羅光兵，張甬成，嚴(yán)皓，楊九河

（中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司 成都動(dòng)車(chē)段，四川 成都 610000）

0 引言

輪對(duì)是軌道車(chē)輛最關(guān)鍵的部件之一，其狀態(tài)的好壞決定了列車(chē)運(yùn)行的安全性能，因此輪對(duì)的運(yùn)用維護(hù)需要大量的人力和配套設(shè)施資源。不少專(zhuān)家針對(duì)輪對(duì)的有效管理，從信息化平臺(tái)建設(shè)方面進(jìn)行分析，提出輪對(duì)信息化管理的思路[1]。在輪對(duì)踏面鏇修制度和策略方面有大量的研究，趙文杰等[2]通過(guò)對(duì)地鐵磨耗數(shù)據(jù)的分析，對(duì)輪緣厚度和輪徑進(jìn)行分類(lèi)，分別建立輪緣厚度和踏面直徑的磨耗模型，隨后采用鏇修策略實(shí)現(xiàn)了輪對(duì)的優(yōu)化；董孝卿等[3]通過(guò)大量的跟蹤測(cè)試，分析車(chē)輛的振動(dòng)特性和磨耗周期性能，制定了車(chē)輪踏面鏇修的策略和評(píng)價(jià)方法；此外，在輪對(duì)周期性磨耗狀態(tài)以及輪緣磨耗預(yù)測(cè)方面也有大量的研究[4-6]。盡管在理論和測(cè)試上對(duì)輪對(duì)踏面鏇修方案有所研究，但各應(yīng)用站段在輪對(duì)的管理上都有著特殊的需要和條件限制，有必要根據(jù)實(shí)際情況建立個(gè)性化的維修管理體系，實(shí)現(xiàn)站段管理與中國(guó)鐵路總公司輪對(duì)管理系統(tǒng)的有效整合。

以中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)公司成都動(dòng)車(chē)段為例進(jìn)行分析，該段擁有CRH1A、CRH380D、CRH2A、CRH380A以及CRH3A型動(dòng)車(chē)組，各型車(chē)組的輪對(duì)管理標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異，且包含LMA、S1002CN和LMD等多種踏面類(lèi)型，各型輪對(duì)鏇修里程規(guī)定也存在較大差異。在這樣復(fù)雜的需求和技術(shù)條件下要實(shí)現(xiàn)輪對(duì)的有效管理，需要合理、系統(tǒng)的構(gòu)架平臺(tái)，采用信息化和智能化手段對(duì)輪對(duì)運(yùn)用、檢修、存儲(chǔ)等問(wèn)題進(jìn)行研究。因此，在現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下[7]，有必要對(duì)動(dòng)車(chē)段輪對(duì)的狀態(tài)檢測(cè)和輪對(duì)踏面鏇修策略進(jìn)行分析，提出適合動(dòng)車(chē)段實(shí)際情況的具體鏇修策略，從而提高輪對(duì)使用壽命，降低運(yùn)維成本。

1 動(dòng)車(chē)組輪對(duì)運(yùn)用現(xiàn)狀分析

1.1 踏面常見(jiàn)故障

在輪對(duì)運(yùn)用過(guò)程中，由于軌道波磨、軌邊異物以及輪對(duì)踏面疲勞損傷等問(wèn)題，從而導(dǎo)致輪對(duì)剝離、車(chē)輪不圓以及深度裂紋等現(xiàn)象，極大降低了輪對(duì)使用壽命，同時(shí)危及車(chē)輛的運(yùn)行安全，輪對(duì)踏面常見(jiàn)故障見(jiàn)圖1。因此，如何有效對(duì)輪對(duì)踏面常見(jiàn)故障進(jìn)行檢測(cè)、處理和預(yù)防是當(dāng)前的難點(diǎn)，也是運(yùn)用站段必須解決的實(shí)際問(wèn)題。

