（机械工程专业论文）基于数据库的高速动车组车轮磨耗跟踪研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：最高运营速度达3 5 0 k m h 的京津城际高速铁路的开通是中国铁路史上又一 座里程碑，同时也是世界铁路史上的首创。如此高的运营速度必然会产生许多新 的研究课题，车辆持续高速运营下的磨耗问题就是其中的一个重要方向。随着车 辆运行里程的增长，车轮磨耗不断加剧，因此制定出适合我国高速动车组轮轨匹 配特点的车轮镟修周期就显得尤为迫切，它关系到车辆运营的安全性，乘坐的舒 适性以及车辆运用的经济性。 本论文以京津城际铁路c r h 3 型高速动车组为研究对象，对车辆的动力学性 能和车轮外形进行长期跟踪测试，并建立数据库系统对测试数据进行统计分析。 基于数据库对车辆横向稳定性，运行品质，平稳性指标及车轮外形磨耗情况进行 计算分析，研究不同运行里程下车轮磨耗的变化规律及对车辆动力学性能的影响。 利用a d a m s r a i l 软件建立车辆系统模型，其动力学参数设置与c r h 3 型动车组 一致，车轮外形采用跟踪试验实测的数据，通过仿真与试验结果进行对比分析， 并对试验不易采集的脱轨系数、轮重减载率等稳定性指标进行仿真计算。结合试 验数据的计算和仿真软件的应用，研究车轮磨耗对等效锥度的影响，并计算出不 同磨耗程度和不同等效锥度下车辆的临界速度。综合对比试验和仿真结果，进而 提出京津城际高速铁路c r h 3 型动车组的车轮镟修周期，以指导维修。 关键词：动车组车轮磨耗；数据库；车辆动力学；等效锥度；镟修周期 分类号：u 2 7 1 9 1 a b s t r a c t a bs t r a c t t h e h i g h - s p e e db e i j i n g - t i a n j i ni n t e r c i t yr a i l w a yo p e n i n g w h i c hm a x i m u m o p e r a t i n gs p e e di s3 5 0 k m hi sn o to n l ya n o t h e rm i l e s t o n ei nt h eh i s t o r yo fc h i n e s e r a i l w a y , b u ta l s ot h ei n i t i a t i o no ft h ew o r l d sr a i l w a yh i s t o r y s u c hah i g ho p e r a t i n g s p e e dw i l ll e a dt om a n yn e wr e s e a r c ht o p i c s ，t h ew e a rp r o b l e mo fv e h i c l es u s t a i n e dt o o p e r a t eu n d e rh i g h s p e e d i so n eo ft h ei m p o r t a n td i r e c t i o n w i t ht h eg r o w t ho f o p e r a t i o n a lm i l e a g e ，w h e e lw e a ri sg r o w i n g ，t h e r e f o r et ow o r ko u tt h ew h e e l s e tc u t t i n g r e p a i rc y c l ew h i c hi s s u i t a b l ef o r t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h i n a sh i g h s p e e de m u ( e l e c t r i cm u l t i p l eu n i t ) w h e e l r a i lm a t c h i n gi sp a r t i c u l a r l yu r g e n t i ti sr e l a t e dt o v e h i c l eo p e r a t i n gs a f e t y , r i d i n gc o m f o r ta n du s i n ge c o n o m i c i nt h i st h e s i s ，c r h 3h i g h s p e e de m ui nb e i j i n g t i a n j i ni n t e r c i t yr a i l w a yi sc h o s e n a st h er e s e a r c ho b je c t d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fv e h i c l ea n dw h e e lp r o f i l ei st r a c k i n g t e s t e di nal o n g t e r m ，a n dd a t a b a s es y s t e mi se s t a b l i