高速鐵路動(dòng)車組異常振動(dòng)與鋼軌打磨研究

張曉陽(yáng)，單巍

(中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局，北京100844)

高速鐵路動(dòng)車組異常振動(dòng)與鋼軌打磨研究

張曉陽(yáng)，單巍

(中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局，北京100844)

針對(duì)高速鐵路在運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度超限和車體異常抖動(dòng)現(xiàn)象，采取跟蹤調(diào)查、軌道狀態(tài)測(cè)試、臺(tái)架試驗(yàn)和懸掛參數(shù)對(duì)比等方法研究得出，輪軌匹配關(guān)系不良是出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因。通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，采取鋼軌打磨和車輪鏇修等措施可改善輪軌匹配關(guān)系，有效緩解動(dòng)車組異常振動(dòng)現(xiàn)象。本文重點(diǎn)介紹了鋼軌打磨的作用和方法，指出應(yīng)按60N廓形或設(shè)計(jì)廓形打磨鋼軌，使輪軌匹配具有合理的等效錐度，并對(duì)鋼軌打磨的時(shí)機(jī)、周期、作業(yè)要求及驗(yàn)收提出了具體建議。

高速鐵路 動(dòng)車組 異常振動(dòng) 輪軌匹配 打磨

2013年底，我國(guó)高速鐵路的營(yíng)業(yè)里程已經(jīng)達(dá)到11 028 km。高速鐵路運(yùn)輸快捷方便，不僅緩解了我國(guó)長(zhǎng)途客運(yùn)壓力，也改變了人們選擇工作地和居住地的傳統(tǒng)觀念。動(dòng)車組在運(yùn)營(yíng)過程中，出現(xiàn)了構(gòu)架橫向加速度超限和車體異常抖動(dòng)等動(dòng)車組異常振動(dòng)現(xiàn)象，為及時(shí)采取措施，保證高速鐵路乘坐的舒適性，應(yīng)準(zhǔn)確分析異常振動(dòng)產(chǎn)生的原因。由于在線路上運(yùn)行的動(dòng)車組型號(hào)較多，動(dòng)車組跨線運(yùn)行的數(shù)量也逐漸增加，而且我國(guó)高速鐵路分布廣、氣候條件及運(yùn)營(yíng)條件差異較大，導(dǎo)致動(dòng)車組異常振動(dòng)原因分析較為困難。本文分析了動(dòng)車組異常振動(dòng)產(chǎn)生原因，研究了解決異常振動(dòng)的措施，并重點(diǎn)提出了通過打磨改善輪軌匹配關(guān)系的具體方法。

1 動(dòng)車組產(chǎn)生異常振動(dòng)原因分析

針對(duì)動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度超限和車體異常抖動(dòng)兩種典型異常振動(dòng)情況，采取跟蹤調(diào)查、軌道狀態(tài)測(cè)試、臺(tái)架試驗(yàn)和懸掛參數(shù)對(duì)比等方法進(jìn)行研究。

1.1 構(gòu)架橫向加速度超限原因

動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度是轉(zhuǎn)向架蛇形運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，CRH3系列動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度超限評(píng)判標(biāo)準(zhǔn):如果連續(xù)10次加速度值＞0.8g(濾波3～9 Hz)，就觸發(fā)車載報(bào)警系統(tǒng)。而綜合檢測(cè)車所檢查的車體橫向加速度則是人體舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)，是車廂經(jīng)過減振后的橫向加速度，當(dāng)某處橫向加速度超過Ⅲ級(jí)偏差管理值(0.15g)時(shí)，人體會(huì)感覺很不舒服［1］。但是，對(duì)出現(xiàn)動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度超限的車輛進(jìn)行輪軌力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)車輛的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率等安全指標(biāo)均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全限值。

對(duì)報(bào)警區(qū)段車輪和鋼軌的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤調(diào)查及測(cè)試表明，報(bào)警時(shí)輪軌的主要狀況有:

1)車輪踏面平均磨耗量不大(大約10萬km磨0.3 mm)，但多數(shù)具有踏面凹磨的特征。

2)異常振動(dòng)區(qū)段的鋼軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌廓形相比，軌距角部位相對(duì)突出。

3)當(dāng)車輪經(jīng)過磨耗后，遇有未打磨的岔區(qū)或鋼軌光帶不良地段，動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度偏大，報(bào)警機(jī)率增加。

