CRH3动车组横向加速度超限报警与轮对踏面外形尺寸的相关性分析研究

曾 旗， 丁阳春， 李邦伟， 李 斌

(广州铁路(集团)公司 广州动车段， 广东广州 510000)

CRH3动车组横向加速度超限报警与轮对踏面外形尺寸的相关性分析研究

曾 旗， 丁阳春， 李邦伟， 李 斌

(广州铁路(集团)公司 广州动车段， 广东广州 510000)

通过长期跟踪测量武广线上横向加速度超限(173D/173E)报警故障的CRH3动车组的轮对踏面外形尺寸，着重分析了横向加速度超限报警故障与S1002CN踏面外形各尺寸参数变化的相关性，提出了基于合理控制横向加速度超限报警故障的轮对旋修建议。

动车组； 踏面外形尺寸； 横向加速度； 相关性分析

轮对踏面外形尺寸是轮轨关系的关键因素之一，良好的踏面外形不仅能满足车辆动力学性能要求，还能降低轮轨间的磨耗，延长车轮的使用寿命，从而减少制造和维修成本[1]。理想的踏面外形是其磨损后的外形与原设计大体相同，轮对在运动过程中，应尽量保证踏面与钢轨一点接触，以减轻轮缘轨侧磨损；轮缘设计应保证足够的安全性，利于轮对通过曲线和运行稳定。因此，车轮的踏面形状对车轮的运行安全性、稳定性起着至关重要的作用。国内外学者、科研机构一直在不断研究、探索，试图找到一种满足高速列车动力学性能的最佳轮轨关系。但由于轮轨关系的复杂性及动力学性能研究受太多外界条件限制，多数研究都只能停留在函数建模、仿真计算或者是纯理论分析上，缺乏实践应用的验证。

目前国内CRH3系列高速列车分别采用了LMA、S1002 CN、XP55等3种踏面。就(武汉—广州)武广线而言，CRH3动车组车轮采用了S1002CN型踏面，在运行前期，CRH3动车组频繁出现了横向加速度超限(173D/173E)报警故障，致使动车组运行速度自动降至200 km/h以下甚至自停车，对武广线的运行秩序造成严重影响。为此，本文试图通过对CRH3动车组实际运行过程中报警车组的统计分析，对报警车组的轮对进行长期跟踪测量，研究CRH3动车组轮对踏面外形尺寸变化与CRH3动车组横向加速度报警故障的相关规律性。

1 CRH3动车组横向加速度超限报警故障的专项调查研究

1.1 对横向加速度检测系统的检查

2010年6月以来，武广线运营中的CRH3动车组频频报出故障。6月由克诺尔公司对报出故障的横向加速度传感器全部更换后对横向加速度检测系统进行检查，确定横向加速度检测系统无故障。更换下的传感器返回克诺尔公司进行振动测试，克诺尔公司7月初返回的测试结果显示其横向加速度传感器功能正常，从而排除动车组横向加速度检测系统本身故障。

1.2 对报警车组进行的初步统计分析

调取(广州南动车所，简称：广南所)数据显示：广南所共有CRH3动车组51组，有40组在3个半月内发生过横向加速度超限报警故障，占总数78.4%(具体统计见图1)。因此，可以排除横向加速度超限报警故障为个别车组的偶然因素造成。

从统计的报警车组信息可知：3030、3040、3042、3046、3048这5组车组故障频次较高。查询该5组车组的检修记录可知：3030车组10月12日在广南所完成全列旋修，3040车组11月16日在广南所完成全列旋修，3042车组10月7日在长沙所完成全列旋修，3046车组11月14日在广南所完成全列旋修，3048车组10月10日在广南所完成全列旋修。从图2可以看出，轮对踏面旋修能够改善横向加速度超限报警故障，因此我们对轮对踏面外形作进一步研究。