s h e df o rs t a t i s t i c a la n a l y s i so ft e s t d a t a t a k ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so nt h ev e h i c l e sl a t e r a ls t a b i l i t y , r u n n i n gq u a l i t y , s t a b i l i t yi n d i c e sa n dw e a ro ft h ew h e e ls h a p eo nt h eb a s eo fd a t a b a s e ，w h i c hi st o r e s e a r c ht h ev a r i a t i o nr u l e so f w h e e lw e a ru n d e rt h ed i f f e r e n tr u n n i n gm i l e a g ea n dt h e i n f l u e n c eo nv e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c e v e h i c l es y s t e md y n a m i cm o d e li sb u i l t u s i n ga d a m s r a i ls o f t w a r e ，t h ed y n a m i cp a r a m e t e r sa st h es a m eo fc r h 3e m u ，t h e w h e e lp r o f i l em o d e lu s i n gt h ed a t ef r o mt r a c k i n gt e s t ，a n dt h es i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t s a r ec o m p a r e d u s i n gt h es o f t w a r et os i m u l a t et h es t a b i l i t yi n d i c e ss u c ha sd e r a i l m e n t q u o t i e n ta n dw h e e lu n l o a d i n gr a t ew h i c ht h et e s ti sd i f f i c u l tt oo b t a i n c o m b i n i n gt h e c a l c u l a t i o no ft h et e s td a t aa n dt h es i m u l a t i o n , t or e s e a r c ht h ew h e e lw e a ro nt h ei m p a c t o ft h ee q u i v a l e n tc o n i c i t ya n dc a l c u l a t et h ec r i t i c a ls p e e do fv e h i c l eu n d e rd i f f e r e n tw e a r l e v e l sa n de q u i v a l e n tc o n i c i t y c o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o nt h et e s ta n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，t h e np u tf o r w a r dt h ew h e e l s e tc u t t i n gr e p a i rc y c l eo fc r h 3e m ui nt h e l l i g h - s p e e db e i ji n g - t i a n ji ni n t e r c i t yr a i l w a y ，i no r d e rt og u i d es e r v i c eo fh i g h - s p e e d e m u k e y w o r d s ：e m uw h e e lw e a r ；d a t a b a s e ；v e h i c l ed y n a m i c s ；e q u i v a l e n tc o n i c i t y ； w h e e l s e tc u t t i n gr e p a i rc y c l e c l a s s n o ：u 2 7 1 9 1 v 致谢 本论文的工作是在我的导师杨飞副教授和校外导师董孝卿副研究员的悉心指 导下完成的。从论文的选题、试验方案设计、试验数据处理、建模仿真计算，直 到论文的撰写整个过程，都倾注了导师大量的心血。杨老师和董老师渊博的学识、 严谨的治学态度、认真负责的工作作风，使我受益匪浅。在与董老师共同工作和 学习的过程中，他不仅传授给我丰富的专业知识和工作技能，更重要的是从他的 身上我学到了踏实的工作作风和谦虚的学习态度，这将使我终生受益。