车轮踏面等效锥度轨边检测的应用研究_顾小山.pdf

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。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，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，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析及论证，LY 加装等效锥度检测模块方案可行。接下来利用 LY 等效锥度检测模块及镟轮机测量同一动车组车轮等效锥度，对比分析LY 尺寸单元(等效锥度)检测准确性，用于验证所选编组覆盖徐州动车所既有动车组车型，验证编组选择有镟修计划编组，可根据镟修计划开展验证测试。详细测试验证情况如表 1 所示。表 1数据准确性验证情况检测时间LY 等效锥度数据与镟轮机测量值对比满足率/%0 010 020 030 04分析轴数/个1 月 1 日59 4090 60100 00100 00321 月 4 日71 9093 80100 00100 00321 月 7 日71 9087 5097 90100 00321 月 8 日68 8087 5098 40100 00641 月 9 日76 6095 30100 00100 00641 月 10 日68 8090 60100 00100 00321 月 12 日46 0068 3095 90100 00641 月 14 日57 1082 5094 50100 00641 月 15 日61 9085 7096 80100 00641 月 17 日70 3074 4078 20100 00641 月 27 日70 3092 2097 40100 00641 月 30 日56 3071 9096 50100 0064合计64 9485 0396 30100 00640验证情况分析如下。1)经与镟轮机对比分析，以 LY 系统车轮尺寸检测单元提供的原始曲线，系统等效锥度的检测精度可达到 0 03，满足率可达 96 3%。2)1 月 17 日，系统精度满足率仅为 78 20%。经查，系统曲线异常原因为尺寸检测单元遭踩踏，导致系统激光、相机布局改变，且等效锥度的计算对车轮廓形精度要求很高，因此，系统检测精度满足率下降。1 月21 日重新对系统标定、校验后，设备性能回升。3)数据波动性分析:随着车轮在线路运行，由于车轮踏面一圈的磨耗快慢不同，车轮一圈不同位置的外形轮廓有所不同。根据 LY 系统检测原理，动车组每次经过 LY 系统时，只对车轮的一个位置进行测量;镟轮机在测量等效锥度时，也只是对车轮的一个位置进行测量。由于不能保证 LY 系统和镟轮机测量的位置完全相同，故 LY 等效锥度与镟轮机数据存在一定的偏差。2.2系统优化为了尽可能降低外部因素对设备检测能力的影响，也就是对系统光学布局的影响，对 LY 系统尺寸71创新与实践TECHNOLOGY AND MAKETVol30，No2，2023检测单元外罩进行了优化设计，详细如图 6 所示。该新型外罩设计，极大地降低了系统监测时由动车组过车造成的地面振动影响，也可防止外部踩踏，经现场测试达到改进预期。图 6LY 系统新型外罩设计3结语LY 车轮踏面等效锥度检测单元在既有 LY 系统上加装实现，通过检测原理分析、方案论证以及现场实车数据对比验证，满足动车组车轮等效锥度的日常运用监测要求，其检测精度符合机辆动客函202136 号要求，具备推广应用价值。参考文献:1 高静涛 动车组不落轮车床等效锥度及车轮多边形检测功能的设计与实现J 铁道机车车辆，2018(5):51 55 2 朴明伟 最佳轮轨匹配评价 5 原则 J 大连交通大学学报，2010(3):1 8 3 吴宁 等效锥度的计算及验证J 铁道机车车辆，2013(1):49 52 4 高静涛 轮对状态动态检测系统应用综述J 铁道技术监督，2009(7):10 12作者简介:顾小山(1973)，男，江苏大丰人，本科，高级工程师，从事动车组运用检修工作。(上接第 14 页)验测试结果，数值模拟结果与试验结果相比偏差均未超过 10%，5 种低雷诺数湍流模型(BL、SA、LKE、SST、V2F)均具有较好的工程使用意义。2)运用 NUMECA 软件进行数值仿真计算，结果表明 SA 模型具有准确性、稳定性和计算开销综合性能最优的特点，在性能预测中可以很好地使用。其中，BL模型具有计算开销最小、收敛史较好、准确度较好的特点，SST 型具有计算开销较大、收敛史最好、准确度最好的特点。在实际工程计算中，可以先利用 BL 方程开展快速筛选计算，再使用 SST 模型进行详细计算。随着航空技术的发展，小型高速轴流风机将越来越多地应用在环控热管理系统中，具有广阔的市场前景，本文基于 NUMECA 软件开展了小型高速轴流风机的性能预测与试验对比的研究，总结提出了适用于中低压轴流风机空气动力性能计算模式，能够为该类风机性能预测提供有价值的信息，并为同类风机的设计计算提供可靠的依据。参考文献:1 续魁昌 风机手册 M 北京:机械工业出版社，2004 2 高红霞，余建祖，谢永奇 直升机用高转速、小流量轴流风扇设计 J 航空动力学报，2006，21(1):120 124 3 杨金广，吴虎 双方程 k-SST 湍流模型的显式耦合求解及其在叶轮机械中的应用 J 航空学报，2014，35(1):116 124 4 钟艺凯，杨金广，张敏，等 轴流压气机数值模拟中复杂湍流模型的对比研究 J 风机技术，2020，62(2):9 18 5 王福军 流体机械旋转湍流计算模型研究进展J 农业机械学报，2016，47(2):2 13 6 郭然，贾力平，樊小莉，等 NUMECA 系列教程M 北京:机械工业出版社，2013作者简介:卢继方(1989)，男，山东济宁人，硕士，工程师，研究方向:航空环控热管理附件设计研发。81