輪對動不平衡狀態監測、故障診斷和快速檢修方法

2023-12-28 12:43王林棟

鐵道車輛 2023年6期

王林棟,吳寧,章亮

(中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所,北京 100081)

我國對鐵道車輛輪對動不平衡量有明確的限制,高速動車組的輪對動不平衡量不得超過50g·m[1]。目前,我國對輪對動不平衡的研究已經取得了一定成果,新造、檢修車輛時均會在試驗室內對輪對動不平衡進行檢測,相關的檢測設備、方法均比較規范且成熟[2-4]。這類方法采用試驗室內的動平衡機進行檢測,耗時耗力,且時效性差,并不適用于運營車輛的日常監測、診斷和檢修,不能及時發現問題也無法指導日常運營,不能滿足運營需求。

在我國新建鐵路聯調聯試和新研發動車組性能試驗中,均出現過輪對動不平衡問題,嚴重影響了試驗進度和效率。而這一問題在運營列車和運營線路中很少出現,在新建鐵路和試驗列車上偶有出現。

嚴重的輪對動不平衡危害較大。首先會引起軸箱、構架和車體垂向的異常振動,車體地板出現明顯的垂向高頻振動,并伴有嗡嗡的高頻振動噪聲,影響旅客正常休息;其次可能使得車輪踏面產生剝離、擦傷、踏面外形異常磨耗等故障,從而增大輪軌間激擾[4-5]。長時間的動不平衡,可能會引起轉向架、齒輪箱等部件的疲勞損壞[6-7]。

通過監測、診斷軸箱或車體的垂向振動加速度并分析數據,可以及時發現輪對的動不平衡。我國的多數動車組上已經裝有軸箱或車體垂向加速度傳感器,因此僅需要給出識別方法和評判標準,分析既有數據即可完成故障診斷。本文給出了識別方法和評判標準,并根據經驗對常見原因進行了分析,給出了切實可行的診斷和檢修方法。

1 特征分析

動不平衡會導致運行車輛的振動加大,振動特征明顯。因此本文分析了出現動不平衡后的車體、轉向架構架和軸箱振動加速度。車體、構架、軸箱垂向振動加速度和傅里葉變換后的頻譜圖如圖1～圖3所示,車體垂向平穩性如圖4所示,輪軌垂向力及傅里葉變換后頻譜圖如圖5所示。

圖1 車體垂向振動加速度和傅里葉變換后頻譜圖

圖2 構架垂向振動加速度及傅里葉變換后頻譜圖

圖3 軸箱垂向振動加速度和傅里葉變換后頻譜圖

圖4 車體垂向平穩性隨速度分布散點圖

圖5 輪軌垂向力和傅里葉變換后頻譜圖

綜上可知,當運行速度v為310 km/h時,車體垂向平穩性指數W出現了大于3.0的數值(等級為不合格),車體垂向振動加速度、構架垂向振動加速度、軸箱垂向振動加速度和輪軌垂向力均存在32.2 Hz的主頻。根據速度和主頻,計算振動波長λ=v/(3.6f)=310/(3.6×32.2)=2.67 m。實測車輛直徑D為0.85 m,計算得出車輪周長L=πD=3.14×0.85=2.67 m。顯然,振動波長與車輪周長相同。其他運行速度級下振動數據也具有此特征,這說明振動根源可能與輪對有關。經過檢測發現,此時輪對動不平衡超過了要求限值。經過處理后動不平衡數值符合要求,再次運行時車體垂向平穩性明顯改善,等級變為優秀。

分析動不平衡時其他動力學性能指標。輪軌垂向力、構架和軸箱垂向均受到動不平衡的影響,出現了與車體垂向相同頻率、相同波長的周期振動。因此可以從這些參數分析輪對動不平衡是否滿足要求。

2 成因分析

要從根源上解決輪對動不平衡,還需要分析成因,可以從信號特征、試驗過程、現場檢查結果3個方面進行分析:

(1) 信號特征分析。動不平衡引起的振動波長與車輪周長一致。

(2) 試驗過程分析,即分析發現動不平衡的過程。試驗在同一條線路上進行了多天。試驗人員發現,車體垂向平穩性指數W在試驗第1天是正常的(等級為優),隨著試驗進行,平穩性指數數值越來越大,這表明車體垂向平穩性越來越差,3天后等級變為不合格。同時試驗人員發現,線路上存在大量建設期間遺留的塵土,車輪的輻板和輪盤之間存在這種塵土。從第4天開始,車輛檢修部門對車輪進行了清塵,平穩性指數數值開始減小,這表明車體垂向平穩性越來越好,3天后等級恢復為優。車體垂向平穩性指數W隨時間的變化過程如圖6所示。

圖6 車體垂向平穩性指標W隨時間的變化過程

(3) 現場檢查結果分析。試驗人員會同檢修人員對車輛進行了全面檢查,發現在車輪輻板上明顯粘有塵土。

綜合分析,車輪輻板和輪裝制動盤之間累積的塵土是成因。塵土位于縫隙里無法脫落,當車輛制動時候塵土會變得不均勻從而導致輪對動不平衡。不平衡引起車輪的異常振動,并將振動傳遞到車體上使垂向平穩性變差。

3 故障診斷

研究車輛運行時輪對動不平衡診斷方法,可以監測輪對動不平衡狀態,指導車輛檢修。根據輪對動不平衡特征和成因,可以通過以下因素判別。

(1) 分析車輛上已有的車體垂向振動加速度或者軸箱垂向振動加速度,進行頻譜分析,得出主頻率f。結合車輛運行速度v,計算振動波長λ=v/(3.6f)。根據輪徑D計算車輪周長L=πD。判斷振動波長λ與車輪周長L是否相同。如果λ≈L,說明很有可能存在嚴重的輪對動不平衡;如果λ≠L,說明輪對動不平衡不嚴重。

這一方法不僅適用于塵土引起的動不平衡,也適用于其他原因,適用于所有車輛運行狀態下的識別。

(2) 觀察車輛的運行線路是否有大量的塵土。一般新建、多隧道線路上塵土較多。

(3) 觀察車輪輻板與輪裝制動盤之間是否有明顯的塵土。引起輪對動不平衡的塵土厚度一般達到毫米級。

這些因素緊密結合,互相印證。吻合因素越多,出現動不平衡的可能性越大。車輛振動越大,動不平衡越嚴重。

在裝有車體垂向加速度傳感器的情況下,可以通過車體垂向平穩性指數W評判動不平衡的大小。如果W數值大于3.0(等級為不合格),說明需要檢修處理。沒有傳感器的情況下可以通過觀察輪對進行判斷,如果有明顯塵土且厚度達到毫米級或者出現結塊,說明需要檢修處理。

4 檢修方法

根據經驗,運營車輛的輪對動不平衡最常見的成因是縫隙里累積了過多的塵土。對于這種情況,在動車所里即可完成檢修處理,故障診斷和檢修流程如圖7所示。詳細檢修流程分三步:

圖7 故障診斷和檢修流程圖

(1) 將車輛靜止停放,用高壓風槍將方便操作范圍內的車輪輻板與輪裝制動盤之間的塵土吹走。如果有軸盤,還需要將將方便操作范圍內的軸盤縫隙里的塵土吹走,同時要對所有車輪進行操作。

(2) 將清理過塵土的區域做標記,對所有車輪操作。一般情況下,因為遮擋、障礙等原因無法一次清理干凈,會遺留未清理的區域。

(3) 車輛低速前進,地面指揮人員與牽引司機保持溝通,直至未清理區域暴露出來。

重復進行這三步,直至全列車的所有輪對上的縫隙均清理干凈,觀察不到明顯塵土為止。根據經驗,一般每列車清理3～4次后可以實現360°全覆蓋,經過3天的清理可以完全消除動不平衡。具體效果可以通過振動傳感器動態監測車輛狀態來查看。

采用此方法能夠有效解決塵土引起的動不平衡。從圖6可知,第7天車體垂向平穩性恢復正常(等級為優),充分說明了此方法是有效的。多列動車組的驗證結果均表明此方法可行。根據檢修經驗,在檢修時應注意以下幾點:不能有任何遺漏區域,否則會導致更大的動不平衡;不能用水沖洗,因為塵土中可能含有水泥,水洗后容易形成隱藏在縫隙內部的結塊,導致清理難度加大。

5 結論