熊鋒

（中國鐵路武漢局集團有限公司科技和信息化部，湖北武漢 430071）

0 引言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，高速鐵路道岔大部件快速更換及施工組織需求越來越迫切，目前我國尚無專用的高速鐵路道岔大部件更換裝備及相關(guān)成熟施工經(jīng)驗，僅部分鐵路局集團公司少量更換過［1］，作業(yè)時需大量的人力物力，采用多臺起重軌道車同時進(jìn)行吊裝作業(yè)，投入人員和設(shè)備多、施工成本高、作業(yè)時間長、安全風(fēng)險大，對運輸秩序有較大影響［2］。道岔大部件應(yīng)急更換車組由中國鐵路武漢局集團有限公司（簡稱武漢局集團公司）下屬金鷹重型工程機械有限公司根據(jù)中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）科研計劃研制，該設(shè)備可更換本線和鄰線道岔，具有更換效率高、投入人員和設(shè)備少、施工簡便等特點（見圖1），該車的成功研制可有效破解現(xiàn)有難題。

圖1 道岔大部件應(yīng)急更換車組

1 車輛結(jié)構(gòu)

道岔大部件應(yīng)急更換車組為滿足使用工況要求，采用雙邊梁平車底架承載，安裝可在車體邊梁上沿導(dǎo)軌前后吊重運行的獨立起重機系統(tǒng)，該起重機自質(zhì)量22 t，占整車整備質(zhì)量約1/3，起重機重心距軌面高度2.916 m，整車重心1.67 m；由于要考慮裝載道岔大部件后整車的軸重均勻且不超軸重，高速運行時起重機靠Ⅰ位端轉(zhuǎn)向架固定，空車時Ⅰ端轉(zhuǎn)向架軸重相比Ⅱ端轉(zhuǎn)向架重近5 t。起重機重心較高，軸重分布不均，對整車橫向動力學(xué)性能和運行安全性影響較大［3］，特別是空車狀態(tài)下。

道岔大部件應(yīng)急更換車組轉(zhuǎn)向架H形構(gòu)架采用整體焊接方式，由2根側(cè)梁和中梁對接組焊而成。側(cè)梁和中梁均采用箱形梁結(jié)構(gòu)，并根據(jù)受力分布，各梁體均設(shè)計為魚腹形狀，具有自質(zhì)量輕、剛度大、強度好的優(yōu)點。一系懸掛采用軸箱鋼彈簧并聯(lián)利諾爾減振器減振，軸箱彈簧設(shè)計為空重車兩級剛度，空車時只有外簧承載，剛度較小，可以獲得較大的靜撓度，并改善空車垂向振動性能；重車時內(nèi)外簧共同承載，可以承受較大質(zhì)量。利諾爾減振器的摩擦力與重力成正比，隨著車輛載質(zhì)量的增加而相應(yīng)變化，可以適應(yīng)車輛空車、重車不同工況下的減振要求。整車質(zhì)量由球面心盤為主和旁承輔助的承載方式，旁承采用貨車JC型雙作用常接觸彈性滾子旁承，可以提供阻力抑制、衰減轉(zhuǎn)向架的橫向運動和回轉(zhuǎn)［4］。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)簡單、維護方便，且技術(shù)較為成熟，在鐵路工程機械領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，采用貨車常用的摩擦減振方式，輪對的垂、橫向振動沖擊由軸箱彈簧進(jìn)行緩沖，同時沖擊能量由軸箱處的利諾爾減振器摩擦副提供垂向、橫向阻尼進(jìn)行衰減，而球面心盤和旁承共同提供阻力以衰減轉(zhuǎn)向架的蛇行運動，由于球面心盤的阻力很難調(diào)整，所以利諾爾減振器摩擦副的摩擦系數(shù)和旁承阻力矩的控制是保證動力學(xué)性能的關(guān)鍵［5］。

2 測試內(nèi)容

為保證安全，在鐵路正線運行的新型車輛必須進(jìn)行動力學(xué)性能測試，以驗證車輛在過軌狀態(tài)下的運行安全性和平穩(wěn)性。按照GB/T 17426—1998《鐵道特種車輛和軌行機械動力學(xué)性能評定及試驗方法》［6］的規(guī)定，檢測項目包括脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、車體垂向和橫向加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)。試驗評定標(biāo)準(zhǔn)見表1。

