顧小山

(中國鐵路上海局集團有限公司南京動車段，江蘇 南京 210005)

0 引言

近年來，徐州東動車所發(fā)生過數(shù)十例構(gòu)架橫向加速度報警故障。同時，報警動車組也發(fā)生了明顯的晃車現(xiàn)象。徐州東動車所技術(shù)組通過對報警動車組的車輛踏面測量及其輪軌匹配的分析，發(fā)現(xiàn)報警車輛的踏面等效錐度數(shù)值均超過了0.35(標(biāo)準(zhǔn)軌面匹配參考標(biāo)準(zhǔn)值)，普遍大于其他運行良好動車組的等效錐度數(shù)值[1]。

等效錐度是評價輪軌接觸幾何狀態(tài)的重要指標(biāo)，是反映輪軌橫向力對運動質(zhì)量影響的等效平均參數(shù)，對車輛蛇行穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。踏面外形變化和輪徑差變化都會導(dǎo)致輪軌接觸幾何關(guān)系的非線性增強及等效錐度的增大。動車組在長期運用過程中，車輪出現(xiàn)磨耗且左右輪磨耗不均勻，產(chǎn)生輪徑差，會使等效錐度變大，產(chǎn)生較大的輪軌接觸應(yīng)力和較大的橫向力，從而引起轉(zhuǎn)向架蛇行頻率發(fā)生變化。在一定速度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)向架蛇行頻率可能與車體橫向固有頻率重合，從而使車體橫向振動惡化，最終表現(xiàn)為晃車等情況[2]。

目前國內(nèi)外等效錐度測量方式均為靜態(tài)庫內(nèi)測量，都是結(jié)合庫內(nèi)檢修或者輪對鏇修作業(yè)人工進行，逐輪獲取踏面外形尺寸，存在檢測效率低等局限，嚴(yán)重制約了動車組的檢修效率。同時，也無法實現(xiàn)對運用動車組輪對的踏面等效錐度實施在線監(jiān)測，以及對狀態(tài)異常的輪對進行報警，對運用動車組的輪對踏面狀態(tài)監(jiān)測極為不利。

為加強動車組車輪踏面等效錐度的檢測，中國鐵路總公司于2018年8月下發(fā)了《中國鐵路總公司機輛部關(guān)于加強動車組車輪多邊形防治等相關(guān)工作的通知》(機輛動客函〔2018〕86號)，其中明確要求：開展LY輪對踏面故障診斷系統(tǒng)檢測車輪踏面等效錐度的試驗研究。《國鐵集團機輛部關(guān)于公布動車組車輪鏇修關(guān)鍵影響因素運用標(biāo)準(zhǔn)的通知》(機輛動客函〔2021〕36號)指出：“各鐵路局集團公司要對照標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本局實際情況，有計劃地安排對運用動車組車輪等效錐度、多邊形、徑跳進行檢測，積極推進動車組車輪視情鏇修?！?/p>

基于此背景，在徐州東動車所既有LY輪對踏面故障診斷系統(tǒng)上加裝輪對踏面等效錐度檢測單元，開展現(xiàn)場應(yīng)用可行性研究，包括檢測原理分析、LY系統(tǒng)加裝等效錐度方案以及現(xiàn)場實車數(shù)據(jù)分析驗證。

1 車輪等效錐度檢測研究

1.1 LY加裝等效錐度檢測模塊可行性分析

LY系統(tǒng)等效錐度模塊的等效錐度檢測采用UIC519標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)UIC519標(biāo)準(zhǔn)的計算方法，錐形踏面輪對在線路上具有相對固定的正弦運動軌跡，如圖1所示。Klingel理論指出這一運動軌跡的波長取決于踏面的錐度角以及左右輪軌接觸斑之間的距離，即如Klingel公式所示[3]。

圖1 錐形踏面輪對在線路上具有相對固定的正弦運動軌跡

(1)

式中：λ為輪對運動軌跡的波長；e為左右輪軌接觸斑之間的距離，即為跨距；r0為輪對處在對中位置時的車輪滾動圓半徑；γ為車輪踏面的錐度角[3]。

實際運用中的車輪踏面具有變化的錐度角，可以采用對左右滾動圓半徑差(取決于輪對橫移量)進行積分的方法獲得輪對的運動波長，再將該波長與Klingel理論中的相應(yīng)波長對照，得出輪對等效錐度：

(2)

