馬 玄 馬玉強 王 悅 許 杰 賈 澤

(1.中車長春軌道客車股份有限公司科技管理部, 130062, 長春；2.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司, 213011, 常州; 3.中車長春軌道客車股份有限公司安技環(huán)保部， 130062, 長春；4.中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心, 130062, 長春∥第一作者， 高級工程師)

列車高速運行時，其運行的平穩(wěn)性和舒適性與車輪踏面的狀態(tài)有著十分緊密的關(guān)系，同時，車輪踏面的黏著力及清潔度直接影響著列車的制動效果。踏面清掃器是保證車輪和軌道接觸面黏著力及清潔度的重要裝置。踏面清掃器工作時，研磨塊與車輪踏面接觸，研磨塊中的金屬粒子粘附在車輪踏面，可增加輪軌之間的黏著力，同時又能清除車輪上附著的雜物。但是，近2年已裝車運用的踏面清掃器的研磨塊背板偶有斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)(見圖1)。為了確認踏面清掃器結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性，本文參照IEC 61373:2010《鐵路應用 鐵道車輛設(shè)備沖擊和振動試驗》中規(guī)定的2類轉(zhuǎn)向架安裝產(chǎn)品的試驗要求，結(jié)合踏面清掃器的運用工況特點，開展了振動沖擊試驗研究。

圖1 列車車輪踏面清掃器背板斷裂圖Fig.1 Diagram of tread cleaner backplane fracture

1 列車車輪踏面清掃器振動沖擊試驗要求

1.1 試驗對象

踏面清掃器安裝在車輛轉(zhuǎn)向架上，主要由缸體、研磨塊背板、活塞桿及研磨塊等組成，其結(jié)構(gòu)安裝見圖2。本文選取地鐵用某型號踏面清掃器為試驗對象，其最大外形空間尺寸為400 mm×100 mm×150 mm(長度×寬度×高度)，質(zhì)量約10 kg。

圖2 踏面清掃器安裝圖Fig.2 Diagram of tread cleaner installation

按照IEC 61373:2010中的2類試驗要求，對該踏面清掃器進行振動沖擊試驗及振動磨損檢查，分析引起異常磨耗的原因，為解決研磨塊背板斷裂提供技術(shù)支持。

1.2 試驗布置

試驗時，將踏面清掃器放置在電磁振動臺上，試驗臺最大推力為15.68 kN，最大速度為2 m/s，最大峰-峰位移為51 mm，頻率為2～2 200 Hz，一階諧振頻率為1 800 Hz。試驗布置如圖3所示，試驗用夾具與踏面清掃器通過螺栓按一定角度固定連接，以模擬被試產(chǎn)品在列車轉(zhuǎn)向架上的實際安裝姿態(tài)。設(shè)計試驗夾具的第1階固有頻率為510 Hz，大于試驗最大限值250 Hz；該固有頻率滿足動強度要求，并對其進行了疲勞強度極限校核。

1.3 試驗方法

IEC 61373:2010中規(guī)定了根據(jù)獲得的實測線路運行數(shù)據(jù)制定隨機振動量級所采用的方法。本文試驗方案主要參照該標準中2類轉(zhuǎn)向架安裝產(chǎn)品的試驗要求，同時按現(xiàn)車實測振動沖擊量級而設(shè)計。若現(xiàn)車實測振動沖擊量級超過標準中規(guī)定的參考點加速度均方根值arms的要求，則按照實測振動沖擊量級等效計算后再進行試驗；若現(xiàn)車實測振動沖擊量級低于標準要求，則按照該標準規(guī)定的振動沖擊試驗量級進行試驗。試驗時，按照模擬長壽命試驗→沖擊試驗→功能性試驗的順序進行踏面清掃器振動沖擊性能考核。

1.3.1 模擬長壽命試驗

模擬長壽命試驗時長需根據(jù)試驗臺能夠承受的最大振動沖擊量級進行折算。折算時，采用IEC 61373:2010中規(guī)定的幅值增強方法[1]。具體折算方法參考IEC 61373:2010附錄A.5的規(guī)定，根據(jù)幅值增強方向，由實際工況折算實驗室試驗時長。

增強前踏面清掃器的振動條件要求見表1。

表1 踏面清掃器的振動條件要求Tab.1 Vibration condition requirements of tread cleaner

采用標準中通過增加振幅而縮短試驗時間的方法(即 “幅值增強方法”)，進行模擬長壽命振動試驗，其加速度比例系數(shù)計算方法采用如圖3所示的典型疲勞強度曲線。

注：Δσ為應力幅值；N為循環(huán)次數(shù);m1、m2分別為典型金屬材料的對應指數(shù)，m1取4，m2取6。圖3 踏面清掃器典型疲勞強度曲線圖Fig.3 Typical fatigue strength curve of tread cleaner

