董 博

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 標(biāo)準計量研究所，北京 100081）

0 引言

在高速動車組運行速度不斷提高的同時，乘客對于舒適度的要求也越來越高，這就要求動車組的懸掛系統(tǒng)具有優(yōu)異的減振性能[1]。配置優(yōu)異的懸掛系統(tǒng)能夠吸收隨車速提高帶來的高頻振動，降低輪軌作用力，增加高速動車組直線運行的臨界速度和穩(wěn)定性，同時保持良好的曲線通過能力，是動車組運行安全和乘坐舒適的有力保障[2]。

高速動車組普遍運用的懸掛系統(tǒng)由一系懸掛和二系懸掛組成，轉(zhuǎn)臂式定位是一種典型的轉(zhuǎn)向架一系懸掛方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、有效降低簧下質(zhì)量和定位參數(shù)容易精準計算等特點，可以較好地滿足動車組的運用要求[3]。轉(zhuǎn)臂式定位的懸掛系統(tǒng)一般由軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點、金屬螺旋彈簧、垂向減振器構(gòu)成[4]。其中，軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點承擔(dān)著動車組及轉(zhuǎn)向架的垂向力、牽引及制動時產(chǎn)生的縱向力，以及動車組運行時產(chǎn)生的輪軌橫向力[5]。因此，軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的剛度特性不但保證了動車組運行的安全性、平穩(wěn)性及穩(wěn)定性，還對輪軌之間的磨損產(chǎn)生一定影響，合理的剛度區(qū)間及適時的更換將直接影響動車組運行的安全性及經(jīng)濟性[6]。以CRH2型動車組的軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點為研究對象，在進行60萬km的運營后進行拆解檢查及剛度測試，根據(jù)剛度變化率選取2件剛度變化較大的軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點進行疲勞試驗，疲勞試驗后再次測試節(jié)點的剛度，并根據(jù)剛度變化情況進行動力學(xué)對比分析，基于動力學(xué)性能變化及軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的表面狀態(tài)，進行動車組運行安全性分析，提出了動車組在正常運營下軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的最佳更換周期。該研究對CHR2型動車組運營的安全性、穩(wěn)定性及運營維護的經(jīng)濟性有一定的參考意義。

1 高速動車組軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的剛度試驗

1.1 軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的結(jié)構(gòu)組成及安裝

CRH2型動車組用軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點由金屬外套、芯軸及橡膠組成，金屬外套與芯軸通過橡膠硫化的方式組成一個整體，軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點結(jié)構(gòu)組成及受力方向如圖1所示。

圖1 軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點結(jié)構(gòu)組成及受力方向Fig.1 Structure composition and force direction of axle box arm positioning node

軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的芯軸固定在構(gòu)架的定位座上，金屬外套和芯軸橡膠與軸箱轉(zhuǎn)臂連接，輪對與構(gòu)架間的橫向及縱向相對位移依靠節(jié)點的彈性變形實現(xiàn)?？梢?，軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點是直接影響動車組運行穩(wěn)定性和曲線通過性能最主要的懸掛部件[7]。

CRH2型動車組軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點安裝在軸箱轉(zhuǎn)臂及壓蓋內(nèi)部，通過螺栓鎖緊，在鎖緊后橡膠受到一定程度的壓縮。為了保證與實際安裝狀態(tài)的一致性，在剛度測試時需采用與軸箱轉(zhuǎn)臂及壓蓋同樣尺寸的工裝對軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點進行緊固。

1.2 軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的剛度試驗

軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的垂向剛度及橫向剛度約束了動車組在運行時的運動狀態(tài)，對于動車組運行的安全性及穩(wěn)定性影響較大[8]。根據(jù)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的技術(shù)條件，得到垂向及橫向剛度測試時的加載范圍及剛度要求，軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點加載范圍及剛度指標(biāo)如表1所示。靜剛度試驗采用5 t等級的MTS電子萬能試驗機，載荷精度為0.1 N，位移采用千分表測得，精度為0.001 mm。

表1 軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點加載范圍及剛度指標(biāo)Tab.1 Loading range and stiffness index of axle box arm positioning node