式中：tanγe為等效錐度。

因此，等效錐度檢測模塊只需獲取LY系統(tǒng)尺寸檢測單元測量出的車輪外形輪廓曲線，再結(jié)合既有標(biāo)準(zhǔn)軌道外形及軌距等參數(shù)，即可計算出車輪踏面的等效錐度，從檢測原理方面分析完全可行。

1.2 LY加裝等效錐度檢測模塊方式

LY系統(tǒng)的尺寸檢測單元采用光截圖像測量技術(shù)測量輪對關(guān)鍵尺寸，檢測原理如圖2所示。單邊車輪采用激光-相機組合單元，將激光投射到車輪踏面，形成從輪緣到踏面的激光光截曲線，車輪輪輞形成的光截曲線中包含了車輪踏面的全部外形尺寸信息，系統(tǒng)用與光入射方向成固定角度的相機拍攝獲取車輪外形光截曲線的圖像。經(jīng)過后臺圖像處理，可獲得車輪輪輞完整的外形尺寸曲線，如圖3所示[4]。

圖2 輪對關(guān)鍵尺寸測量原理

圖3 車輪完整外形曲線

LY系統(tǒng)尺寸檢測單元現(xiàn)場布局如圖4所示，通過現(xiàn)場采集單元，采集車輪外形尺寸數(shù)據(jù)，并通過后臺算法服務(wù)器，計算車輪踏面等效錐度，如圖5所示。

圖4 LY系統(tǒng)尺寸檢測單元現(xiàn)場采集單元布局

圖5 LY系統(tǒng)等效錐度計算流程

綜上，只需在LY系統(tǒng)上額外部署等效錐度服務(wù)器，即可實現(xiàn)等效錐度檢測模塊加裝。

2 LY加裝等效錐度檢測模塊效果驗證

2.1 驗證情況

經(jīng)過前述理論分析及論證，LY加裝等效錐度檢測模塊方案可行。接下來利用LY等效錐度檢測模塊及鏇輪機測量同一動車組車輪等效錐度，對比分析LY尺寸單元(等效錐度)檢測準(zhǔn)確性，用于驗證所選編組覆蓋徐州動車所既有動車組車型，驗證編組選擇有鏇修計劃編組，可根據(jù)鏇修計劃開展驗證測試。詳細(xì)測試驗證情況如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性驗證情況

驗證情況分析如下。

1)經(jīng)與鏇輪機對比分析，以LY系統(tǒng)車輪尺寸檢測單元提供的原始曲線，系統(tǒng)等效錐度的檢測精度可達(dá)到±0.03，滿足率可達(dá)96.3%。

2)1月17日，系統(tǒng)精度滿足率僅為78.20%。經(jīng)查，系統(tǒng)曲線異常原因為尺寸檢測單元遭踩踏，導(dǎo)致系統(tǒng)激光、相機布局改變，且等效錐度的計算對車輪廓形精度要求很高，因此，系統(tǒng)檢測精度滿足率下降。1月21日重新對系統(tǒng)標(biāo)定、校驗后，設(shè)備性能回升。

3)數(shù)據(jù)波動性分析：隨著車輪在線路運行，由于車輪踏面一圈的磨耗快慢不同，車輪一圈不同位置的外形輪廓有所不同。根據(jù)LY系統(tǒng)檢測原理，動車組每次經(jīng)過LY系統(tǒng)時，只對車輪的一個位置進行測量；鏇輪機在測量等效錐度時，也只是對車輪的一個位置進行測量。由于不能保證LY系統(tǒng)和鏇輪機測量的位置完全相同，故LY等效錐度與鏇輪機數(shù)據(jù)存在一定的偏差。

2.2 系統(tǒng)優(yōu)化

為了盡可能降低外部因素對設(shè)備檢測能力的影響，也就是對系統(tǒng)光學(xué)布局的影響，對LY系統(tǒng)尺寸檢測單元外罩進行了優(yōu)化設(shè)計，詳細(xì)如圖6所示。該新型外罩設(shè)計，極大地降低了系統(tǒng)監(jiān)測時由動車組過車造成的地面振動影響，也可防止外部踩踏，經(jīng)現(xiàn)場測試達(dá)到改進預(yù)期。

圖6 LY系統(tǒng)新型外罩設(shè)計

3 結(jié)語

LY車輪踏面等效錐度檢測單元在既有LY系統(tǒng)上加裝實現(xiàn)，通過檢測原理分析、方案論證以及現(xiàn)場實車數(shù)據(jù)對比驗證，滿足動車組車輪等效錐度的日常運用監(jiān)測要求，其檢測精度符合機輛動客函〔2021〕36號要求，具備推廣應(yīng)用價值。