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弹簧厂设计加工火车轴箱弹簧

弹簧厂设计加工火车轴箱弹簧
       国内目前动车组最高运行速度已达到350 km/h。弹簧厂在研究高速动车组轴箱弹簧载荷测试技术基础上,对某型高速动车组动力和非动力转向架轴箱弹簧加工力进行连续10天的线路测试,总测试里程约为11 000 km。获得轴箱弹簧力动态特性,给出典型工况下弹簧的载荷时间历程,抽样分析高速直线、曲线、道岔、进出车站、进出车库以及制动等典型运用工况下的弹簧载荷特性,并在统计基础上给出弹簧一定运用里程下的弹簧载荷谱以确定载荷出现幅值、次数与测试里程之间关系。研究结果表明,高速动车组载荷特性与运用线路等级密切相关,且弹簧载荷最大值一般出现在等级更差的进出车库、车站以及联络线区段,测试得到的最大轴箱弹簧动态载荷系数为0.28;频域分析结果表明,高速线路区段弹簧力有1.1 Hz左右的稳定振动频率,即该测试线路区段存在波长为100 m左右的轨道高低不平顺激扰;另外,高速时由于车轮转动引起的弹簧低幅值动态力的主频率为一般为11 Hz。研究结果可用于指导转向架设计以及相关理论研究等。
  目前,弹簧厂引进并联合设计生产的高速动车组最高运用速度已经达到350 km/h。在这一运用条件下,首先应明确高速动车组在实际运用条件下的载荷特性。从运行安全性上看,轮轨力占有不可替代的作用,因而在已有的理论研究与测试中受到了普遍关注与重视。但从结构安全性来看,构架作为高速动车组最薄弱的关键部件之一,既承受来自一系悬挂系统作用力,又受到二系悬挂作用力,因此针对转向架构架作用力测试与识别是目前应完成的首要任务之一。
  运营中动车组转向架构架主要受到轴箱垂向载荷、横向载荷、纵向牵引载荷、电动机载荷、齿轮箱载荷和制动载荷的共同作用,理论上应对它们分别测试或识别。事实上,轴箱垂向载荷和横向载荷在这些所有载荷中起决定性作用。因此如果能够准确获得轴箱位置的垂向和横向载荷,那么就可以较为准确地确定出作用于构架上的载荷及其特性。
  弹簧厂获得结构的力载荷一般有三种方式。其一是数值仿真法,由于线路条件、运营工况、车辆模型以及系统非线性参数等方面的差异和限制,数值仿真手段不能够完全和真实地反映轴箱弹簧加工的载荷特性;其二是载荷识别法,尽管载荷识别有各种各样的理论与方法,但其实际效果并不十分理想;其三是直接测试,实际上,直接测试部件的作用力是获得载荷特性最为理想、直接和准确的方法。目前转向架载荷线路测试中只有轮轨力实现了线路测试。但是目前轮轨力测试也仅限于车轮每转动一周只有有限次作用力输出方式,还没有达到车轮转动任意位置和时刻均能够输出力的连续测试方式。
  为此,本文研究轴箱弹簧力直接和连续的测试方法,并在此基础上完成高速动车组轴箱弹簧载荷连续测试和特性分析。在本文之前国内外还没有进行过同类实车高速线路测试和载荷分析工作。
1  轴箱载荷测试与识别  
1.1  测试转向架  为全面把握高速动车组弹簧载荷特性,本文对某型高速动车组的动力和非动力转向架均进行了测试,测试最高速度为350 km/h。该型动车组编组及两测试转向架(非动力和动力转向架)位置分布1,它们分别位于头车后位以及第二车前位。
  测试转向架轴位及编号。鉴于动车组在测试过程中每天在北京和天津间来回往返运行并入库,每两天完成一个完整的运用工况,因而两测试转向架处于导向位和非导向位的概率几乎完全一致,这有利于保证测试结果的准确性和全面性。