1.2.1 垂向剛度試驗

根據(jù)JIS K 6385 《防振橡膠的試驗方法》及軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的技術(shù)條件得到垂向剛度的試驗方法：以5 mm/min的速度對軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的垂向施加載荷，從0 加載至11.8 kN，再卸載到0，進行2次預(yù)加載。第3次以0.5 mm/min的速度對軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點進行加載，從0加載至11.8 kN，再卸載到0，取第3個加載循環(huán)載荷上升段的數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的剛度，剛度計算的載荷取值范圍為0.098 ～ 11.8 kN。1#至8#軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的垂向剛度試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 1#至8#軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的垂向剛度試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Vertical stiffness test data of 1# - 8# axle box arm positioning node

根據(jù)表2可以看出，所測8個軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的剛度區(qū)間為13.4 ～ 14.3 kN/mm，與基準值13.7 kN/mm的偏差率為-2.2% ～ 4.4%，所測8個軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的垂向剛度一致性較好，與基準值相比均未超過±5%。

1.2.2 橫向剛度試驗

根據(jù)JIS K 6385 《防振橡膠的試驗方法》及軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的技術(shù)條件得到橫向剛度的試驗方法：以5 mm/min的速度對軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的垂向施加載荷，從0加載至11.8 kN，再卸載到0，進行2次預(yù)加載。第3次以0.5 mm/min的速度對軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點進行加載，從0加載至11.8 kN，再卸載到0，取第3個加載循環(huán)載荷上升段的數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的剛度，剛度計算的載荷取值范圍為0.098 ～ 11.8 kN。1#至8#軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的橫向剛度試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)表3可以看出，所測8個軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的剛度區(qū)間為5.37 ～ 5.72 kN/mm，與中間值5.49 kN/mm的偏差率為-2.2% ～ 4.2%，所測的8個軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的橫向剛度一致性較好，與基準值相比均未超過±5%。

表3 1#至8#軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的橫向剛度試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Lateral stiffness test data of 1# - 8# axle box arm positioning node

8件軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的垂向及橫向剛度測試結(jié)果均在產(chǎn)品技術(shù)條件給定的剛度范圍之內(nèi)，達到了運營條件。

2 高速動車組軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點運營及疲勞試驗后的剛度演變

2.1 軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點運營后的剛度演變

高速動車組在實際運營中，線路條件較為復(fù)雜，紫外線、高低溫、風(fēng)沙等多樣化的環(huán)境對其性能均有一定的影響，一旦軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的性能發(fā)生較大變化，將對動車組整體懸掛性能產(chǎn)生較大影響，如發(fā)生共振，將直接損害動車組上的設(shè)備及軌道部件，進而危及行車安全[9]。

對測試合格后的8件軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點進行運營試驗，運營總行程為60萬km，在運營每10萬km后對軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的外觀及表面狀態(tài)進行檢查，觀察有無橡膠溶膠及橡膠與金屬粘接不牢靠等問題。在累計運營達到60萬km后，對8件軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點進行拆解，檢查其外觀及磨損程度，并對芯軸端部進行探傷，檢查芯軸有無裂紋缺陷，同時，對運營60萬km后的軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點進行垂向剛度及橫向剛度測試，運營60萬km后的軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點剛度及剛度變化率如表4所示。

從表4可以看出，在高速動車組運營60萬km后，軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的垂向剛度及橫向剛度均變大，垂向剛度變化率最大的為5#節(jié)點，運營前后的剛度變化率為13.4%；橫向剛度變化率最大的為3#節(jié)點，運營前后的剛度變化率為13.2%。軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點剛度變大的原因主要是由于橡膠老化導(dǎo)致。

表4 運營60萬km后的軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點剛度及剛度變化率Tab.4 Stiffness and stiffness change rate after 600 thousand km after operation