踏面清掃器振動試驗的加速度比例系數(shù)β為:

式中：

Ns——實車疲勞壽命內(nèi)的循環(huán)次數(shù)，取108次；

Nt——實驗室模擬疲勞壽命內(nèi)的循環(huán)次數(shù)，Nt=n×3 600×2(n為模擬長壽命試驗時長,單位為h)。

采用幅值增強方法[2]縮短試驗時長，踏面清掃器模擬長壽命試驗量級見表2。按2類轉(zhuǎn)向架安裝計算ASD(加速度頻譜密度)，試驗頻率范圍為5～250 Hz。根據(jù)振動臺能力，本文選取表2試驗時長為5 h的工況進行試驗。

1.3.2 沖擊試驗

參照IEC 61373:2010對踏面清掃器做半正弦脈沖沖擊試驗。試驗要求如表3所示。

表2 踏面清掃器模擬長壽命試驗量級Tab.2 Simulation long-life test magnitude of tread cleaner

表3 踏面清掃器沖擊試驗要求Tab.3 Impact test requirements of tread cleaner

1.3.3 功能性試驗

參照IEC 61373:2010對踏面清掃器做功能性試驗。試驗要求如表4所示。

表4 踏面清掃器功能性試驗要求Tab.4 Functional trial requirements of tread cleaner

需要說明的是，在進行功能性試驗時，踏面清掃器需執(zhí)行動作。其動作邏輯為:設(shè)置踏面清掃器充氣時間20 s，充氣氣壓為0.3 MPa，排氣時間10 s，再充氣20 s，以此反復循環(huán)。

1.4 評價基準

試驗結(jié)束后，從以下3個方面對踏面清掃器進行評價：①相關(guān)零部件無破損、脫落及松動，或永久變形；②踏面清掃器活塞桿動作正常，且例行試驗應滿足要求；③研磨塊無缺陷、裂紋等。

2 踏面清掃器各項試驗結(jié)果分析

2.1 踏面清掃器橫向試驗

2.1.1 踏面清掃器模擬長壽命振動試驗

通過觀察圖4可知，踏面清掃器橫向模擬長壽命振動頻譜曲線在標稱值附近變化，且大都在振動頻譜上、下界限內(nèi)；在某些頻段踏面清掃器的振動量級超出了界限值，可能是受試驗夾具連接的影響造成一定的偏差，但總體而言該影響可忽略不計。

圖4 踏面清掃器橫向模擬長壽命振動頻譜曲線Fig.4 Lateral simulated long-life vibration test curve of tread cleaner

2.1.2 踏面清掃器沖擊試驗

通過觀察圖5和圖6踏面清掃器橫向正向及橫向反向的沖擊試驗曲線可知，控制峰值和響應峰值均在IEC 61373:2010要求的上、下界限內(nèi)，且無試驗偏差數(shù)據(jù)出現(xiàn)。

圖5 踏面清掃器橫向正向沖擊試驗曲線Fig.5 Lateral positive impact test curve of tread cleaner

圖6 踏面清掃器橫向反向沖擊試驗曲線Fig.6 Lateral reverse impact test curve of tread cleaner

2.1.3 踏面清掃器功能性隨機振動試驗

在模擬長壽命振動及沖擊試驗后，要對踏面清掃器進行功能性隨機振動試驗，以觀察踏面清掃器橫向試驗后能否正常工作，以及其功能是否受到影響。通過觀察圖7踏面清掃器橫向功能性隨機振動頻譜曲線可知，控制譜線與響應譜線均在正常范圍內(nèi)，且量級上未出現(xiàn)明顯的數(shù)值偏差。試驗證明，橫向長壽命和橫向正、反向沖擊試驗對踏面清掃器的正常功能未造成影響。

圖7 踏面清掃器橫向功能性隨機振動頻譜曲線Fig.7 Lateral functional random vibration test curve of tread cleaner

2.2 踏面清掃器縱向試驗

2.2.1 踏面清掃器模擬長壽命振動試驗

通過觀察圖8所示的踏面清掃器縱向模擬長壽命振動頻譜曲線可知，振動頻譜可控曲線在標稱值附近變化，且大都在上、下界限內(nèi)；曲線起始段部分數(shù)值超出了界限值，可能是受試驗夾具連接的影響存在一定的偏差，但總體而言是在可接受范圍之內(nèi)。