1.3 对报警车辆轮对踏面外形尺寸的跟踪测量分析

为此广州动车段成立CRH3动车组轮对踏面外形尺寸测量分析小组，针对横向加速度超限报警故障开展专项调查研究。测量分析小组经过半年多的时间，做了如下工作：

(1)对大部分横向加速度超限报警的动车组，在入库检修时安排轮对踏面外形尺寸测量，积累原始数据。从9月25日起至11月底，共完成55个车，440组踏面数据的测量工作。

图1 各车组横向加速度报警故障次数统计

图2 报警频次较高的5组车各月报警总数

(2)根据8、9月份的故障频次，选择报警频次较多的3034车、3040车、3042车3组动车组和报警频次极少的3039车、3049车两组动车组。另外选择新投入运行的3064车、3076车两组动车组，分别按2万km测量一次，对轮对踏面外形尺寸以及等效锥度进行跟踪测量，对比研究其轮对踏面外形尺寸及踏面等效锥度随动车组轮对旋修后走行里程的变化规律。截至2011年2月，测量小组共完成70次全列测量，得到4 480组轮对踏面外形尺寸数据。

2 轮对踏面外形尺寸变化与横向加速度超限报警的相关性分析

根据测量小组几个月来的测量数据，得到横向加速度超限报警时的旋修后走行里程与轮对踏面外形尺寸(轮缘高、轮缘厚、同轴轮径差、同架轮径差、QR值、踏面磨耗、凹陷、等效锥度、轮缘角)之间一系列离散的点，我们可以对这些离散的点进行多元回归分析，求解多元线性回归方程，以建立横向加速度报警时的旋修后走行里程与轮对踏面外形尺寸变化之间的线性关系。

2.1 回归分析参数的选择

(1)等效锥度。许多研究表明，等效锥度是影响车辆动力学性能的重要因素[2]。

(2)同轴轮径差。从等效锥度的定义可清楚看出，同轴轮径差的影响程度。轮对出现轮径差，轮对势必向轮径小的一侧移动，使轮对偏移轨道中心线。轮轴管理中，对同轴轮径差也有严格的控制。

(3)同架反向轮径差。沈茂儒等研究表明[3]，所有轮径差都会影响行车安全性，随着轮径差的增大，车辆运行安全性指标逐渐变差。由于反向轮径差引起轮对的冲角比同向轮径差大，轮轨横向作用力也随之增大，加剧轮轨之间磨耗，故同架反向轮径差较同向轮径差的危害影响要大。所以，我们选取同一转向架的反向轮径差作为因素之一，而不是简单的同架轮径差。

(4)踏面磨耗。虽然我们的研究已经知道CRH3动车组轮对踏面运行磨耗较小，每运行10万 km踏面磨耗大约只有0.35 mm，但高速动车组轮对踏面磨耗之后，各动力学性能会不同程度下降，临界速度的降低比较明显，动车组的平稳性变差，有时甚至会产生短暂的晃动。因此，踏面磨耗也需列入考察范围。

(5)踏面凹陷。西南交通大学牵引动力国家重点实验室的研究人员最近提出，凹形的踏面使轮轨接触点存在多个平衡位置，车辆运行过程中轮轨接触点在几个平衡位置间跳跃造成轮缘到假轮缘的冲击振动，影响车辆的运行性能[4-5]。因此，有必要将踏面凹陷纳入考察范围。

(6)轮对内侧距。我国轮对内侧距标准规定为1 353 mm，与欧洲标准1 360 mm有差别。多个研究表明无论在直线轨道和曲线轨道上，各种车速下，随着内侧距的增加，踏面磨耗深度将增大，磨耗位置向轮缘侧移动。但运行中轮对内侧距在动车组出厂时已经定型，不会有任何变化，故不将其列入考察范围。

