象,地面專家系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架節(jié)點(diǎn)的主要功能有:

全程統(tǒng)計(jì)功能。提供所有編組車輛的參數(shù)對比,超出閾值的車輛為重點(diǎn)關(guān)注車輛。

速度統(tǒng)計(jì)功能。提供所有編組車輛在不同速度下的性能對比,可分析在不同速度下車輛的性能。

實(shí)時數(shù)據(jù)顯示。提供所有編組車輛的實(shí)時曲線,可回放任何運(yùn)行時刻的實(shí)時數(shù)據(jù)。

歷史日期對比功能。提供同一輛車隨日期性能變化曲線,可研究車輛隨時間的變化趨勢。

系統(tǒng)提取的轉(zhuǎn)向架主要振動特征統(tǒng)計(jì)量包括:車體橫向、垂向特征值,構(gòu)架橫向、垂向特征值,車輛橫向、垂向平穩(wěn)性統(tǒng)計(jì)值,車體垂向高頻、低頻統(tǒng)計(jì)值,構(gòu)架橫向低頻統(tǒng)計(jì)值等。

2.2 轉(zhuǎn)向架參數(shù)

轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)分為以下幾個部分:

輪對軸箱裝置。軸箱與軸承裝置聯(lián)系構(gòu)架和輪對,約束輪對相對運(yùn)動的輪對定位也稱軸箱定位。

彈性懸掛裝置。輪對與構(gòu)架之間的軸箱懸掛裝置(一系懸掛),構(gòu)架與車體之間的搖枕(中央)懸掛裝置(二系懸掛),彈性懸掛裝置包括彈簧裝置、減振裝置、定位裝置等。

構(gòu)架或側(cè)架。構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)。

基礎(chǔ)制動裝置。傳遞和放大制動缸的制動力。

轉(zhuǎn)向架支承車體的裝置。分為心盤集中承載、非心盤集中承載和心盤部分承載。

25T型客車轉(zhuǎn)向架主要有3種:CW-200K型,SW-220K型,AM96型。

轉(zhuǎn)向架的技術(shù)參數(shù)有:(1)構(gòu)造速度(km/h);(2)軸重(t);(3)自重(t);(4)固定軸距(mm);(5)輪徑(mm);(6)軸徑中心距(mm);(7)旁承間距(mm);(8)中央彈簧橫向間距(mm);(9)軸箱彈簧橫向間距(mm);(10)制動倍率;(11)一系垂向剛度(kN/m);(12)一系定位剛度(kN/m);(13)一系垂向阻尼(kN?s/m);(14)二系垂向剛度(kN/m);(15)二系橫向剛度(kN/m);(16)二系垂向阻尼(kN?s/m);(17)二系橫向阻尼(kN?s/m);(18)車輛連掛時、單車調(diào)車時通過最小曲線半徑(m)。

輪對靜動平衡檢修要求:車輪壓裝在車軸以前須進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。車輪的剩余靜不平衡量應(yīng)符合以下規(guī)定的許用靜不平衡量。當(dāng)構(gòu)造速度200≥v≥120 km/h時,車輪許用靜不平衡量應(yīng)≤75 g?m;v＞200 km/h時,車輪許用靜不平衡量應(yīng)≤50 g?m。車輪踏面及輪緣加修后,須進(jìn)行動平衡試驗(yàn),輪對殘余不平衡值≤50 g?m。超過時須用減重法進(jìn)行校正。

2.3 評判規(guī)則

轉(zhuǎn)向架具有復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),各型轉(zhuǎn)向架在結(jié)構(gòu)上有差異,其振動性能表現(xiàn)也有不同,此外列車運(yùn)行線路與環(huán)境對轉(zhuǎn)向架振動狀態(tài)有一定的影響,當(dāng)不同型號轉(zhuǎn)向架混合編組運(yùn)行時,這種差異更為明顯,使得系統(tǒng)很難僅用同一標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)閾值來判斷轉(zhuǎn)向架性能是否惡化。轉(zhuǎn)向架性能出現(xiàn)問題往往有一個漸變的過程,是隨著列車運(yùn)行時間逐漸顯露出來。針對此情況,轉(zhuǎn)向架狀態(tài)地面診斷主要采用相對評判和絕對評判兩種方法來對轉(zhuǎn)向架性能進(jìn)行綜合評測診斷。

絕對評判原理:根據(jù)已有的標(biāo)準(zhǔn),轉(zhuǎn)向架動態(tài)性能部分參數(shù)已明確具有絕對的邊界值,對于此類特征值采用絕對評判的原則來判定。

相對評判原理:對于邊界值難以界定的動態(tài)性能統(tǒng)計(jì)特征值,采取相對評判的原則,對同一列車各個轉(zhuǎn)向架特征值進(jìn)行比較,對同一轉(zhuǎn)向架特征值歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,評判出動力學(xué)性能較差者。