在论文研 究过程中，杨老师经常询问工作进展的情况，并给予指导和建议，极大的促进了 研究工作的进展。两年来，杨老师不仅在科研工作方面给予我巨大的帮助，而且 在生活上给予我殷切的关怀。在论文完成之际，谨向杨老师和董老师致以崇高的 敬意和衷心的感谢。 另外，特别感谢铁道科学研究院机辆所车辆动力学组的全体成员。在铁科院 联合培养的一年中，我得到了机辆所各位领导、老师和同事的支持和帮助，他们 严谨的工作态度，吃苦耐劳、甘于奉献的精神以及良好的人际关系都给我留下了 深刻的印象，成为我今后学习的榜样。在建模和仿真计算过程中，文彬老师和王 林栋老师给予我热情的指导和帮助，并对论文的撰写提出了许多宝贵的意见，在 此向他们表示衷心的感谢。 感谢实验室的师兄师姐师弟师妹，感谢机电硕0 9 0 7 班全体同学，他们在学习、 生活等各方面都曾给予我极大的帮助和支持。在此向他们表示由衷的感谢和良好 的祝愿。 最后将最崇高的敬意献给我的父母和亲戚朋友，他们多年来对我的教育、关 心和支持，是我战胜困难、不断进步的精神支柱，使我能够在学校专心完成自己 的学业和论文。 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 交通运输业是一个国家的支柱产业，与人们的生活、生产息息相关。铁路作 为交通运输业的重要组成部分，既是社会经济发展的重要载体，同时又为社会经 济发展创造了前提条件。虽然我国铁路运营里程在总量上尚处于短缺状态，路网 结构对国土的覆盖性尚有较大的差距，但在各种运输方式组成的交通运输体系中， 铁路运输始终处于骨干地位，对国民经济发展起到了强有力的支持作用。 近半个世纪以来，运营速度2 0 0 k m h 以上的高速铁路建设在日本、法国、德 国等世界上多个国家取得了成功，快捷、方便、舒适的高速铁路不仅拉动了这些 国家社会经济的发展，而且丰富了铁路的内涵。进入2 1 世纪，相比公里、航空、 水运等交通运输方式，高速铁路因其具有输送能力大、速度快、安全性高、正点 率高、占用土地资源少、能耗低、环境污染小、全天候运行等特点，综合比较优 势明显，在交通运输体系中扮演的角色日益突出，成为世界铁路发展的潮流，也 是展现国家综合实力和发展水平的象征。 1 1 1 国内外高速铁路发展概况 在2 0 世纪七八十年代，高速铁路一般定义为最高速度2 0 0 k m h 以上的铁路运 输。2 0 世纪8 0 年代以后，随着欧洲各国( 法国、德国、西班牙、意大利等) 高速 铁路的兴起及高速技术的发展，高速列车的运行速度日渐提高。为此，欧洲联盟 于1 9 9 6 年9 月发布的互通运营指导文件( 9 6 0 0 4 8 e c ) 对高速铁路有了更确切的 规定：新建高速铁路运行速度2 5 0 k m h 及以上；既有线改造的高速铁路运行速度 2 0 0 k m h 以上。目前，全世界共有1 0 多个国家或地区建成并投入运营速度2 0 0 k m h 以上的高速铁路总长超过7 0 0 0 k m ，其中日本、法国和德国的里程分别约为2 3 0 0 k m ， 1 7 6 7 虹和1 0 0 0 k m 。 经过近半个世纪的发展，世界高速铁路技术逐渐形成以日本、法国、德国3 个技术原创国为代表、适合各自国情和发展状况的技术格局。日本、法国、德国3 国构建了各自独立、各具特点的高速铁路技术体系，分别建成了新干线、t g v 和 i c e 高速铁路系统，并且在实际运营中表现出良好的综合效益。 1 9 6 4 年，日本建成了世纪上第一条高速铁路，即连接东京至大阪的东海道新 北京交通大学专业硕士学位论文 干线。该线始建于1 9 5 9 年，全长5 1 5 4 k m ，最高运营速度2 1 0 k m h 。该线投入运 营后，把从东京到大阪的运行时间由原来的6 5 小时缩短到3 小时1 0 分钟，客运 市场占有份额迅速上升，日均运送旅客3 6 万人次，年运输量达1 2 亿人次，相当 于l o 条高速公路的运量，取得了预期的经济效益。这条专门用于客运的电气化、 标准规矩的双线铁路。代表了当时世界一流的高速铁路技术水平，并标志着世界 高速铁路由试验阶段跨入了商业运营阶段。 日本东海道新干线的成功影响了世界铁路的发展，使一度被人们认为已是夕 阳产业的铁路出现了生机，并显示出强大的生命力，激发了世界上其他国家修建 本国高速铁路的热情。从此，世界铁路高速化揭开了序幕。 法国在日本东海道新干线建成运营后迅速展开了高速铁路的建设，是欧洲最 先开始推进高速铁路建设的国家。1 9 8 1 年，建成并投入运营的法国t g v 巴黎东南 线是继日本新干线之后的世界第二条商业运行的高速铁路，其最高运营速度达到 了2 7 0 k m h 。在其后的2 0 年，t g v 一直保持传统轮轨交通领域的技术领先与速度 优势，并于2 0 0 7 年创造了目前最高的试验速度记录5 7 4 8 k m h 。 1 9 9 6 年欧盟各国的国有铁路公司经联合协商后，确定采用法国技术作为全欧 洲高速列车的技术标准。比利时、荷兰和英国也建成了基于t g v 技术、与法国铁 路相连的高速铁路。此外，t g v 技术还出口至韩国、美国和澳大利亚等国，是目 前被运用最广泛的高速轮轨技术。 