基于同一转向架历史对比与同一列车横向对比的转向架状态监测

戴 津,刘 峰,董孝卿,张瑞芳,申宇燕,赵玉其

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081)

近年来,我国大力发展高速铁路客运事业,铁路客运具有速度快,运输量大,成本低等诸多特点,是我国交通运输中的支柱性产业。随着旅客列车提速的范围越来越大,运行速度越来越高,铁路客运中的行车安全问题也更为突出。

转向架系统是列车最重要部件之一,转向架状态监测一直是客车行车安全监测系统中的重点监测对象,对保障旅客列车行车安全具有重要意义。转向架的内部结构与列车运行环境的多样性造成了其动力学系统振动情况复杂,难以用同一标准的参数限定值来判断其性能好坏。转向架性能出现问题往往有一个渐变的过程,在列车多次运行过程中,转向架性能逐渐恶化。这里介绍在客车行车安全系统平台下,对转向架性能采用整列车横向对比和单车历史对比的方式,直观有效的分析了转向架运行的振动情况和性能的变化趋势,为车辆维修管理提供指导,保证提速客车的运行安全。

1 系统概述

1.1 概述

客车行车安全监测诊断系统是在旅客列车运行过程中,对危害行车安全的主要因素进行实时监控诊断,数据记录,集中显示和存储,将监测信息实时发送至地面,运行过程数据下载导入地面数据库,实现客车运行的信息化监测。客车行车安全监测系统由车载安全监测系统和地面专家诊断系统组成。

地面专家诊断系统是将列车运行的过程数据导入地面数据库,统计车辆运行的全程数据,进行二次特征抽取,同时根据车载系统的实时报警,对车辆动态性能进行综合评判,根据诊断结果对重点关注车辆报警提示,并给出维修参考建议。

1.2 转向架状态监测过程

转向架状态监测框图如图1所示。

图1 转向架状态监测过程

2 功能描述与原理

2.1 系统功能

客车行车安全转向架监测系统所要解决的问题主要有轮对状态监测、构架横向稳定性监测、空气弹簧等二系悬挂性能监测等。

根据主要监测对象,地面专家系统转向架节点的主要功能有:

全程统计功能。提供所有编组车辆的参数对比,超出阈值的车辆为重点关注车辆。

速度统计功能。提供所有编组车辆在不同速度下的性能对比,可分析在不同速度下车辆的性能。

实时数据显示。提供所有编组车辆的实时曲线,可回放任何运行时刻的实时数据。

历史日期对比功能。提供同一辆车随日期性能变化曲线,可研究车辆随时间的变化趋势。

系统提取的转向架主要振动特征统计量包括:车体横向、垂向特征值,构架横向、垂向特征值,车辆横向、垂向平稳性统计值,车体垂向高频、低频统计值,构架横向低频统计值等。

2.2 转向架参数

转向架结构分为以下几个部分:

轮对轴箱装置。轴箱与轴承装置联系构架和轮对,约束轮对相对运动的轮对定位也称轴箱定位。

弹性悬挂装置。轮对与构架之间的轴箱悬挂装置(一系悬挂),构架与车体之间的摇枕(中央)悬挂装置(二系悬挂),弹性悬挂装置包括弹簧装置、减振装置、定位装置等。

构架或侧架。构架是转向架的基础。

基础制动装置。传递和放大制动缸的制动力。

转向架支承车体的装置。分为心盘集中承载、非心盘集中承载和心盘部分承载。

25T型客车转向架主要有3种:CW-200K型,SW-220K型,AM96型。

转向架的技术参数有:(1)构造速度(km/h);(2)轴重(t);(3)自重(t);(4)固定轴距(mm);(5)轮径(mm);(6)轴径中心距(mm);(7)旁承间距(mm);(8)中央弹簧横向间距(mm);(9)轴箱弹簧横向间距(mm);(10)制动倍率;(11)一系垂向刚度(kN/m);(12)一系定位刚度(kN/m);(13)一系垂向阻尼(kN◦s/m);(14)二系垂向刚度(kN/m);(15)二系横向刚度(kN/m);(16)二系垂向阻尼(kN◦s/m);(17)二系横向阻尼(kN◦s/m);(18)车辆连挂时、单车调车时通过最小曲线半径(m)。

轮对静动平衡检修要求:车轮压装在车轴以前须进行静平衡试验。车轮的剩余静不平衡量应符合以下规定的许用静不平衡量。当构造速度200≥v≥120 km/h时,车轮许用静不平衡量应≤75 g◦m;v＞200 km/h时,车轮许用静不平衡量应≤50 g◦m。车轮踏面及轮缘加修后,须进行动平衡试验,轮对残余不平衡值≤50 g◦m。超过时须用减重法进行校正。