圖1 輪對(duì)踏面常見(jiàn)故障

1.2 等效錐度變化

車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中輪對(duì)的磨耗狀態(tài)、等效錐度以及輪軌接觸關(guān)系都會(huì)因車(chē)型的不同而存在較大的差異，如何完善踏面鏇修標(biāo)準(zhǔn)也是值得思考和解決的重要問(wèn)題。針對(duì)成都動(dòng)車(chē)段車(chē)輛的運(yùn)行狀況，對(duì)現(xiàn)有車(chē)型輪對(duì)等效錐度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見(jiàn)圖2）。各種類(lèi)型踏面的輪對(duì)等效錐度存在明顯差異，適用于CRH1A型動(dòng)車(chē)組的LMD型踏面，鏇修里程接近30萬(wàn)km，等效錐度在0.22左右；適用于CRH2A/CRH380A的LMA型踏面，鏇修里程約23.5萬(wàn)km，等效錐度大部分處于0.10以?xún)?nèi)；適用于CRH380D/CRH3A的S1002CN型踏面，由于車(chē)型規(guī)定的鏇修里程不一致，導(dǎo)致等效錐度也存在差異，CRH380D的鏇修里程約24萬(wàn)km，等效錐度在0.36左右，而CRH3A鏇修里程約19萬(wàn)km，等效錐度在0.34左右。如何確定不同車(chē)型不同類(lèi)型踏面、不同車(chē)型同一類(lèi)型踏面的等效錐度變化，有效保障車(chē)輛的運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性，是當(dāng)前動(dòng)車(chē)組輪對(duì)管理過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，也是運(yùn)用站段運(yùn)用輪對(duì)管理過(guò)程中的難題，是實(shí)現(xiàn)全過(guò)程卡控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖2 不同車(chē)型輪對(duì)等效錐度統(tǒng)計(jì)

1.3 鏇修比例系數(shù)

目前，輪對(duì)踏面鏇修維護(hù)正處于人工作業(yè)和信息化管理的過(guò)渡階段，輪對(duì)的管理流程、信息記錄以及數(shù)據(jù)處理等方面還需要不斷探索，輪對(duì)踏面鏇修策略的卡控因素應(yīng)體現(xiàn)不同的輪對(duì)磨耗特征和匹配關(guān)系。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，現(xiàn)有的輪對(duì)踏面鏇修依據(jù)可以歸納為設(shè)備檢測(cè)建議和人工卡控。通過(guò)測(cè)量輪對(duì)加工前的數(shù)據(jù)，基于輪緣厚度給定一個(gè)參考值，作業(yè)者根據(jù)實(shí)際情況，選擇一個(gè)滿足輪徑標(biāo)準(zhǔn)的鏇修量進(jìn)行處理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，采用鏇修比例系數(shù)（輪徑變化量/輪緣厚度變化量）的方式衡量輪緣厚度與輪徑的變化關(guān)系（見(jiàn)圖3）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，不同類(lèi)型踏面的輪對(duì)鏇修比例系數(shù)控制在20以?xún)?nèi)，集中在10左右。

由此可見(jiàn)，為了增加輪緣厚度需要鏇修過(guò)多的輪徑，若部分輪對(duì)出現(xiàn)偏磨、凹陷磨耗、輪緣磨耗等異常情況，則需要鏇修更多的輪徑。為了滿足輪徑之間的匹配關(guān)系，還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修型，該過(guò)程的選擇差異也會(huì)造成不同程度的輪徑損耗，輪徑匹配的具體標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。在實(shí)際正常鏇修過(guò)程中，一般不會(huì)考慮將輪緣厚度鏇修至原型，而是根據(jù)輪緣厚度的變化就近選擇匹配的鏇修方案，通常采用2次進(jìn)刀量，至少消耗2 mm的輪徑值。因此，確定合適的鏇修比例系數(shù)就顯得尤為重要，要滿足安全性能要求，還要降低輪徑和輪緣的損耗。

圖3 輪緣厚度及輪徑變化關(guān)系

表1 輪徑匹配的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 輪徑磨耗量和輪緣厚度的關(guān)系

為尋求鏇修策略的制定依據(jù)，對(duì)動(dòng)車(chē)組輪對(duì)踏面鏇修記錄進(jìn)行分析，踏面磨耗與輪緣厚度之間的關(guān)系見(jiàn)圖4。該統(tǒng)計(jì)基于各型車(chē)輪磨耗數(shù)據(jù)，根據(jù)輪緣厚度的變化情況，以每0.1 mm厚度的間隔取1個(gè)輪徑磨耗均值進(jìn)行分析。從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，CRH1A和CRH380A型動(dòng)車(chē)組變化趨勢(shì)相同，通過(guò)散點(diǎn)圖擬合的曲線可知，輪緣厚度低于30 mm時(shí)，輪徑磨耗量隨輪緣厚度增加而稍有降低的趨勢(shì)，輪緣厚度大于30 mm時(shí)，則出現(xiàn)增加的趨勢(shì)；CRH380D為新輪，輪緣厚度大于31 mm，輪徑磨耗量隨輪緣厚度增加基本呈直線下降趨勢(shì)。該分析結(jié)果可以作為輪對(duì)踏面鏇修策略制定的約束指標(biāo)之一。