2.2 軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點疲勞試驗后的剛度演變

選取2件高速動車組運營60萬km后的軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點進行疲勞試驗，通過疲勞試驗后節(jié)點的狀態(tài)及剛度測試結(jié)果進行動車組安全性能分析，根據(jù)分析提出軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的最佳更換周期。根據(jù)表3可以看出，3#節(jié)點及5#節(jié)點在運營后的垂向及橫向剛度變化率均超過10%，因而選取這2件節(jié)點進行疲勞試驗具有一定的代表意義。根據(jù)JIS K 6385《防振橡膠的試驗方法》及軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的技術(shù)條件得到垂向和橫向疲勞試驗的載荷、頻率及試驗次數(shù)，疲勞試驗參數(shù)如表5所示。

表5 疲勞試驗參數(shù)表Tab.5 Fatigue test parameter table

在試驗過程中，觀察軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的表面狀態(tài)，并根據(jù)溫度情況采取必要的降溫措施，當(dāng)溫度達到40℃以上時，采用風(fēng)冷的方式對節(jié)點進行降溫。疲勞試驗結(jié)束后檢查軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的外觀，發(fā)現(xiàn)橡膠與金屬工裝接觸的位置出現(xiàn)局部溶膠，同時，橡膠有部分掉屑現(xiàn)象，但是節(jié)點的橡膠與金屬粘接部位并未出現(xiàn)剝離及異常變形[10]。疲勞試驗后將軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點靜置在常溫環(huán)境24 h，然后測試其剛度，疲勞試驗后軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點剛

度及疲勞試驗前后的剛度變化率如表6所示。

表6 疲勞試驗后軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點剛度及疲勞試驗前后的剛度變化率Tab.6 Stiffness of axle box arm positioning node after fatigue test and stiffness change rate before and after fatigue test

根據(jù)表6可以看出，疲勞試驗前后，軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的剛度變化雖未超過10%，但橡膠表面已發(fā)生溶膠、掉屑等現(xiàn)象，說明此時已接近橡膠產(chǎn)品的疲勞極限，如繼續(xù)服役，將會導(dǎo)致橡膠金屬剝離等缺陷，近而影響行車安全。將表6得到的剛度變化率與運營前測試的剛度進行比對可知，3#節(jié)點總的垂向剛度變化率達到20.6%，橫向剛度變化率達到22.2%；5#節(jié)點總的垂向剛度變化率達到26.1%，橫向剛度變化率達到21.8%。由于剛度變化將會影響動車組運行的動力學(xué)性能，因而應(yīng)從動力學(xué)性能方面綜合評價軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點疲勞到限后對動車組運營安全性的影響。

3 高速動車組剛度演變后的安全性能分析

高速動車組運行安全性主要涉及是否會出現(xiàn)脫軌和傾覆2種情況，在動力學(xué)計算中，一般以輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率、車輪軌磨耗指數(shù)等指標(biāo)來評定運行安全性。車輪脫軌是高速動車組運行中最大的安全隱患之一，正常情況下，動車組在直線高速運行時，脫軌安全性很好，但當(dāng)出現(xiàn)諸如軌道局部損壞、懸掛失效等不利情況時，輪軌間相互作用力可能顯著偏離正常情況，導(dǎo)致脫軌安全性下降。采用轉(zhuǎn)臂式定位結(jié)構(gòu)的軸箱體，其垂向、橫向定位剛度主要由軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點來提供，因而節(jié)點的垂向及橫向剛度變化特征對動車組的動力學(xué)性能有顯著影響。通過動力學(xué)計算，得到軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點剛度變化前后動車組的脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力和磨耗指數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的變化情況，綜合分析節(jié)點剛度演變帶來的安全隱患。

根據(jù)新品時與疲勞試驗后軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的剛度變化情況，應(yīng)用多體動力學(xué)仿真分析軟件(SIMPACK)對CHR2型動車組建立動力學(xué)模型。在動力學(xué)建模中假定車體、構(gòu)架、輪對均為剛體，則模型共有21個剛體，分別代表車體、構(gòu)架、輪對、軸箱和牽引裝置等，所建模型充分考慮轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點和各懸掛部件及各向止擋的非線性特征。由于動車組是一個較為復(fù)雜的多體系統(tǒng)，各部件之間存在相互作用力和相對運動，輪軌之間也存在復(fù)雜的滾動及滑動接觸，為了清楚顯示動力學(xué)性能的變化，仿真計算時未添加軌道激擾。疲勞到限與新品時脫軌系數(shù)變化曲線如圖2所示，疲勞到限與新品時磨耗指數(shù)變化曲線如圖3所示。