1.2  轴箱弹簧加工力测试方案  为了直接测试轴箱弹簧垂向载荷,由国内相关研究所通过专业的力传感器制作工序如布片、绝缘、温控、封装、信号放大以及加载测试试验等,将该型高速动车组用轴箱弹簧做成力传感器元件(图3)并将其安装于该型动车组上,以完成线路测试前期工作。由于该“力传感器”能够连续记录任一时刻轴箱弹簧变化引起的电压信号,因此该方法实现了对轴箱载荷直接和连续测试,这对获得所有频率范围内的弹簧力具有重要的意义。另外,为确保测试结果的准确性,每一组弹簧上有两个测试通道,理论上这两个测试通道的测试结果应一致。
  图4给出了轴箱弹簧测试电压与测试载荷F之间对应关系,即19.62 kN/V。动车组空载时动力和非动力转向架每一轴箱弹簧静态载荷分别为52.5  kN和48.0 kN,弹簧受载后力值一般在40~60 kN范围内,弹簧力测试范围正好落在其线性度较好的 中间区段,这对进一步提高测试精度具有重要帮助。
2  载荷线路测试与处理  北京至天津高速铁路线全程约为117 km,80% 为高架桥梁,采用了无砟轨道整体道床技术。该线路技术将应用于京沪高速线路,因此弹簧厂测试结果对论证该项线路技术的有效性和可行性具有重要意义。 2008年7月,某型高速动车组在北京至天津高速路线上连续测试了10天。运行工况为每天从车库出发后,平均运行5个半往返(11个单程)共约1 100 km。测试与数据采集从车库发车到回到车库,实现全程连续采集。10天总测试里程约11 000 km,大量而全面的数据涵盖了动车组各种运营工况如高速、低速、曲线、道岔以及进出车站和车库等。  测试仪器采用多通道数据采集系统。轴箱弹簧加工有效振动频率低于50 Hz而采用频率为500 Hz,该采样频率足以保证采样数据的完整性。整个测试过程中列车在线路上快速运行,各种干扰信号也有可能由测试环节进入数据采集系统对信号产生干扰。因此,采用专用数据处理软件,对实测信号进行去除零漂、排除干扰、提高信噪比并将电信号转换为载荷值等处理方式,以获得准确的测试结果。
3  轴箱弹簧载荷特性  虽然测试范围限于北京动车库至天津动车库之间,但是连续10天的测试数据覆盖的总里程长、工况全面,测试结果具有很好的重复性和代表性。为确认不同工况下轴箱弹簧力的动态变化特性,这里针对主要和典型运用工况进行抽样,以进一步揭示轴箱弹簧载荷在不同工况下的变化规律。这些工况主要包括高速直线、曲线、道岔、进出正线车站以及车库等。  3.1  轴箱弹簧载荷抽样时间历程  3.1.1  高速直线,高速直线条件下,即使其运行速度达到了350 km/h,动力和非动力转向架轴箱弹簧载荷峰值一般不超过58 kN和53 kN,最大动态载荷变化值不超过6 kN和5 kN。即是说,高速区段具有优良的线路状态,此时列车运行速度对轴箱弹簧垂向载荷幅值影响有限。
  由此可见,在高速直线区段轴箱弹簧力有相对稳定的1.1 Hz左右的振动频率。而运行速度v、振动频率f以及波长l三者之间有式的关系,这表明该测试区段内有周期性的、波长为100 m左右的轨道高低不平顺,这在线路维修与养护过程中应引起注意并对其合理处理。  fvl= (1)  在该测试区段中,还存在频率为11 Hz和24 Hz左右的弹簧力;比较两种转向架弹簧加工幅值谱密度可知,在频率23~27 Hz范围内动力转向架弹簧力的谱密度明显较非动力转向架弹簧大,这可能是由于电动机转动或齿轮箱振动引起。另外,该频率与构架第1阶弹性振动频率非常接近,这在动车弹簧弹簧设计加工以及高速运用过程中应引起足够地重视。



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