2 踏面鏇修策略分析

2.1 輪對(duì)管控流程

為了改變傳統(tǒng)的輪對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方式，成都動(dòng)車(chē)段利用信息化手段搭建了動(dòng)車(chē)組輪對(duì)健康管理平臺(tái)，綜合利用檢測(cè)棚、鏇輪機(jī)床、探傷設(shè)備、輪對(duì)外形測(cè)量?jī)x器及智能檢測(cè)設(shè)備，對(duì)輪對(duì)的狀態(tài)信息進(jìn)行分析，建立趨勢(shì)分析、預(yù)警預(yù)測(cè)及踏面鏇修方案的物理模型和數(shù)學(xué)模型，有效監(jiān)控輪對(duì)全生命周期的變化。

圖4 輪緣厚度與輪徑磨耗的關(guān)系

輪對(duì)管控具體流程是通過(guò)輪對(duì)型面檢測(cè)裝備，掌握輪對(duì)磨耗的動(dòng)態(tài)變化，分析近期的磨耗趨勢(shì)、踏面裂紋和剝離等狀態(tài)，為檢修提供必要的數(shù)據(jù)支撐；當(dāng)手持設(shè)備核定輪對(duì)狀態(tài)后，制定相應(yīng)的維修計(jì)劃，有效卡控輪對(duì)存在的缺陷故障，降低安全風(fēng)險(xiǎn)（見(jiàn)圖5）。在輪對(duì)的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，最關(guān)鍵的步驟是如何實(shí)現(xiàn)輪對(duì)的鏇修，傳統(tǒng)方式是通過(guò)鏇輪機(jī)床測(cè)量給定參考意見(jiàn)，操作人員基于現(xiàn)有作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。該過(guò)程簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但會(huì)導(dǎo)致輪對(duì)的過(guò)度損耗，降低使用壽命。尋求一種更為經(jīng)濟(jì)的鏇修方式，在保障安全性能的前提下提升使用壽命是研究的重點(diǎn)。

2.2 踏面鏇修策略模型研究

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，輪對(duì)踏面鏇修主要參考輪徑、輪緣厚度、輪緣高度和踏面磨耗的狀態(tài)變化。同一轉(zhuǎn)向架的輪徑差種類(lèi)多樣，若出現(xiàn)不合理的輪徑超差可能導(dǎo)致輪對(duì)產(chǎn)生滑動(dòng)和牽引電機(jī)的載荷分配不均，對(duì)列車(chē)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性帶來(lái)嚴(yán)重的影響。輪緣厚度也是衡量車(chē)輛安全運(yùn)行的重要指標(biāo)，輪緣厚度減少會(huì)引起強(qiáng)度降低，通過(guò)曲線時(shí)可能導(dǎo)致輪緣缺損，同時(shí)易造成爬軌的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在傳統(tǒng)的鏇修方案上，考慮輪徑和輪緣厚度的變化，對(duì)全列輪對(duì)進(jìn)行綜合評(píng)估，依據(jù)TB/T 449—2016標(biāo)準(zhǔn)[7]及現(xiàn)有機(jī)床使用的0.5 mm輪緣厚度鏇輪模板為基礎(chǔ)，分析各類(lèi)動(dòng)車(chē)組不同踏面鏇修策略，所形成踏面鏇修方案應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)參數(shù)要求。