圖8 踏面清掃器縱向模擬長壽命振動曲線Fig.8 Longitudinal simulated long life vibration test of tread cleaner

2.2.2 踏面清掃器沖擊試驗

通過觀察圖9和圖10踏面清掃器縱向正向及縱向反向沖擊試驗可知，控制譜線與響應譜線均在上、下界限內(nèi)，整個試驗過程滿足IEC 61373:2010的要求，且無試驗偏差數(shù)據(jù)出現(xiàn)。

圖9 踏面清掃器縱向正向沖擊試驗曲線Fig.9 Longitudinal positive impact test of tread cleaner

圖10 踏面清掃器縱向反向沖擊試驗曲線Fig.10 Longitudinal reverse impact test of tread cleaner

2.2.3 踏面清掃器功能性隨機振動試驗

踏面清掃器縱向模擬長壽命振動及縱向正、反向沖擊試驗完成后，仍需對其進行功能性隨機振動試驗，以觀察踏面清掃器橫向試驗后能否正常工作，且其功能是否受到影響。通過觀察圖11所示的踏面清掃器縱向功能性振動試驗曲線可知，該曲線上升和下降階段出現(xiàn)了部分偏差，其余頻段均在正常范圍內(nèi)，未出現(xiàn)明顯的數(shù)值偏差。試驗證明，踏面清掃器縱向長壽命和縱向正、反向沖擊試驗對其正常功能未造成影響。

圖11 踏面清掃器縱向功能性隨機振動曲線Fig.11 Longitudinal functional random vibration test of tread cleaner

2.3 踏面清掃器垂向試驗

2.3.1 踏面清掃器模擬長壽命振動試驗

通過觀察圖12所示的垂向模擬長壽命振動頻譜曲線可知，控制曲線在標稱值附近變化，響應曲線整體在上、下界限內(nèi)；響應曲線起始頻段部分數(shù)值超出了界限值，可能是受試驗夾具連接的影響造成一定的偏差，但總體而言是在可接受范圍之內(nèi)。

圖12 踏面清掃器垂向模擬長壽命振動曲線Fig.12 Vertical simulated long-life vibration test of tread cleaner

2.3.2 踏面清掃器沖擊試驗

通過觀察圖13和圖14踏面清掃器的垂向正向及垂向反向沖擊試驗可知，控制譜線與響應譜線均在上、下界限內(nèi)，試驗過程滿足IEC 61373:2010的要求，無明顯試驗偏差數(shù)據(jù)出現(xiàn)。

圖13 踏面清掃器垂向正向沖擊試驗曲線Fig.13 Vertical positive impact test of tread cleaner

圖14 踏面清掃器垂向反向沖擊試驗曲線Fig.14 Vertical reverse impact test of tread cleaner

2.3.3 踏面清掃器功能性隨機振動試驗

在垂向模擬長壽命振動試驗后，對踏面清掃器進行垂向功能性隨機振動試驗。通過觀察圖15垂向功能性隨機振動試驗曲線可知，剛開始頻段出現(xiàn)了部分偏差，其余階段均在正常范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)明顯的數(shù)值偏差，試驗證明垂向長壽命試驗對踏面清掃裝器的正常功能未造成影響。

圖15 踏面清掃器垂向功能性隨機振動曲線Fig.15 Vertical functional random vibration test curve of tread cleaner

3 結(jié)語

根據(jù)IEC 61373:2010要求，對踏面清掃器進行了橫向、縱向和垂向等3個方向的模擬長壽命振動試驗、沖擊試驗和功能性隨機振動試驗。結(jié)果表明，試驗后的踏面清掃器各零部件無破損、脫落及松動或永久變形，未出現(xiàn)明顯的裂痕，研磨塊無缺陷、裂紋，活塞桿動作正常。這說明踏面清掃器結(jié)構(gòu)強度滿足試驗要求，工作性能未受到影響。在目前的試驗條件下，由于受試驗臺能力的限制，未能完全模擬出踏面清掃器承受的振動與沖擊復合加載的實車工況，還需要對試驗條件加以改進與優(yōu)化，合理設(shè)計試驗方案，避免欠試驗和過試驗，同時進一步開展正弦掃頻試驗和路譜迭代模擬振動試驗，多維度分析踏面清掃器出現(xiàn)故障的原因，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)品質(zhì)量。