2.3 评判规则

转向架具有复杂的动力学系统结构,各型转向架在结构上有差异,其振动性能表现也有不同,此外列车运行线路与环境对转向架振动状态有一定的影响,当不同型号转向架混合编组运行时,这种差异更为明显,使得系统很难仅用同一标准的参数阈值来判断转向架性能是否恶化。转向架性能出现问题往往有一个渐变的过程,是随着列车运行时间逐渐显露出来。针对此情况,转向架状态地面诊断主要采用相对评判和绝对评判两种方法来对转向架性能进行综合评测诊断。

绝对评判原理:根据已有的标准,转向架动态性能部分参数已明确具有绝对的边界值,对于此类特征值采用绝对评判的原则来判定。

相对评判原理:对于边界值难以界定的动态性能统计特征值,采取相对评判的原则,对同一列车各个转向架特征值进行比较,对同一转向架特征值历史数据进行比较,评判出动力学性能较差者。

3 转向架状态监测实际运用

3.1 111135车轮对动不平衡超差

111135车在运行过程出现振动异常,垂向振动剧烈,地面转向架监测专家系统报告该车辆垂向平稳性超标,与整列车其他车辆相比该车明显平稳性值偏大(图2)。

图2 111135车与同列其他车辆垂向平稳性值对比直方图

图2中横坐标为整列车的各个车辆,纵坐标为车辆垂向平稳性值,蓝色、绿色直方图分别表示车辆转向架的一端二端。可看出整列车横向比较111135客车的车辆垂向平稳性一端和二端值都大于其他车辆,并且超出正常参考阈值范围。该车为软座车,是在A2修更换轮对之后又投入使用的,投入使用后即出现了垂向振动异常的情况,几次运行途中均有明显振感。车辆段针对此情况更换了该车前后转向架的4个轮对。更换轮对后的111135车运行情况良好,垂向平稳性指标恢复正常(图3、图4)。

图3 111135车更换轮对后垂向平稳性值历史对比直方图

图4 111135车体垂向振动量历史对比直方图

图3、图4中横坐标为列车运行的日期,纵坐标为车辆垂向平稳性值和车体垂向振动值,从111135车的历史对比图中可看出,该车的车辆垂向平稳性和车体垂向振动值在更换轮对前后有了较大的变化。更换前的振动值较大,振动剧烈,更换后的振动值明显降低,恢复正常水平。

图5、图6中横坐标为列车运行的速度,纵坐标为车体垂向平稳性值和车体垂向低频振动标准差值,这里看到111135车速度在小于100 km/h时,振动情况差别不是很大,当速度超过100 km/h时振动明显加剧,二位转向架的低频垂向振动量标准差在更换轮对后得到了很大的改善,而一位转向架则变化不大,因此认为低频振动是造成二位转向架振动性能恶化的重要原因。

图5 111135车辆垂向平稳性历史对比图

图6 111135车体垂向低频振动标准差历史对比图

车辆段对更换下的4个轮对进行了详细的测试,发现其中位于三位轴的轮对轮径偏差大于1 mm,超过了0.66 mm的段修标准,后查明是该车A2修时旋削轮对的车床顶针偏离了正确位置,而造成了轮对的动不平衡超差。

3.2 554028车垂向减振器漏油

地面系统报警554028车构架横向、垂向振动关注。从该车的振动量历史对比图 7、图 8中可以看到,554028车构架横向、垂向振动量在运行过程中有逐渐变大、性能恶化的趋势。

图7 554028构架横向振动量日期对比直方图

图8 554028构架垂向振动量历史对比直方图

车辆段对554028车进行了检修,发现3、5位垂向减振器漏油,车辆段更换了该车的3、5位垂向减振器和2、3位轮对。更换后的554028构架横向和垂向振动量明显下降,恢复到正常水平。

4 结束语

在客车安全监测系统地面专家系统平台下,通过对整列车转向架振动情况的横向对比和同一转向架运行数据的历史对比,能更清晰的发现某个转向架是否出现振动异常情况,是否具有性能变差趋势,有效诊断监测转向架潜在的或已经发生的故障,帮助指导车辆检修维护工作,对保障提速旅客列车的行车安全具有积极意义。

[1] 严隽耄.车辆工程[M].北京:中国铁道出版社,2005:28-92.

[2] 陈朝发,刘 峰,等.客车行车安全监测诊断系统研究[J].铁道机车车辆,2003(S2):53-56,71.

[3] 中华人民共和国铁道部.25T型客车检修规程[M].北京:中国铁道出版社,2006:92-110.