圖5 輪對(duì)管控流程

根據(jù)現(xiàn)有輪對(duì)外形檢測(cè)設(shè)備，可有效計(jì)算鏇修前的輪緣厚度、輪緣高度、運(yùn)行中的輪徑磨耗量以及運(yùn)行中踏面基線上逐點(diǎn)的磨耗量分布情況。針對(duì)磨耗后的踏面外形曲線，輪對(duì)管理系統(tǒng)可自適應(yīng)地調(diào)整與之最適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)輪踏面外形，標(biāo)準(zhǔn)輪各曲線段的配合關(guān)系滿足動(dòng)車(chē)組運(yùn)用維修規(guī)程，且保證標(biāo)準(zhǔn)輪踏面曲線的連續(xù)與光滑。針對(duì)各種輪緣厚度的鏇修設(shè)定值，可以計(jì)算出需要的最優(yōu)輪徑鏇修量、鏇修制約點(diǎn)的位置坐標(biāo)、鏇修損耗與運(yùn)行磨耗的比例系數(shù)、輪徑鏇修量與輪緣厚度恢復(fù)量的比例系數(shù)以及鏇修中踏面基線上逐點(diǎn)的鏇修量分布等決策指標(biāo)。同時(shí)，鏇修原則包括動(dòng)車(chē)組運(yùn)用維修規(guī)程中涉及的同軸原則、同架原則和同單元原則，鏇修策略的數(shù)學(xué)描述如下[8-9]：

式中：minf為預(yù)測(cè)值與測(cè)量值之差求和的最小值；Dklmn為第k輛車(chē)、第l臺(tái)轉(zhuǎn)向架、第m條軸、第n個(gè)輪徑的檢測(cè)值；D—為第k輛車(chē)、第l臺(tái)轉(zhuǎn)向架、第m條軸、第n個(gè)klmn輪徑的預(yù)測(cè)值；w為輪緣厚度的測(cè)量值；w0為滿足鏇修條件的最小值；w—為輪緣厚度的預(yù)測(cè)值；Δw為輪緣厚度鏇修量；ΔD為輪緣厚度變化與輪徑變化之間的關(guān)系；k為鏇修比例系數(shù)輪徑差的最大直徑，車(chē)中滿足同輪對(duì)同轉(zhuǎn)向架輪徑差為最小輪列車(chē)中滿足同輪對(duì)、同轉(zhuǎn)向架、同車(chē)輛輪徑差的最大值δ2、δ3、δ4分別為各種約束條件下的門(mén)限值，根據(jù)具體問(wèn)題約定形成。

2.3 輪對(duì)踏面鏇修策略設(shè)計(jì)流程

制定輪對(duì)踏面鏇修策略設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖6。由此得到的方案，優(yōu)化參數(shù)和控制參數(shù)較多，能有效解決整車(chē)輪對(duì)踏面鏇修中的經(jīng)濟(jì)性和安全性問(wèn)題。

2.4 踏面鏇修結(jié)果對(duì)比

基于以上研究，對(duì)某型動(dòng)車(chē)組的輪對(duì)踏面鏇修進(jìn)行了測(cè)試分析，采用踏面鏇修策略和常規(guī)鏇修方案的輪對(duì)之間的差異見(jiàn)圖7。對(duì)比結(jié)果顯示，采用踏面鏇修策略的輪對(duì)整體鏇修量有所降低，節(jié)約量集中在25%左右，但部分輪對(duì)會(huì)出現(xiàn)比常規(guī)鏇修量偏大的情況，這是考慮整車(chē)輪對(duì)匹配所致的結(jié)果。若考慮輪對(duì)正常使用條件下，全生命周期內(nèi)能增加2次以上鏇修周期，可以有效地提高輪對(duì)的使用壽命，降低鏇修成本。

圖6 輪對(duì)踏面鏇修策略及最優(yōu)鏇修設(shè)計(jì)流程

圖7 輪對(duì)鏇修方案結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

基于輪對(duì)的管理現(xiàn)狀和輪對(duì)的運(yùn)用情況的分析，在現(xiàn)有的輪對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備基礎(chǔ)上，制定輪對(duì)采用信息化的管理思路，并提出輪對(duì)踏面鏇修方案設(shè)計(jì)的策略流程。以輪徑和輪緣厚度的變化為目標(biāo)的踏面鏇修策略，能有效降低輪徑的損耗，提升輪對(duì)的使用壽命。

文中設(shè)計(jì)的鏇修策略依然不夠完善，并未考慮輪軌的匹配關(guān)系以及磨耗型踏面的磨耗水平等因素的影響。隨著輪對(duì)踏面鏇修數(shù)據(jù)的累積，應(yīng)考慮磨耗型踏面的鏇修策略，不再將型面鏇修至與標(biāo)準(zhǔn)外形一致，這樣既可以降低鏇修量，降低維修成本，又能保障輪對(duì)的安全性能，提升其使用效率。