道岔大部件应急更换车组动力学性能改进与优化及试验组织

熊锋

（中国铁路武汉局集团有限公司科技和信息化部，湖北武汉 430071）

0 引言

随着我国高速铁路的快速发展，高速铁路道岔大部件快速更换及施工组织需求越来越迫切，目前我国尚无专用的高速铁路道岔大部件更换装备及相关成熟施工经验，仅部分铁路局集团公司少量更换过［1］，作业时需大量的人力物力，采用多台起重轨道车同时进行吊装作业，投入人员和设备多、施工成本高、作业时间长、安全风险大，对运输秩序有较大影响［2］。道岔大部件应急更换车组由中国铁路武汉局集团有限公司（简称武汉局集团公司）下属金鹰重型工程机械有限公司根据中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）科研计划研制，该设备可更换本线和邻线道岔，具有更换效率高、投入人员和设备少、施工简便等特点（见图1），该车的成功研制可有效破解现有难题。

图1 道岔大部件应急更换车组

1 车辆结构

道岔大部件应急更换车组为满足使用工况要求，采用双边梁平车底架承载，安装可在车体边梁上沿导轨前后吊重运行的独立起重机系统，该起重机自质量22 t，占整车整备质量约1/3，起重机重心距轨面高度2.916 m，整车重心1.67 m；由于要考虑装载道岔大部件后整车的轴重均匀且不超轴重，高速运行时起重机靠Ⅰ位端转向架固定，空车时Ⅰ端转向架轴重相比Ⅱ端转向架重近5 t。起重机重心较高，轴重分布不均，对整车横向动力学性能和运行安全性影响较大［3］，特别是空车状态下。

道岔大部件应急更换车组转向架H形构架采用整体焊接方式，由2根侧梁和中梁对接组焊而成。侧梁和中梁均采用箱形梁结构，并根据受力分布，各梁体均设计为鱼腹形状，具有自质量轻、刚度大、强度好的优点。一系悬挂采用轴箱钢弹簧并联利诺尔减振器减振，轴箱弹簧设计为空重车两级刚度，空车时只有外簧承载，刚度较小，可以获得较大的静挠度，并改善空车垂向振动性能；重车时内外簧共同承载，可以承受较大质量。利诺尔减振器的摩擦力与重力成正比，随着车辆载质量的增加而相应变化，可以适应车辆空车、重车不同工况下的减振要求。整车质量由球面心盘为主和旁承辅助的承载方式，旁承采用货车JC型双作用常接触弹性滚子旁承，可以提供阻力抑制、衰减转向架的横向运动和回转［4］。转向架结构简单、维护方便，且技术较为成熟，在铁路工程机械领域应用广泛，采用货车常用的摩擦减振方式，轮对的垂、横向振动冲击由轴箱弹簧进行缓冲，同时冲击能量由轴箱处的利诺尔减振器摩擦副提供垂向、横向阻尼进行衰减，而球面心盘和旁承共同提供阻力以衰减转向架的蛇行运动，由于球面心盘的阻力很难调整，所以利诺尔减振器摩擦副的摩擦系数和旁承阻力矩的控制是保证动力学性能的关键［5］。

2 测试内容

为保证安全，在铁路正线运行的新型车辆必须进行动力学性能测试，以验证车辆在过轨状态下的运行安全性和平稳性。按照GB/T 17426—1998《铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及试验方法》［6］的规定，检测项目包括脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、车体垂向和横向加速度及平稳性指标。试验评定标准见表1。

由于整车机构布置不对称，在本次道岔大部件应急更换车组动力学性能试验测试方案和组织上采用了往返双向测试。在车辆1、4轴换装测力轮对，检测轮轨间相互作用的垂向力和横向力，从而得到脱轨系数、轮重减载率等整车的运行安全性参数；在车体前进方向端中梁距心盘内侧1 m处安装振动加速度计，测量车体的横向和垂向振动加速度，用于统计、计算被试车的最大振动加速度以及计算横向和垂向平稳性。

表1 动力学性能评判标准限度值

3 试验选线

根据GB/T 17426—1998要求，特种车辆和轨行机械的试验鉴定应在Ⅰ级线路或Ⅱ级线路上进行，本车设计最高运行速度为120 km/h，试验线路应满足最高运行132 km/h的速度要求，包括直线、R300 m～R800 m曲线、侧向通过9号道岔、12号道岔。根据以上试验测试要求，武汉局集团公司科技和信息化部会同运输部、工务部以及测试单位研究了武汉各工务段所属线路资料，最终确定直线段试验地点安排在汉丹、京广线，曲线试验地点安排在武汉南、北环线，指定在新墩、汉西、武昌、武昌南、八大家、武昌北车站进行9号、12号道岔侧向过岔试验。

4 运输组织

道岔大部件应急更换车组自身不带动力，试验时采用内燃机车牵引，试验编组形式：机车+道岔大部件应急更换车组+试验车，机车在武昌北掉头。

所有试验均在线路允许速度规定范围内试验，无试验内容时，按线路允许最高通过速度但不超过120 km/h运行。

根据需要，试验按直线60、70、80、90、100、110、120、132 km/h各速度级在速度稳定后各累计6 min；曲线通过速度按照各曲线线路允许最高通过速度但不超过120 km/h；侧线通过速度分别为9号道岔30 km/h、12号道岔45 km/h。