圖2 疲勞到限與新品時脫軌系數(shù)變化曲線Fig.2 Change curve of derailment coefficient of fatigue limit and new product

圖3 疲勞到限與新品時磨耗指數(shù)變化曲線Fig.3 Change curve of wear index of fatigue limit and new product

疲勞到限與新品時動力學(xué)性能變化率如表7所示，通過動力學(xué)計算可以看出，軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點剛度的變化導(dǎo)致脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力的最大值增大了4.6%左右，磨耗指數(shù)最大值增大了12.05%。產(chǎn)生的影響主要有：①橫向力過大，會帶來諸多不利的現(xiàn)象，如軌排橫移、軌距擴大、扣件松動、線路變形、甚至擠翻鋼軌等，這些不利現(xiàn)象一旦發(fā)生疊加，將有可能導(dǎo)致嚴重的事故，因此，應(yīng)嚴格控制橫向力的增加；②由于脫軌系數(shù)=輪軌橫向力/輪軌垂向力，在垂向力保持不變的情況下，橫向力的增大會帶來脫軌系數(shù)的增加，而脫軌系數(shù)是影響行車安全最重要的指標(biāo)，列車發(fā)生脫軌后將造成無法估量的損失，因此，應(yīng)采取措施降低輪軌橫向力；③車輪的踏面、輪緣與鋼軌的磨耗是評價動車組技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)中最主要的指標(biāo)，磨耗系數(shù)增大，車輪與鋼軌的更換頻次也相應(yīng)增加，不僅影響運營成本的增加，還為動車組與軌道檢修帶來較大負擔(dān)。因此，軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點疲勞到限后，對動車組運營的安全性及經(jīng)濟性均產(chǎn)生較大影響，應(yīng)制定合理的更換周期保證動車組安全經(jīng)濟的運行。

表7 疲勞到限與新產(chǎn)品動力學(xué)性能變化率Tab.7 Dynamic performance change rate of fatigue limit and new product

4 結(jié)論

（1）高速動車組運營60萬km后，軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點垂向剛度最大變化率達到13.4%，橫向最大剛度變化率達到13.2%；600萬次疲勞試驗后，垂向剛度最大變化率達到11.2%，橫向剛度變化率在8%左右，通過新品時的剛度與疲勞試驗后的剛度對比可以看出，垂向與橫向剛度變化率均超過20%。

（2）通過高速動車組運營60萬km前后的剛度變化與疲勞試驗前后的剛度變化數(shù)據(jù)可以看出，運營后的剛度變化更為明顯，主要原因為：運營時受到溫度變化、紫外輻射、風(fēng)蝕、鹽霧等環(huán)境條件的綜合作用，而疲勞試驗只考慮載荷和試驗次數(shù)的施加，未考慮運營環(huán)境的影響；同時，橡膠類產(chǎn)品通常在生產(chǎn)后的1年內(nèi)性能變化較大，性能穩(wěn)定后的壽命期內(nèi)，產(chǎn)品性能變化也趨于穩(wěn)定。

（3）根據(jù)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的垂向及橫向剛度變化情況，通過SIMPACK軟件進行動力學(xué)仿真計算，進而分析高速動車組在軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點剛度變化后的安全性。分析發(fā)現(xiàn)軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的剛度增大20%后，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力的最大值增大了4.6%左右，磨耗指數(shù)最大值增大了12%；橫向力過大，將對高速動車組運營帶來諸多不利的現(xiàn)象，如軌排橫移、軌距擴大、扣件松動、線路變形、甚至擠翻鋼軌等，這些不利現(xiàn)象一旦發(fā)生疊加，將有可能導(dǎo)致嚴重的事故。為了保證高速動車組安全經(jīng)濟的運行，在正常運營情況下，CRH2型動車組軸箱轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點更換周期為5 a。