继法国之后，1 9 8 6 年德国正式研发高速铁路，实施城际高速铁路i c e 计划， 于1 9 9 1 年建成了全长1 0 7 k m 的曼海姆至斯图加特和全长3 2 7 k m 的汉诺威至维尔 茨堡两条线路，其最高运营速度达到了2 8 0 k m h ，并在当时创造了时速4 0 6 9 k m 的 试验记录。德国的i c e 的服务范围除涵盖德国境内主要大城市外，还跨越比利时、 荷兰、瑞士、奥地利等邻近国家1 1 2 】。 长期以来，中国轨道运输一直处于缓慢发展的阶段，从1 9 9 7 年至2 0 0 4 年虽 然实施了五次大面积提速，但提速后仍然没有达到2 0 0 k m h 以上的速度。2 0 0 7 年， 通过引进、消化、吸收、再创新，具有自主知识产权的国产系列时速2 5 0 k m 和谐 号动车组批量下线，开行列车型号分别是c r h l 型、c r h 2 型、c r h 5 型，并成功 运用于铁路第六次大面积提速。 ( 1 ) 中国高速铁路路网规划 2 0 0 4 年1 月，国务院批准了中国铁路历史上第一个中长期铁路网规划，规 划到2 0 2 0 年将建成1 6 0 0 0 k m 时速2 5 0 k m 以上的高速铁路；建成京哈、京沪、京 广、沿海通道、沿江通道、沪昆通道、东陇海、青太等高速铁路构成“四纵四横 高速铁路网的基本构架，城际高速铁路覆盖环渤海、长三角和珠三角经济圈。建 成后其规模远远超过日本、法国、德国现有高速铁路的规模。 2 绪论 ( 2 ) 时速3 5 0 k m 的京津城际铁路 2 0 0 8 年8 月1 日，京津城际铁路投入运营，最高运营速度达到3 5 0 k m h ，创 造了世界铁路运营速度之最。京津城际铁路连接北京、天津两大直辖市，全长 1 2 0 k m ，其中8 7 为桥梁工程。京津城际铁路开行具有自主知识产权的时速3 5 0 k i n 的c r h 3 型和c r h 2 3 0 0 型和谐号动车组。 京津城际铁路是我国高速铁路建设的开端，是目前最高水平铁路技术的集成， 是我国自主设计、自主集成、自主施工的第一条最高运营速度3 5 0 k m h 等级的高 速铁路。京津城际铁路在高架桥梁线路设计、无砟轨道、无缝线路、列车运行控 制、节能环保、安全防灾和舒适性设计等方面取得了大量创新，并实现了成套装 备国产化，基本形成由高速列车、工务工程、牵引供电、运行控制、客运服务、 运营调度等子系统构成的中国高速铁路技术体系。京津城际铁路为我国高速铁路 的技术提升与创新奠定了基础，它的开通意味着中国高速铁路建设迈向一个新的 台阶，标志着我国高速铁路建设跨入世界先进领域【孓4 】。 1 1 2 课题来源 2 0 0 8 年8 月1 日最高运营时速达3 5 0 公里的京津城际铁路正式通车运营，随 后郑西客运专线，武广客运专线等多条高速客运专线相继建成通车。随着高速动 车组运营时间和运营里程的增加，大部分动车组运行状态正常，但部分动车组出 现如下现象：随着运行里程的增长出现轮缘磨耗加剧，踏面磨耗偏快现象；个别 动车组出现颤振和舒适性下降现象；个别车轮轮径差超标、踏面剥离现象等。此 外，如何在兼顾安全和经济性的前提下确定车轮镟修周期也是一个我国高速动车 组运用过程中面临的问题。 以上问题实质是高速动车组的轮轨关系问题，这也是铁路机车车辆所独有的 基础理论问题，是关系到动车组安全运行的关键问题。特别是高速列车，保证良 好的轮轨接触几何关系是保证运行安全和乘坐舒适性的基础。各国铁路行业的学 者都非常重视车轮型面问题的研究，并规定了相应的检测方法和镟轮周期以保证 列车运行的安全性和舒适性。本课题来源于铁道部科技发展重点项目。 1 2 国内外研究现状 车轮是车辆系统中最重要的部件之一，由于车轮在钢轨上滚动，因反复摩擦 必然会造成车轮的磨耗，是一种不可避免的自然磨耗。车轮磨耗会引起车轮外形 的改变，进而会影响轮轨接触几何关系，从而对车辆系统的动力学性能产生影响， 3 北京交通大学专业硕士学位论文 它的技术状态的好坏直接影响列车运行的安全性及运行的平稳性。各国对车轮磨 耗的处理方式普遍采用定期对车轮进行镟修，恢复车轮的基准型面，以改善车辆 系统动力学性能，保证车辆运行的安全性和舒适性【5 1 。 1 2 1 国外现状 镟修周期是维修制度的产物，它的制定是铁道车辆维修制度的重要组成部分。 国外维修制度的发展大致分为三个体系，即“事后维修 、“以预防为主一、和 “以可靠性为中心的维修思想1 6 - 7 】。2 0 世纪4 0 年代以前，由于技术和装备的落 后，装备维修一般采用“事后维修 ，在装备发生故障以后才进行维修保养，是一 种比较原始的维修思想。随着机械化程度的提高，到了2 0 世纪5 0 年代以后，为 了预防故障的产生，逐渐形成了“以预防为主 的维修思想，在这种思想指导下， 形成了以磨损理论为基础的“计划预防修的维修制度。计划预防修制的关键是 确定装备及其主要零部件的维修周期，合理划分维修等级及维修周期结构，制定 维修规程与规范。“以可靠性为中心”的维修思想及其维修制度是在“以预防为主 维修思想的基础上发展起来的。这种思想指导下所制定的维修制度是根据装备及 其零部件的可靠性状况，以最少的维修资源消耗，运用逻辑决断分析方法来确定 所需的维修内容、维修类型、维修间隔期和维修等级，制定出维修大纲，从而达 到优化维修的目的博j 。 