车轮踏面等效锥度轨边检测的应用研究_顾小山.pdf
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1、技术与市场创新与实践2023年第30卷第2期车轮踏面等效锥度轨边检测的应用研究顾小山(中国铁路上海局集团有限公司南京动车段,江苏 南京 210005)摘要:研究表明,车轮等效锥度会造成车体晃动,影响乘客体验。当等效锥度发展较大时,则会造成车体抖动,造成转向架蛇行失稳,影响行车安全。为加强动车组车轮踏面等效锥度的检测,基于轮对踏面故障诊断系统,开展了车轮踏面等效锥度的轨旁在线检测应用研究。关键词:动车组;等效锥度;轨旁doi:10 3969/j issn 1006 8554 2023 02 0040引言近年来,徐州东动车所发生过数十例构架横向加速度报警故障。同时,报警动车组也发生了明显的晃车现象
2、。徐州东动车所技术组通过对报警动车组的车辆踏面测量及其轮轨匹配的分析,发现报警车辆的踏面等效锥度数值均超过了 0 35(标准轨面匹配参考标准值),普遍大于其他运行良好动车组的等效锥度数值1。等效锥度是评价轮轨接触几何状态的重要指标,是反映轮轨横向力对运动质量影响的等效平均参数,对车辆蛇行稳定性产生重要影响。踏面外形变化和轮径差变化都会导致轮轨接触几何关系的非线性增强及等效锥度的增大。动车组在长期运用过程中,车轮出现磨耗且左右轮磨耗不均匀,产生轮径差,会使等效锥度变大,产生较大的轮轨接触应力和较大的横向力,从而引起转向架蛇行频率发生变化。在一定速度范围内,转向架蛇行频率可能与车体横向固有频率重合
3、,从而使车体横向振动恶化,最终表现为晃车等情况2。目前国内外等效锥度测量方式均为静态库内测量,都是结合库内检修或者轮对镟修作业人工进行,逐轮获取踏面外形尺寸,存在检测效率低等局限,严重制约了动车组的检修效率。同时,也无法实现对运用动车组轮对的踏面等效锥度实施在线监测,以及对状态异常的轮对进行报警,对运用动车组的轮对踏面状态监测极为不利。为加强动车组车轮踏面等效锥度的检测,中国铁路总公司于 2018 年 8 月下发了中国铁路总公司机辆部关于加强动车组车轮多边形防治等相关工作的通知(机辆动客函 2018 86 号),其中明确要求:开展 LY 轮对踏面故障诊断系统检测车轮踏面等效锥度的试验研究。国铁
4、集团机辆部关于公布动车组车轮镟修关键影响因素运用标准的通知(机辆动客函 2021 36 号)指出:“各铁路局集团公司要对照标准,结合本局实际情况,有计划地安排对运用动车组车轮等效锥度、多边形、径跳进行检测,积极推进动车组车轮视情镟修。”基于此背景,在徐州东动车所既有 LY 轮对踏面故障诊断系统上加装轮对踏面等效锥度检测单元,开展现场应用可行性研究,包括检测原理分析、LY 系统加装等效锥度方案以及现场实车数据分析验证。1车轮等效锥度检测研究1.1LY 加装等效锥度检测模块可行性分析LY 系统等效锥度模块的等效锥度检测采用UIC519 标准。根据 UIC519 标准的计算方法,锥形踏面轮对在线路上
5、具有相对固定的正弦运动轨迹,如图 1所示。Klingel 理论指出这一运动轨迹的波长取决于踏面的锥度角以及左右轮轨接触斑之间的距离,即如 Klingel 公式所示3。=2er02tany(1)式中:为轮对运动轨迹的波长;e 为左右轮轨接触斑之间的距离,即为跨距;r0为轮对处在对中位置时的车轮滚动圆半径;为车轮踏面的锥度角3。51创新与实践TECHNOLOGY AND MAKETVol30,No2,2023rmax=0min=0e图 1锥形踏面轮对在线路上具有相对固定的正弦运动轨迹实际运用中的车轮踏面具有变化的锥度角,可以采用对左右滚动圆半径差(取决于轮对横移量)进行积分的方法获得轮对的运动波长
6、,再将该波长与Klingel 理论中的相应波长对照,得出轮对等效锥度:tan e=()22er0(2)式中:tan e为等效锥度。因此,等效锥度检测模块只需获取 LY 系统尺寸检测单元测量出的车轮外形轮廓曲线,再结合既有标准轨道外形及轨距等参数,即可计算出车轮踏面的等效锥度,从检测原理方面分析完全可行。1.2LY 加装等效锥度检测模块方式LY 系统的尺寸检测单元采用光截图像测量技术测量轮对关键尺寸,检测原理如图 2 所示。单边车轮采用激光 相机组合单元,将激光投射到车轮踏面,形成从轮缘到踏面的激光光截曲线,车轮轮辋形成的光截曲线中包含了车轮踏面的全部外形尺寸信息,系统用与光入射方向成固定角度的
7、相机拍摄获取车轮外形光截曲线的图像。经过后台图像处理,可获得车轮轮辋完整的外形尺寸曲线,如图 3 所示4。线光源镜头车轮触发传感器行车方向图 2轮对关键尺寸测量原理LY 系统尺寸检测单元现场布局如图 4 所示,通过现场采集单元,采集车轮外形尺寸数据,并通过后台算法服务器,计算车轮踏面等效锥度,如图 5 所示。图 3车轮完整外形曲线图 4LY 系统尺寸检测单元现场采集单元布局61技术与市场创新与实践2023年第30卷第2期图 5LY 系统等效锥度计算流程综上,只需在 LY 系统上额外部署等效锥度服务器,即可实现等效锥度检测模块加装。2LY 加装等效锥度检测模块效果验证2.1验证情况经过前述理论分
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