4)對(duì)于跨線運(yùn)行的動(dòng)車組，由于車輪踏面磨耗位置不同，易出現(xiàn)橫向加速度超限。動(dòng)車組在哈大高鐵冬季以200 km/h運(yùn)行時(shí)，踏面磨耗位置為靠近滾動(dòng)圓外側(cè)2～4 mm;而動(dòng)車組在京滬高鐵以300 km/h運(yùn)行時(shí)，踏面磨耗位置為靠近滾動(dòng)圓內(nèi)側(cè)1～2 mm，兩者存在明顯差異。因而當(dāng)在哈大高鐵服役使用一段時(shí)間后的動(dòng)車組再跨線運(yùn)行到京滬高鐵時(shí)，在部分鋼軌光帶不良地段易出現(xiàn)報(bào)警情況。

研究表明，輪軌匹配等效錐度［2］的合理區(qū)域?yàn)?.08～0.35，等效錐度＜0.08時(shí)易產(chǎn)生晃車，等效錐度＞0.35時(shí)易產(chǎn)生橫向加速度超限。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，磨耗輪與軌距角突出的鋼軌匹配時(shí)，等效錐度較大(＞0.6)，易產(chǎn)生橫向加速度超限;新車輪與軌距角被過度打磨的鋼軌匹配時(shí)，等效錐度較小(＜0.05)，易產(chǎn)生晃車;標(biāo)準(zhǔn)60軌與新車輪或磨耗輪匹配時(shí)，等效錐度為0.10～0.35，處于合理區(qū)域;新車輪與標(biāo)準(zhǔn)60軌、軌距角突出鋼軌按標(biāo)準(zhǔn)打磨前或打磨后匹配時(shí)，等效錐度為0.10～0.25，處于合理區(qū)域。

從以上調(diào)查分析可以看出，動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度超限主要與輪軌匹配關(guān)系不良有關(guān)。另外，增加抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)剛度有利于降低橫向加速度幅值。

1.2 車體抖動(dòng)原因

在對(duì)京滬高鐵濟(jì)南西～天津和棗莊～滕州段集中出現(xiàn)的動(dòng)車組車體異常抖動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，動(dòng)車組車輪鏇修后運(yùn)行20萬km后，商務(wù)車廂易出現(xiàn)車體異常抖動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)測(cè)試，車體出現(xiàn)抖動(dòng)時(shí)，振動(dòng)源來自于輪軌激擾，頻率為8～10 Hz，持續(xù)時(shí)間為3～5 s，此時(shí)構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度＜0.4g，但經(jīng)車體、地板、座椅等傳遞后，振動(dòng)被放大，特別是座椅自振頻率與激擾頻率接近，易發(fā)生共振。其中座椅扶手相對(duì)地板，其振動(dòng)加速度放大了2.1倍;座椅靠背相對(duì)地板，其振動(dòng)加速度放大了4.5倍。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，抖動(dòng)區(qū)段鋼軌軌距角在動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)與輪緣根部圓弧接觸，導(dǎo)致輪軌匹配不良，等效錐度高達(dá)0.631。

2 動(dòng)車組異常振動(dòng)解決措施

為解決動(dòng)車組異常振動(dòng)問題，主要從保持合理的輪軌等效錐度出發(fā)，設(shè)計(jì)合適的車輪型面和鋼軌廓形，從而改善輪軌匹配關(guān)系［3］。

1)為了改善標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌與各型號(hào)動(dòng)車組之間的輪軌接觸關(guān)系，提出了鋼軌打磨的設(shè)計(jì)廓形，打磨后的鋼軌與新車輪或磨耗車輪匹配時(shí)，等效錐度均＜0.35。從京滬、哈大等高鐵運(yùn)營(yíng)實(shí)踐看，按設(shè)計(jì)廓形進(jìn)行鋼軌打磨的地段，鋼軌光帶寬度比較理想，基本未出現(xiàn)動(dòng)車組異常振動(dòng)現(xiàn)象。

2)以標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌為原型，設(shè)計(jì)了60 N新廓形鋼軌［4］。新廓形鋼軌可以做到在直線上輪軌接觸光帶居中，在曲線線路上車輪輪緣貼靠鋼軌形成輪軌共形接觸，并使得輪軌匹配具有合適的等效錐度。京廣高鐵下行K60+915—K75+915鋪設(shè)的60 N試驗(yàn)軌，自2012年底開通運(yùn)營(yíng)以來，鋼軌光帶寬度一直保持在26～32 mm。

3)由于新車輪與標(biāo)準(zhǔn)60軌、軌距角突出鋼軌按標(biāo)準(zhǔn)打磨前或打磨后匹配時(shí)，等效錐度均＜0.25，因而即使鋼軌軌廓存在問題，車輪踏面鏇修后，也可避免動(dòng)車組異常振動(dòng)。在武廣、京滬高鐵現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試地段，車輪鏇修后，動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度、車體抖動(dòng)明顯減小。因此，應(yīng)及時(shí)對(duì)出現(xiàn)凹型磨耗的車輪踏面進(jìn)行鏇修，同時(shí)應(yīng)對(duì)車輪踏面外形開展局部?jī)?yōu)化研究，增強(qiáng)對(duì)不同軌廓的適應(yīng)性。