尽管从2 0 世纪6 0 年代开始，技术装备的维修已广泛推行“以可靠性为中心” 的维修制度，但在机车车辆维修领域内，目前仍然采用“计划预防修”的大框架。 瑞典x 2 0 0 0 、德国i c e 、日本新干线和t g v 高速动车组均采用计划预防修制度， 对整车或大部件定时或定运行里程进行不同等级的维修l 乳1 0 1 。 日本是最早开通运营高速列车的国家，所以其运营经验更为丰富，对车轮磨 耗及车轮镟修的研究也更为深入。2 0 世纪9 0 年代，藤浞孝之等人【1 1 】对车轮镟修方 面进行了深入研究，提出了“计划镟修和“经济镟修 的概念。对车轮每4 次 定期检查后进行镟修，称之为“计划镟修 ，通过试验研究与原来采用的临时镟修 制度对比，镟削量和镟削费用大大减少。由于“计划镟修 和“临时镟修 都按 基准踏面进行镟修，所以存在为恢复基准踏面所需镟削量大、镟削次数多、镟削 时间长等缺点，在此基础上发展出“经济镟削 的概念，与之相对应的踏面外形 称为“经济踏面 ，可以使车轮镟削量在规程尺寸内尽可能少。采用“经济镟修 与“计划镟修 相比，车轮使用寿命由8 年延长到9 1 年，提高了经济性。 2 1 世纪初，o k u y a m am a s a k i 等人【1 2 】等人对日本j r 东海公司使用的不同型号 的高速动车组车轮踏面镟修的情况进行了研究，按照车轮踏面形状分为修正圆弧 4 绪论 踏面、圆弧踏面、c s 踏面3 种【1 3 1 。研究发现，车轮要车削至规定形状所需的最低 车削量存在如下关系：车削量( n 珊) 轮缘厚度磨耗量( m m ) 2 1 4 。对该公司 的普通运行主力车辆3 1 3 系列、特快运行主力车辆3 8 3 系列的车削周期及平均车 削量进行统计如表1 1 所示。 表1 - 1 车轮镟修周期 平均修轮周期 车种日行车公里 m 车厂r 车平均车削量值径 运行里程月数 8 6 0 k mm 厂r 1 2 万公里4 4 个月1 0 i l l n 3 8 3 系 4 5 0 k i nm 厂r 1 0 万公里7 4 个月 8i 砌 m1 2 万公里3 9 个月1 4 l n n l 3 1 3 系 1 0 2 0 k m t 2 0 万公里6 5 个月 61 i l l i l 由于车种、型式( m 车：动车；t 车：拖车) 及使用的制动装置等运行条件 的不同，平均车削量也不同。在东海道线上运行的3 1 3 系列m 车、t 车车轮使用 修轮周期之所以有较大的差异，是因为m 车使用踏面制动；t 车使用盘式制动， 且前者在高速区间频繁发生热裂纹。 此外，法国t g v 最高运营速度为3 0 0 k m h 的高速动车组车轮镟修周期定为3 5 万公里，德国i c e 运营速度为3 0 0 k m h 的高速动车组车轮镟修周期定为3 6 万公里， 日本新干线运营速度为2 7 0 k m h 的高速动车组车轮镟修周期定为2 0 万公里【1 4 1 。 1 2 2 国内现状 我国铁道车辆采用日常维修和定期检修相结合的检修制度。其中定期检修主 要分为段修和厂修，属于计划预防性维修。 我国对原有既有线低速客车规定在厂、段修时必须对车轮进行经济合理得镟 修，以恢复轮缘和踏面的外廓标准形状。车轮镟修标准为：凡车轮轮缘厚度不足 2 6 m m ，轮缘垂直磨耗、裂纹、缺损、辗堆；踏面缺损长度超过1 5 0 m m 或相对车 轮轮缘外侧至缺损处的距离不足1 5 0 8 r a m ；轮对内侧距离根据轮辋宽度小于最小内 距1 3 5 4 m m 或1 3 5 0 r a m ；车轮外侧辗宽超过5 m m 以及踏面上粘着熔化金属等均需 施行镟修。对于客车车轮踏面圆周磨耗，快车超过4 m m 、其他客车超过5 m m ；踏 面擦伤深度及局部凹下超过0 5 m m ；踏面剥离长度一处超过2 0 m m 、两处每处超过 1 0 m m ；同一车轮相互垂直的直径差超过0 5 m m ，及同一轴轮径差超过3 m m 等均 需实施镟修【l5 。 员华等人【1 6 】对地铁车辆轮对的等级镟修进行了研究。统计发现，地铁车辆轮 缘平均磨耗量为0 2 6 3 m m 万公里，踏面平均磨耗量为0 1 7 3 r a m 万公里。由车轮外 5 北京交通大学专业硕士学位论文 形尺寸计算可知，在保证恢复基准轮廓外形的前提下，轮缘镟掉l m m ，踏面直径 方向就要镟掉4 2 m m 。而实际运营中，轮缘磨耗速度大于踏面磨耗速度，所以轮 缘恢复基准外形会造成踏面车削量加大，减少轮对使用寿命。对此，他们提出车 轮镟修按轮缘厚度可分为三个等级，分别为3 2 m m ( 基准尺寸) 、3 0 m m 、2 8 m r n ， 若按2 8 m m 等级镟修可以延长运营里程3 1 5 万公里，并且3 个架修期就可以减少 一次换轮，经济性显著。对采用等级镟修前后的车辆进行了在线动力学试验，测 试参数有脱轨系数，轮重减载率，轴箱、构架、车体振动加速度和车体平稳性。 对试验结果进行对比分析发现，实施等级镟修后，脱轨系数、轮重减载率指标略 有增大，但距离限定值还有一定裕量；构架横向、垂向加速度，轴箱横向、垂向 加速度，车体平稳性等指标等级镟修前后基本相当，说明采用等级镟修对地铁车 辆运行安全性和舒适性基本没有影响【1 1 卜l s l 。 