由于整車機構(gòu)布置不對稱，在本次道岔大部件應(yīng)急更換車組動力學(xué)性能試驗測試方案和組織上采用了往返雙向測試。在車輛1、4軸換裝測力輪對，檢測輪軌間相互作用的垂向力和橫向力，從而得到脫軌系數(shù)、輪重減載率等整車的運行安全性參數(shù)；在車體前進(jìn)方向端中梁距心盤內(nèi)側(cè)1 m處安裝振動加速度計，測量車體的橫向和垂向振動加速度，用于統(tǒng)計、計算被試車的最大振動加速度以及計算橫向和垂向平穩(wěn)性。

表1 動力學(xué)性能評判標(biāo)準(zhǔn)限度值

3 試驗選線

根據(jù)GB/T 17426—1998要求，特種車輛和軌行機械的試驗鑒定應(yīng)在Ⅰ級線路或Ⅱ級線路上進(jìn)行，本車設(shè)計最高運行速度為120 km/h，試驗線路應(yīng)滿足最高運行132 km/h的速度要求，包括直線、R300 m～R800 m曲線、側(cè)向通過9號道岔、12號道岔。根據(jù)以上試驗測試要求，武漢局集團公司科技和信息化部會同運輸部、工務(wù)部以及測試單位研究了武漢各工務(wù)段所屬線路資料，最終確定直線段試驗地點安排在漢丹、京廣線，曲線試驗地點安排在武漢南、北環(huán)線，指定在新墩、漢西、武昌、武昌南、八大家、武昌北車站進(jìn)行9號、12號道岔側(cè)向過岔試驗。

4 運輸組織

道岔大部件應(yīng)急更換車組自身不帶動力，試驗時采用內(nèi)燃機車牽引，試驗編組形式：機車+道岔大部件應(yīng)急更換車組+試驗車，機車在武昌北掉頭。

所有試驗均在線路允許速度規(guī)定范圍內(nèi)試驗，無試驗內(nèi)容時，按線路允許最高通過速度但不超過120 km/h運行。

根據(jù)需要，試驗按直線60、70、80、90、100、110、120、132 km/h各速度級在速度穩(wěn)定后各累計6 min；曲線通過速度按照各曲線線路允許最高通過速度但不超過120 km/h；側(cè)線通過速度分別為9號道岔30 km/h、12號道岔45 km/h。

試驗全程由襄陽機務(wù)段DF11型內(nèi)燃機車和乘務(wù)員擔(dān)當(dāng)，襄陽機務(wù)段安排干部添乘；武昌—武昌北由武昌南機務(wù)段負(fù)責(zé)帶道，襄陽電務(wù)段負(fù)責(zé)LKJ臨時數(shù)據(jù)導(dǎo)入，攜帶紙質(zhì)臨時慢行揭示命令，在武昌站上下帶道人員。襄陽、武昌北車站始發(fā)、技檢開車后直線進(jìn)行惰行標(biāo)定試驗。

5 試驗測試

道岔大部件應(yīng)急更換車組空車工況動力學(xué)試驗時，從襄陽運行至武漢過程中，平穩(wěn)性指標(biāo)為良，其他各項指標(biāo)均合格；回程運行至K210—K223區(qū)間，運行速度119.40 km/h時，車體橫向失穩(wěn)且不收斂，回程時起重機位于車輛運行后端。查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，橫向加速度最大值達(dá)6.91 m/s2，超過允許值4.91 m/s2，垂向加速度達(dá)7.57 m/s2，超過允許值6.87 m/s2；橫向平穩(wěn)性指標(biāo)4.62，大于合格值4（見圖2、圖3）。

圖2 橫向、垂向車體加速度監(jiān)測曲線

圖3 橫向、垂向車體加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)

從試驗測試數(shù)據(jù)的特征初步分析認(rèn)為，因起重機自質(zhì)量大，重心高，起重機失穩(wěn)后能量大，而軸箱彈簧采用的利諾爾減振器結(jié)構(gòu)所提供的垂向和橫向摩擦力無法有效衰減失穩(wěn)后的能量。

6 分析及優(yōu)化

車輛回廠后對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行檢查，JC型雙作用彈性旁承上下摩擦面工作正常，各軸箱彈簧狀態(tài)、壓縮量正常，球面心盤摩擦面磨合痕跡較均勻。因試驗時車輛正向運行時動力學(xué)性能均達(dá)標(biāo)，但回程時出現(xiàn)高速橫向失穩(wěn)和垂向加速度超標(biāo)故障，故判斷很大概率是因前、后轉(zhuǎn)向架摩擦副存在差異［7］。因此，對各轉(zhuǎn)向架相對摩擦系數(shù)進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表2。各摩擦副摩擦系數(shù)離散度大，分布不均勻，同轉(zhuǎn)向架最大差值達(dá)到0.247，同車最大差值達(dá)到0.310，已嚴(yán)重超標(biāo)，且1軸摩擦系數(shù)偏小，平均約0.112，4軸摩擦系數(shù)偏大，平均0.387。