(7)QR值。为简化自变量的个数，减少不必要的计算，我们先分析轮对踏面外形尺寸参数之间的关系。武广线属于无砟轨道，其博格板是钢筋混凝土预制件，作为钢轨承载台，并且具有高平顺等优点，CRH3动车组的轮对轮缘基本没有磨耗，而且QR值在一定程度上能反映出轮缘高和轮缘厚的关系，因此其轮缘高、轮缘厚、轮缘角3个因素不列入考察范围(如图3)。

图3 轮对踏面外形尺寸

因此，最终列入考察的参数有：QR值，轮对磨耗、轮对凹陷、等效锥度、轮径差。

2.2 各参数的相关性分析

通过对测量的数据进行统计分析，可以看出这些参数与横向加速度报警时的旋修后走行里程之间存在一定关系。

图4 QR平均值与标准QR值之差随旋修后走行里程的变化规律

图5 QR值与标准QR值之差与故障分布关系

(1)从图4，图5可以看出：故障主要集中在QR变化值为0.45～0.65区间内，对应旋修后走行里程为13～20万km。QR标准值为9.9，当降低0.4以后，横向加速度超限报警故障发生的几率呈上升趋势。

(2)从图6知：轮对磨耗与凹陷值没有明显的特征。

图6 轮对磨耗与凹陷随旋修后走行里程的变化规律

图7 轮对等效锥度与旋修后走行里程的变化规律

图8 等效锥度范围与故障分布关系

(3)从图7，图8可知：横向加速度超限报警故障主要集中在等效锥度0.3～0.4区间内，对应旋修后走行里程为13～20万km，等效锥度值在大于0.25时，故障几率成上升趋势，当等效锥度接近0.35时，故障几率最高。

设横向加速度超限报警时的旋修后走行里程为因变量y，自变量前轮QR变化平均值、后轮QR变化平均值、前轮磨耗平均值、后轮磨耗平均值、前轮凹陷平均值、后轮凹陷平均值、前轮等效锥度、后轮等效锥度、前轴轮径差、后轴轮径差、同架对角轮径差分别设为x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10，x11。我们必须先搞清楚每一个自变量对y的线性影响是否都是重要的。通过剔除对那些次要的、影响不显著的自变量，再建立只包含显著变量的回归方程，以便于更好地进行后面的预测与控制。

利用Excel加载宏工具[6]能够快速计算出各自变量与因变量之间的相关系数r，结果如表1。

表1 各自变量与因变量之间的相关系数

|r|越接近于1，说明y与xi的相关程度越密切；|r|越接近于0，说明y与xi的相关程度越小。因此，可以剔除前后轴的踏面凹陷和前轴的同轴轮径差和同架反向轮径差等4个参数，不再加与考虑。

2.3 求解多元回归方程及显著性检验

重新设定自变量前轮QR变化平均值、后轮；QR变化平均值、前轮磨耗平均值、后轮磨耗平均值、前轮等效锥度、后轮等效锥度、后轴轮径差分别设为u1，u2，u3，u4，u5，u6，u7，旋修后走行里程设为因变量y。

设回归方程为：

y=b0+b1u1+b2u2+b3u3+b4u4+

b5u5+b6u6+b7u7

同样，利用Excel加载宏工具能够快速计算出自变量的系数如下表2。

表2 各自变量系数

则，回归方程为：

y=21.205 7+0.257 2u1-12.062 2u2+0.152 3u3-41.615u4-7.211 7u5-9.303 5u6-0.926 5u7

此方程说明，系数是负值的因素，会限制轮对旋修后走行里程；同时后轴的QR值和踏面磨耗的变化比对横向加速度超限报警反映灵敏。而前、后轴的等效锥度数值变化比对横向加速度超限报警贡献基本相同。踏面磨耗(单位：0.01 mm)因数值变化微小，故其系数大；而轮径差(单位：1 mm)数值变化大，故其系数小。各参数的系数反映了其增量一个单位对横向加速度超限报警的影响程度。