2 0 0 7 年郑州铁路局对既有线时速2 5 0 公里的c r h 2 型动车组实施了首次轮对 镟修作业。镟修时动车组运行里程达到2 0 万公里，采用“不落轮 的镟修方式【1 9 1 ( 普通列车通常将轮对从车辆转向架分离后进行镟修) 。 目前，我国高速铁路正处于跨越式发展的时期，时速3 5 0 公里的高速客运专 线相继开通运营，运营速度创造了世界之最，但是我国高铁还处于起步阶段，相 关的运营经验还不足，且国外的经验并不适合我国高速铁路的发展状况。实际运 营过程中，不同线路及不同车型的车轮磨耗速度不尽相同，且表现出不同的动力 学性能，所以我国高速动车组并没有统一的车轮镟修周期，需要对不同线路和不 同车型进行研究，进而分别制定出镟修周期。 1 3 研究目的 我国的高速铁路事业呈现出跨越式大发展的特点，运营速度达3 5 0 k m h 的京 津城际高速铁路的开通更是世界铁路史上的首创，但是我国发展高速铁路的经验 还不够丰富，高速铁路在我国的运营还属于起步阶段，特别是时速达3 5 0 公里的 高速动车组，列车的设计和线路条件与国外有很大的差别，如此高的运营速度必 然会产生许多新的研究课题，车辆持续高速运营下的磨耗问题就是其中的一个重 要方向。 随着运营时间和运营里程的增长，高速动车组相比普通列车车轮磨耗速度加 快，车轮镟修的时间大大提前，从而增加了车辆的运营成本，此外个别动车组还 伴随轮径差超标、车轮缺陷等现象的产生，这些都会对车辆运行的安全性和舒适 性造成影响。为此有必要通过对高速客运专线和既有线高速列车车轮型面的变化 规律进行跟踪研究，分析高速动车组车轮磨耗对车辆系统动力学性能的影响，确 6 绪论 定安全舒适且经济合理的车轮踏面镟修周期，以保证列车有合理的临界运行速度 和良好的乘坐舒适性。在保证车辆系统运行安全性和乘坐舒适性的前提下，最大 限度提高轮对的使用寿命，减少运用单位的维修费用，并为京沪高速铁路的开通 运营提供数据积累，具有很大的社会效益和经济效益。 通过对高速动车组磨耗的跟踪研究，积累了大量的经验，包括研究技术路线 的确定，后期数据处理的方法，为下一步研究如何降低高速动车组运用过程中车 轮磨耗的速度和程度，进而对我国高速列车轮轨几何型面优化进行深入研究，寻 找到适合我国高速动车组轮轨匹配特点的踏面外形奠定了基础。 1 4 研究内容 本论文采用跟踪运营车辆的方法对京津城际高速铁路动车组的车轮型面以及 运行时的动力学性能进行跟踪测试，对试验采集到的大量数据进行分类汇总并建 立数据库系统，包括振动性能数据库和车轮外形数据库。通过对试验数据的处理 分析，结合仿真计算等技术手段研究车辆运用中的车轮外形变化规律；分析京津 城际客运专线c r h 3 型动车组车轮磨耗对车辆系统动力学性能的影响，进而确定 安全舒适且经济合理的车轮型面镟修周期，以保证车辆合理的临界运行速度和良 好的乘坐舒适性；探讨我国京津客运专线动车组车轮型面与京津客运专线轨道的 匹配性【2 0 】。 论文的工作内容包括以下几个方面： ( 1 ) 以京津线某c r h 3 型高速动车组作为长期跟踪对象，对其8 号车进行了 1 0 次动力学性能跟踪测试试验，进行了9 次车轮外形跟踪测试，跟踪走行里程从 2 1 2 万公里至4 2 5 万公里。对试验实测所得的大量数据进行分类汇总，分别建立 振动性能和车轮外形数据库。 ( 2 ) 对试验数据进行计算处理，分析车辆横向稳定性、运行品质、平稳性随 运行里程的演变规律。通过对车轮踏面和车轮轮缘磨耗的研究，寻找车轮外形随 运行里程的磨耗规律。运用m a t l a b 和a d a m s 对踏面数据进行计算和拟合，得到 轮对的等效锥度的变化规律。 ( 3 ) 运用a d a m s r a i l 软件建立不同走行里程所对应的车辆模型，对其动力 学性能进行仿真计算，包括构架、车体加速度，脱轨系数、轮重减载率，临界速 度等指标，分析车轮磨耗对车辆平稳性、稳定性及相关动力学性能的影响。 ( 4 ) 根据跟踪测试和仿真计算的结果分析，提出车轮型面的镟修周期。通过 对到达镟修周期的车辆进行动力学性能仿真计算，包括车辆运行的安全性、舒适 性以及曲线通过能力，进而验证镟修周期提出的合理性。 7 高速动车组磨耗跟踪试验方案设计 2 高速动车组磨耗跟踪试验方案设计 为了研究c r h 3 型高速动车组车轮磨耗和车辆动力学性能随运行里程的演变 规律，并分析两者之间的相互关系，需要对不同运行里程的车轮外形和车辆振动 性能进行测试。本章主要对高速动车组磨耗跟踪试验进行了方案设计，包括车轮 外形和车辆振动性能的测试方法、数据采集的方法以及试验工况的确定，并阐述 了相关动力学参数的评定标准。 2 1 跟踪测试方案 ( 1 ) 通过对京津客运专线动车组车轮型面进行定期跟踪测试，建立车轮型面 运用数据库，研究车轮型面变化规律，为高速动车组维修体制提供运行数据支持； ( 2 ) 确定京津客运专线某列动车组为长期跟踪列车，对其振动性能进行定期 线路测试，建立振动性能数据库，以便和车轮型面运用数据库进行相关分析； ( 3 ) 使用实测到的京津城际铁路和既有线动车组车轮型面和车辆振动数据， 进行相关计算和仿真分析。