表2 磨耗板摩擦系數(shù)測定結(jié)果

解體檢查軸箱時發(fā)現(xiàn)，部分利諾爾減振器摩擦面接觸面積過小，無法產(chǎn)生足夠摩擦力，還有部分摩擦面接觸不良，且磨耗板上出現(xiàn)約1 mm深的溝槽，據(jù)此推測由于摩擦面配合不好，導(dǎo)框與軸箱摩擦面的垂向、橫向相對運動產(chǎn)生卡滯，使轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與部分軸箱在運行中可能成為剛性連接，導(dǎo)致該處摩擦副橫向和垂向減振不良［3］，或根本無法起到減振作用，加之起重機重心高失穩(wěn)能量大，從而出現(xiàn)垂向加速度超標(biāo)和橫向失穩(wěn)等［8］。

相對摩擦系數(shù)測定和解體檢查表明轉(zhuǎn)向架各摩擦副相對摩擦系數(shù)離散度大，估測為摩擦面加工裝配質(zhì)量不良導(dǎo)致，分析可能存在以下原因：一是由于焊接變形控制不力，造成軸箱導(dǎo)框左右開檔處的兩垂直摩擦面收縮或張開，或軸箱導(dǎo)框整體隨轉(zhuǎn)向架側(cè)梁下彎而變形，都造成摩擦面垂直度超差的問題，導(dǎo)致與軸箱兩垂直摩擦面的面接觸變?yōu)榫€接觸或點接觸，容易造成剮蹭或卡滯，不僅破壞摩擦表面，還影響摩擦減振效果［9］。二是由于軸箱導(dǎo)框各摩擦面尺寸在與構(gòu)架焊接前已經(jīng)加工完成，由于焊接影響、工藝工裝限制，軸箱導(dǎo)框焊接在構(gòu)架上時同軸的左右兩軸箱導(dǎo)框摩擦面不可避免地存在同軸度誤差，導(dǎo)致部分摩擦面承受結(jié)構(gòu)誤差造成附加正壓力［10］。

針對以上問題，工廠對轉(zhuǎn)向架導(dǎo)框摩擦面進(jìn)行整體定位2次加工，重新更換磨耗板，調(diào)整各部間隙。經(jīng)以上改進(jìn)措施，并進(jìn)行單程約100 km的往返磨合試驗后，重新測定各摩擦面摩擦系數(shù)，結(jié)果表明，相對摩擦系數(shù)分布較為均勻（見表3）。

表3 磨耗板摩擦系數(shù)測定結(jié)果

調(diào)整后重新組織道岔大部件應(yīng)急更換車組空重車2種狀態(tài)的動力學(xué)試驗，從襄陽運行至武漢過程中，平穩(wěn)性指標(biāo)為良，其他各項指標(biāo)均合格；返回過程中最高運行速度132 km/h時，車體垂向、橫向加速度值實時監(jiān)測曲線見圖4，具體數(shù)值見圖5，持續(xù)運行6 min，整車運行一直保持穩(wěn)定，橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)分別為2.56、2.70，屬優(yōu)級；橫向、垂向加速度最大值分別為3.44、5.67 m/s2，均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 橫向、垂向車體加速度監(jiān)測曲線

圖5 橫向、垂向車體加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)

7 結(jié)束語

通過本次動力學(xué)性能試驗測試和對轉(zhuǎn)向架的解體檢查及摩擦副的優(yōu)化，反映出利諾爾減振器雖然結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但對轉(zhuǎn)向架焊接、加工、裝配工藝有較高要求，應(yīng)對各摩擦面的相對尺寸均留余量，將軸箱導(dǎo)框焊接在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架后，待消除應(yīng)力變形釋放完全后，對構(gòu)架進(jìn)行整體精加工，保證各相對摩擦面的平面、垂面精度，同時正式上線試驗前要進(jìn)行磨合、解體檢查及相應(yīng)處理，檢查試驗各摩擦副的相對摩擦系數(shù)基本在同一范圍內(nèi)，確保上正線試驗前轉(zhuǎn)向架狀態(tài)良好，真實反映整車動力學(xué)性能。