3 轉(zhuǎn)向架狀態(tài)監(jiān)測實(shí)際運(yùn)用

3.1 111135車輪對動不平衡超差

111135車在運(yùn)行過程出現(xiàn)振動異常,垂向振動劇烈,地面轉(zhuǎn)向架監(jiān)測專家系統(tǒng)報(bào)告該車輛垂向平穩(wěn)性超標(biāo),與整列車其他車輛相比該車明顯平穩(wěn)性值偏大(圖2)。

圖2 111135車與同列其他車輛垂向平穩(wěn)性值對比直方圖

圖2中橫坐標(biāo)為整列車的各個車輛,縱坐標(biāo)為車輛垂向平穩(wěn)性值,藍(lán)色、綠色直方圖分別表示車輛轉(zhuǎn)向架的一端二端。可看出整列車橫向比較111135客車的車輛垂向平穩(wěn)性一端和二端值都大于其他車輛,并且超出正常參考閾值范圍。該車為軟座車,是在A2修更換輪對之后又投入使用的,投入使用后即出現(xiàn)了垂向振動異常的情況,幾次運(yùn)行途中均有明顯振感。車輛段針對此情況更換了該車前后轉(zhuǎn)向架的4個輪對。更換輪對后的111135車運(yùn)行情況良好,垂向平穩(wěn)性指標(biāo)恢復(fù)正常(圖3、圖4)。

圖3 111135車更換輪對后垂向平穩(wěn)性值歷史對比直方圖

圖4 111135車體垂向振動量歷史對比直方圖

圖3、圖4中橫坐標(biāo)為列車運(yùn)行的日期,縱坐標(biāo)為車輛垂向平穩(wěn)性值和車體垂向振動值,從111135車的歷史對比圖中可看出,該車的車輛垂向平穩(wěn)性和車體垂向振動值在更換輪對前后有了較大的變化。更換前的振動值較大,振動劇烈,更換后的振動值明顯降低,恢復(fù)正常水平。

圖5、圖6中橫坐標(biāo)為列車運(yùn)行的速度,縱坐標(biāo)為車體垂向平穩(wěn)性值和車體垂向低頻振動標(biāo)準(zhǔn)差值,這里看到111135車速度在小于100 km/h時,振動情況差別不是很大,當(dāng)速度超過100 km/h時振動明顯加劇,二位轉(zhuǎn)向架的低頻垂向振動量標(biāo)準(zhǔn)差在更換輪對后得到了很大的改善,而一位轉(zhuǎn)向架則變化不大,因此認(rèn)為低頻振動是造成二位轉(zhuǎn)向架振動性能惡化的重要原因。

圖5 111135車輛垂向平穩(wěn)性歷史對比圖

圖6 111135車體垂向低頻振動標(biāo)準(zhǔn)差歷史對比圖

車輛段對更換下的4個輪對進(jìn)行了詳細(xì)的測試,發(fā)現(xiàn)其中位于三位軸的輪對輪徑偏差大于1 mm,超過了0.66 mm的段修標(biāo)準(zhǔn),后查明是該車A2修時旋削輪對的車床頂針偏離了正確位置,而造成了輪對的動不平衡超差。

3.2 554028車垂向減振器漏油

地面系統(tǒng)報(bào)警554028車構(gòu)架橫向、垂向振動關(guān)注。從該車的振動量歷史對比圖 7、圖 8中可以看到,554028車構(gòu)架橫向、垂向振動量在運(yùn)行過程中有逐漸變大、性能惡化的趨勢。

圖7 554028構(gòu)架橫向振動量日期對比直方圖

圖8 554028構(gòu)架垂向振動量歷史對比直方圖

車輛段對554028車進(jìn)行了檢修,發(fā)現(xiàn)3、5位垂向減振器漏油,車輛段更換了該車的3、5位垂向減振器和2、3位輪對。更換后的554028構(gòu)架橫向和垂向振動量明顯下降,恢復(fù)到正常水平。

4 結(jié)束語

在客車安全監(jiān)測系統(tǒng)地面專家系統(tǒng)平臺下,通過對整列車轉(zhuǎn)向架振動情況的橫向?qū)Ρ群屯晦D(zhuǎn)向架運(yùn)行數(shù)據(jù)的歷史對比,能更清晰的發(fā)現(xiàn)某個轉(zhuǎn)向架是否出現(xiàn)振動異常情況,是否具有性能變差趨勢,有效診斷監(jiān)測轉(zhuǎn)向架潛在的或已經(jīng)發(fā)生的故障,幫助指導(dǎo)車輛檢修維護(hù)工作,對保障提速旅客列車的行車安全具有積極意義。

[1] 嚴(yán)雋耄.車輛工程[M].北京:中國鐵道出版社,2005:28-92.

[2] 陳朝發(fā),劉 峰,等.客車行車安全監(jiān)測診斷系統(tǒng)研究[J].鐵道機(jī)車車輛,2003(S2):53-56,71.

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