从系统上分析车轮型面的变化规律及其对车辆动力学 性能的影响【2 。 2 2 测试项目的选取及理论依据 ( 1 ) 测试项目：车体加速度，构架加速度，轴箱加速度，轮对外形。 ( 2 ) 理论依据 振动性能 轨道车辆运行时通过轮对会受到线路不平顺等激励，并持续产生振动。此外， 除了外部因素会影响振动的特征外，内部悬挂结构、参数和走行方式不同等因素 也影响车辆的振动。研究车辆系统的振动性能对分析车辆系统稳定性、平稳性具 有非常重要的指导意义。 车辆运行时车体的振动可分为垂向和横向振动，其振动的大小和持续时间直 接影响车体运行的平稳性以及旅客乘坐的舒适性，评价车体振动的主要指标是车 体振动加速度，包括车体横向加速度和车体垂向加速度。 转向架是列车高速运行最重要的基础条件之一。作为执行机构，转向架在保 证列车高速稳定运行时承担着列车的减振降噪作用；作为承载结构，转向架在各 种工况下确保结构的强度安全可靠性。转向架主要由轮对轴箱装置、弹性悬挂装 9 北京交通大学专业硕士学位论文 置、构架、基础制动装置以及转向架支撑车体装置五部分组成。构架作为转向架 的基础，将转向架各零部件组成一个整体，它承受、传递各作用力及载荷，所以 将构架振动性能作为主要测试目标，其振动响应能够较大程度地反映车辆运行状 态，轮轨接触状态等特性，构架振动性能可以作为车辆横向稳定性分析的重要参 数和评价手段。 轴箱的作用是将轮对和构架联系在一起，使轮对沿钢轨的滚动转化为车体沿 线路的平动，它承受着车辆的重量，传递各方向的作用力。此外，轴箱装置在保 证良好润滑性能的前提下，可以减少磨耗，降低车辆运行时的阻力。所以对轴箱 振动性能的研究作为车辆系统振动性能研究的重要组成部分同样不可或缺。 车轮外形 车轮是车辆系统行走最基本的单元。它承担着车辆的全部重量，且在轨道上 高速运行时，同时还承受着从车体、钢轨两方面传递来的其它各种静、动作用力。 实际的车轮也不是一个理想的几何圆形，因此，车辆在轨道上运行时，轮轨之间 会出现不断变化着的轮轨作用力，这些作用力会激起车辆振动。 轮轨关系在车辆和轨道系统中起着纽带的作用，在一定程度上决定了车辆的 运行特性【2 2 】。对车辆系统动力学性能影响明显的车轮外形和尺寸主要有踏面、轮 缘、车轮名义直径、轮对内侧距以及踏面斜度等，因此这些都是车轮外形测量的 重要参数。其中车轮踏面外形对车辆运行影响显著，其主要作用是便于曲线通过、 可自动对中、通过道岔、使踏面磨耗均匀、防止车轮脱轨 2 3 】。车辆运行过程中会 产生踏面的磨耗，踏面外形的改变会影响轮轨接触几何关系，从而对车辆系统的 动力学性能产生影响，所以对车轮踏面的测量是跟踪测试的重点。 2 3 测试方法 2 3 1 轮对外形测量方法 测试记录某c r h 3 型动车组全部8 节车车轮外形磨耗情况，同时记录动车组 运行里程、运用线路、检修隋况。 每2 0 天测量1 次，每次测量约4 个小时，测试持续到1 2 0 万公里修程。 ( 1 ) 车轮外形测量尺寸 车轮外形测量几何参数如图2 1 所示。 轮缘厚度s d 踏面基准线垂直向上l 3 距离处的轮缘厚度，单位为m i l l 。踏面基准线是指通 过和轮背的水平距离为l 2 的踏面外形轮廓线上的点的一条水平线。针对s 1 0 0 2 c n 1 0 高速动车组磨耗跟踪试验方案设计 型踏面，l 2 取7 3 5 m m ，l 3 取1 2 m m 。 轮缘高度s h 轮缘顶点到踏面基准线的垂直高度，单位为m m 。 踏面磨耗 在距轮背7 3 5 m m 处原型踏面和实际踏面的高度差，单位为m m 。 q r 值 轮缘顶点垂直向下l 1 距离处对应踏面轮廓点和踏面基线垂直向上l 3 距离处 对应踏面轮廓点之间的水平距离，单位为m m 。针对s 1 0 0 2 c n r 2 铂型踏面，l 1 取2 m m ， l 3 取1 2 m m 。 图2 - 1 车轮外形几何参数示意图 ( 2 ) 测量设备 车轮踏面外形所使用的测量设备是丹麦g r e e nw o o d 公司生产的车轮踏面测试 仪m i n i p r o f , 如图2 - 2 和图2 - 3 所示。 图2 - 2 车轮踏面外形测量 图2 - 3 车轮踏面光带测量 2 3 2 列车振动性能测试方法 测试c r h 3 型动车组中8 号车振动状态，在8 号车一位右侧轴箱、转向架、 车体安装加速度传感器，在车体下安装速度传感器。定期采集运行振动数据，每 2 0 天测量1 次，测试持续到1 2 0 万公里修程。 北京交通大学专业硕士学位论文 振动测试在京津城际铁路正常载客运营时进行，至少进行2 个往返的运行状 态测试。 测点布置： 主要测点布置如图2 4 所示，测点说明列于表2 1 。 图2 - 4 测点布置示意图 表2 1 测点说明 传感器名称测试指标数量 车体纵向加速度 加速度计车体横向加速度 3 车体垂向加速度 构架横向加速度 加速度计 2 构架垂向加速度 轴箱横向加速度 加速度计2 轴箱垂向加速度 速度传感器动车组运行速度 1 陀螺仪曲线半径 l 图2 。5 图2 8 为传感器安装位置照片。 图2 5 轴箱传感器 1 2 图2 - 6 构架传感器 高速动车组磨耗跟踪试验方案设计 图2 7 车下线缆进入车内 ( 1 ) 车体振动加速度 图2 8 司机室布置 在被测车一位转向架中心左或右侧l m 处的车体地板面上各安装横向和垂向加 速度计。 ( 2 ) 构架振动加速度 在被试车一位转向架的构架上分别安装一个横向和一个垂向加速度计。 ( 3 ) 轴箱振动加速度 在一位轮对的- - n 轴箱体上分别安装一个横向和一个垂向加速度计。 ( 4 ) 陀螺仪 固定在被试车的车体地板面上。 ( 5 ) 测速传感器 采用雷达速度传感器测量动车组的运行速度，雷达速度传感器安装在车体一 位右侧面位置。 2 3 3 数据采集 车轮踏面外形测量所使用的采集系统是由丹麦的硬件生产厂商g r e e nw o o d 公 司开发的配套软件。 试验过程中对车辆振动性能进行实时监控和数据采集，所使用的操作软件是 中国铁道科学研究院机车车辆研究所开发的机车车辆动力学试验数据分析处理软 件d a s o 。该软件自1 9 9 9 年首次使用以来，广泛应用于多条线路的试验项目中， 该软件在试验过程中经受住了考验，其自身也得到了发展。目前d a s o 软件已成 为我国铁道机车车辆及高速动车组动力学试验不可缺少的软件。 d a s o 软件使用v c + + 作为开发平台，在充分吸收各种数据处理软件功能的基 础上开发而成的，相比一些其它的软件，除了在用户操作界面上更加友好、计算 速度更快以外，特别针对铁道机车车辆的特点，提出了许多新的理念，在许多方 北京交通大学专业硕士学位论文 面进行了发展和完善。具有可视化、可靠性高、高效性、通用性和专业性相结合 以及良好的兼容性和可扩展性等特点。该软件主要由4 部分模块组成：试验模型 设定模块、波形显示与分析模块、数据计算分析模块以及数据统计分析模块【2 5 】。 2 3 4 试验工况 ( 1 ) 被测车辆： ( 2 ) 试验线路： ( 3 ) 试验速度： ( 4 ) 载荷工况： 2 4 评定标准 某c r h 3 型动车组。 京津城际高速铁路。 正常运营速度。 测试期间，被试车辆及动车组照常载客运营。 ( 1 ) 评定项目：车辆运行平稳性，车体、构架、轴箱加速度，旅客乘坐舒适 度，构架横向稳定性，车辆运行品质。 ( 2 ) 评定参考标准：平稳性指标【2 6 1 ( w ) 平稳性指标按下式计算： w = 7 0 式中：一平稳性指标； 彳一振动加速度，g ； 厂一振动频率，h z ； f 仃夕一频率修正系数，如表2 2 所示。 表2 - 2 频率修正系数表 ( 2 - 1 ) 垂直振动横向振动 o 5 5 9h z 只厂) = o 3 2 5 f 2 o 5 5 4h z 尺厂) - 0 8 f 2 5 9 2 0 o h z f ( f ) = 4 0 0 1 f 2 5 4 2 6 0 h z f ( f ) = 6 5 0 f 2 2 0 0 h z v ( f ) = 1 2 6 o h z f ( 厂) 。1 由计算公式可得垂向和横向的加权曲线 f ( f ) f 】，如图2 - 9 所示。车辆运行 平稳性指标等级如表2 3 所示。 1 4 高速动车组磨耗跟踪试验方案设计 k q 裁 阔 辎 曩 1 0 1 0 1 横向 ! 事、 ： ! ； 么 二一 。；一 i 、 弋 ：；： -戮 ；t 一弋 ；i ； 爱套 f ? ： ： - - l ：太j i 一菱 - _ 一：一 垂哪； ；! 一 、； ； 鬟j 冀 ：t ： ；_ 、： 频率o 忆) 图2 - 9 平稳性指标的加权曲线 表2 3 平稳性指标等级表 1 客车、动车组车辆 平稳性等级评定 平稳性指标w l级 2 5 0优 2 级 2 5 0 2 7 5 良好 3 级2 7 5 3 0 0 合格 其中计算的分析频率为0 5 h z - 4 0 h z 。 振动加速度指标( a ) 车体横向和垂向加速度最大平均值必须满足：a 2 5 m a 2 其中计算的分析频率为0 5 h z - 4 0 h z 。 舒适度指标( n ) 旅客舒适度指标按下式计算： k = 6 、( a ) 2 + o 篇5 ) 2 + ( 口象9 5 ) 2 ( 2 2 ) 式中，一舒适度指标； a 一加速度的均方根值； ，睨一此上标与按加权曲线d ，b 的频率加权值有关； i p 9 5 一这些下标与界面及统计概率有关：仁x ，y ，z 表示加速度传 感器纵向、横向、垂向的敏度方向；p 表示地板面；9 5 表示分布概率分位点9 5 。 图2 1 0 所示为、睨和的频率加权曲线。表2 4 为车辆运行舒适度等级评价 表。 1 5 北京交通大学专业硕士学位论文 鳎 善0 1 r - - r f j ： ! 叫“k 釜掣薯| l：一 一鞴y j ，铲 j ：，f 、h o ? ：、 ：、l ：、k 7i ! 。j ； i w 7 i 、 1 誓 ； ，! y w 嚷 ，- 一、二 zi 。豪囊j ：h = = = j ! ： 。? 7 ， ： ； ： 一 ： 、 频率r d - l z ) 图2 1 0 舒适度指标的加权曲线 表2 _ 4 舒适度指标等级 1 舒适度等级舒适度指标评定 l 级 1非常舒适 2 级 l n 2舒适 3 级 2 n 4 一般 4 级 4 5不舒适 5 级 5非常不舒适 其中计算的分析频率为0 4 h z - - 8 0 h z 。 横向运行稳定性： 当构