试验全程由襄阳机务段DF11型内燃机车和乘务员担当，襄阳机务段安排干部添乘；武昌—武昌北由武昌南机务段负责带道，襄阳电务段负责LKJ临时数据导入，携带纸质临时慢行揭示命令，在武昌站上下带道人员。襄阳、武昌北车站始发、技检开车后直线进行惰行标定试验。

5 试验测试

道岔大部件应急更换车组空车工况动力学试验时，从襄阳运行至武汉过程中，平稳性指标为良，其他各项指标均合格；回程运行至K210—K223区间，运行速度119.40 km/h时，车体横向失稳且不收敛，回程时起重机位于车辆运行后端。查看实时监测数据，横向加速度最大值达6.91 m/s2，超过允许值4.91 m/s2，垂向加速度达7.57 m/s2，超过允许值6.87 m/s2；横向平稳性指标4.62，大于合格值4（见图2、图3）。

图2 横向、垂向车体加速度监测曲线

图3 横向、垂向车体加速度及平稳性指标监测数据

从试验测试数据的特征初步分析认为，因起重机自质量大，重心高，起重机失稳后能量大，而轴箱弹簧采用的利诺尔减振器结构所提供的垂向和横向摩擦力无法有效衰减失稳后的能量。

6 分析及优化

车辆回厂后对转向架进行检查，JC型双作用弹性旁承上下摩擦面工作正常，各轴箱弹簧状态、压缩量正常，球面心盘摩擦面磨合痕迹较均匀。因试验时车辆正向运行时动力学性能均达标，但回程时出现高速横向失稳和垂向加速度超标故障，故判断很大概率是因前、后转向架摩擦副存在差异［7］。因此，对各转向架相对摩擦系数进行测试，测试结果见表2。各摩擦副摩擦系数离散度大，分布不均匀，同转向架最大差值达到0.247，同车最大差值达到0.310，已严重超标，且1轴摩擦系数偏小，平均约0.112，4轴摩擦系数偏大，平均0.387。

表2 磨耗板摩擦系数测定结果

解体检查轴箱时发现，部分利诺尔减振器摩擦面接触面积过小，无法产生足够摩擦力，还有部分摩擦面接触不良，且磨耗板上出现约1 mm深的沟槽，据此推测由于摩擦面配合不好，导框与轴箱摩擦面的垂向、横向相对运动产生卡滞，使转向架构架与部分轴箱在运行中可能成为刚性连接，导致该处摩擦副横向和垂向减振不良［3］，或根本无法起到减振作用，加之起重机重心高失稳能量大，从而出现垂向加速度超标和横向失稳等［8］。

相对摩擦系数测定和解体检查表明转向架各摩擦副相对摩擦系数离散度大，估测为摩擦面加工装配质量不良导致，分析可能存在以下原因：一是由于焊接变形控制不力，造成轴箱导框左右开档处的两垂直摩擦面收缩或张开，或轴箱导框整体随转向架侧梁下弯而变形，都造成摩擦面垂直度超差的问题，导致与轴箱两垂直摩擦面的面接触变为线接触或点接触，容易造成剐蹭或卡滞，不仅破坏摩擦表面，还影响摩擦减振效果［9］。二是由于轴箱导框各摩擦面尺寸在与构架焊接前已经加工完成，由于焊接影响、工艺工装限制，轴箱导框焊接在构架上时同轴的左右两轴箱导框摩擦面不可避免地存在同轴度误差，导致部分摩擦面承受结构误差造成附加正压力［10］。

针对以上问题，工厂对转向架导框摩擦面进行整体定位2次加工，重新更换磨耗板，调整各部间隙。经以上改进措施，并进行单程约100 km的往返磨合试验后，重新测定各摩擦面摩擦系数，结果表明，相对摩擦系数分布较为均匀（见表3）。

表3 磨耗板摩擦系数测定结果

调整后重新组织道岔大部件应急更换车组空重车2种状态的动力学试验，从襄阳运行至武汉过程中，平稳性指标为良，其他各项指标均合格；返回过程中最高运行速度132 km/h时，车体垂向、横向加速度值实时监测曲线见图4，具体数值见图5，持续运行6 min，整车运行一直保持稳定，横向、垂向平稳性指标分别为2.56、2.70，属优级；横向、垂向加速度最大值分别为3.44、5.67 m/s2，均达到标准要求。

图4 横向、垂向车体加速度监测曲线

图5 横向、垂向车体加速度及平稳性指标

7 结束语

通过本次动力学性能试验测试和对转向架的解体检查及摩擦副的优化，反映出利诺尔减振器虽然结构简单、成本较低，但对转向架焊接、加工、装配工艺有较高要求，应对各摩擦面的相对尺寸均留余量，将轴箱导框焊接在转向架构架后，待消除应力变形释放完全后，对构架进行整体精加工，保证各相对摩擦面的平面、垂面精度，同时正式上线试验前要进行磨合、解体检查及相应处理，检查试验各摩擦副的相对摩擦系数基本在同一范围内，确保上正线试验前转向架状态良好，真实反映整车动力学性能。