2.4 回归方程显著性检验：

计算得，F=6.845 03

若给定显著性水平α=0.05，查F分布分位数表，得F(1-0.05)(7，28)=2.36。F≥F(1-0.05)(7，28)，则可以认为上述线性回归方程在α=0.05水平下有显著意义。

3 CRH3动车组横向加速度报警预测

通过上面对踏面外形变化研究，可以看出横向加速度报警并非取决于单一某个值的变化，而是受多个因素共同作用的结果，只不过QR值、踏面等效锥度、踏面磨耗、后轴轮径差等因素对横向加速度超限报警影响起到比较显著的影响而已。因此，我们需要进一步探讨求证，QR值、踏面等效锥度、踏面磨耗、后轴轮径差这些值在达到一定数值时，动车组横向加速度出现超限报警的旋修后走行里程会处于什么范围。

根据大量测量统计，一般取QR值=0.45，踏面磨耗=0.35，等效锥度=0.35，后轴轮径差=1.25。且取95%的置信度，即α=0.05。

由于我们的测量数据n=36较大，而且各自变量因素取值接近于平均值，可以认为y的预测区间近似地为

则在QR=0.45，踏面磨耗=0.35，等效锥度=0.35，后轴轮径差=1.25的情况下，横向加速度超限报警时的旋修后累计公里数的区间范围为(14.5242，18.731 8)。

也就是说，在武广线上运行的CRH3动车组在轨道、区间、环境气候等最不利外界条件都不改变的情况下，其最佳的旋修公里数应为(16.5±2)万km。

4 结 论

(1) 轮对踏面外形尺寸是轮轨关系中最重要的部分，通过轮对踏面外形尺寸变化(轮径、踏面磨耗、轮缘高、轮缘厚、QR值、等效锥度)与173D/173E之间的相关性分析，可以得出踏面等效锥度、踏面磨耗、QR值变化、后轴轮径差等对横向加速度超限报警影响比较显著。

(2) 在不考虑轨道、区间、环境气候等外界条件影响的情况下，武广线上运行的CRH3动车组其最佳的旋修公里数应为16.5±2万km。

[1] 罗 仁，曾 京，邬平波，等. 高速列车轮轨参数对车轮踏面磨耗的影响[J].交通运输工程学报 2009,(6):47-52.

[2] 张 剑，金学松，孙丽萍，等. 基于CRH5型高速动车组车辆轮对的动态特性与等效锥度关系初探[J]. 铁道学报，2010，32(3):20-27.

[3] 沈茂儒，张卫华，曾 京，等. 轮径差对行车安全性的影响[J]. 交通运输工程学报，2008，8(5):19-22.

[4] 黄运华，李 芾，傅茂海，等. 踏面形状对地铁车辆动力学性能的影响[J]. 机车电传动，2007(1)：39-41.

[5] 朴明伟，樊令举，梁树林，等. 基于轮轨匹配的车辆横向稳定性分析[J]. 机械工程学报，2008,44(3)22-28.

[6] Excel Home. Excel 2007 实战技巧精粹[M].北京：人民邮电出版社，2010.

Analysis and Research of the Correlation Between the Alarm Due to the Overrun of the Lateral Acceleration and the Shape of Wheel Tread for CRH3EMU

ZENGQi,DINGYangchun,LIBangwei,LIBin

( Multiple Depot of Guangzhou, Guangzhou Railway (Group) Corporation, Guangzhou 510000 Guangdong, China)

In this article, through long-term follow-up measurement of the parameters of wheel tread for CRH3EMU which has the alarm problem resulted in the overrun of the lateral acceleration and was operating in Wuhan Guangzhou line. Analysing emphatically the correlation between the alarm due to the overrun of the lateral acceleration and the change of the parameter of the S1002CN wheel tread. Offering a proposal on wheelset lathing based on reasonable control the problem of the overrun of lateral acceleration.

EMU; wheel tread; lateral acceleration; correlation analysis

1008-7842 (2015) 06-0115-05

男，高级工程师(

2015-05-05)

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.30