此外，將抗蛇行減振器由小動(dòng)態(tài)剛度的T60型更換為大動(dòng)態(tài)剛度的T70型，可有效降低構(gòu)架橫向加速度幅值;在座椅底座連接處增加彈性墊后，座椅扶手和靠背的振動(dòng)加速度相對(duì)地板的放大倍率分別降低至0.64和1.76，可以有效減小異常振動(dòng)報(bào)警次數(shù)。

3 通過鋼軌打磨改善輪軌匹配關(guān)系

高速鐵路鋼軌打磨［5］可以提供良好的輪軌匹配關(guān)系，為高速列車的安全、平穩(wěn)和舒適運(yùn)行提供良好的基礎(chǔ)，同時(shí)降低高速列車運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲，還能預(yù)防鋼軌產(chǎn)生病害，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，降低高鐵運(yùn)營(yíng)成本。

高速鐵路鋼軌打磨按照不同的打磨階段和打磨目的，可以分為預(yù)打磨、預(yù)防性打磨和修理性打磨三類［6］。鋼軌預(yù)打磨是對(duì)鋪設(shè)上道后新鋼軌的打磨，目的是去除脫碳層，消除鋼軌在生產(chǎn)、焊接、運(yùn)輸和施工過程中產(chǎn)生的表面缺陷，優(yōu)化軌頭廓形，改善焊接接頭平順性。鋼軌預(yù)防性打磨是運(yùn)營(yíng)階段鋼軌修理的主要工作，是對(duì)鋼軌進(jìn)行的周期性打磨，目的是修復(fù)軌頭廓形，預(yù)防滾動(dòng)接觸疲勞裂紋、波浪(波紋)磨耗等病害的產(chǎn)生。鋼軌修理性打磨是對(duì)已產(chǎn)生病害鋼軌的打磨，目的是修正軌頭廓形，消除或減緩滾動(dòng)接觸疲勞裂紋、波浪(波紋)磨耗及擦傷等病害。

3.1 國(guó)外高鐵鋼軌打磨情況

JR東日本旅客鐵道公司規(guī)定，更換鋼軌后1年內(nèi)要進(jìn)行1次鋼軌打磨，隨后一般每5 000萬t通過總重打磨一次，以延長(zhǎng)鋼軌使用壽命;同時(shí)對(duì)噪音超標(biāo)地段有計(jì)劃地進(jìn)行打磨，對(duì)于通過住宅密集區(qū)的線路1年或每3 000萬t通過總重打磨一次鋼軌，如果每年都進(jìn)行鋼軌打磨，新干線的鋼軌使用壽命可由20年延長(zhǎng)到接近30年。法國(guó)高速鐵路新線在開通前要進(jìn)行一次鋼軌預(yù)打磨，開通后根據(jù)鋼軌表面狀態(tài)不定期進(jìn)行打磨。德國(guó)高速鐵路開通后鋼軌打磨周期一般為4年1遍［7］。

3.2 我國(guó)鋼軌打磨時(shí)機(jī)和周期建議

新鋪設(shè)上道鋼軌的預(yù)打磨應(yīng)在軌道精調(diào)完成后進(jìn)行。

已開通運(yùn)營(yíng)的高速鐵路，預(yù)防性打磨周期應(yīng)按通過總重和運(yùn)行狀態(tài)確定，原則上每3 000～5 000萬t通過總重進(jìn)行一次鋼軌預(yù)防性打磨，岔區(qū)和R≤2 800 m曲線地段打磨周期宜采用通過總重的下限，直線和大半徑曲線區(qū)段宜采用通過總重的上限，且一般不宜超過2年［8-9］。

修理性打磨應(yīng)根據(jù)鋼軌狀態(tài)及時(shí)安排［10］，當(dāng)重復(fù)出現(xiàn)動(dòng)車組抖車、構(gòu)架橫向加速度超限且光帶不良，或出現(xiàn)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼軌傷損地段，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修理性打磨。根據(jù)近幾年的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)成段鋼軌光帶寬度超過40 mm，或光帶出現(xiàn)連續(xù)的周期性寬窄變化，宜有計(jì)劃安排鋼軌打磨;如果成段鋼軌光帶超過50 mm，應(yīng)盡快安排鋼軌打磨。

3.3 鋼軌打磨作業(yè)的實(shí)施

高速鐵路鋼軌打磨應(yīng)按照“嚴(yán)檢慎修”的原則，提前調(diào)查并做好維修設(shè)計(jì)［11］。鋼軌打磨的目標(biāo)廓形應(yīng)為設(shè)計(jì)廓形或60 N廓形，但不能為滿足光帶寬度和位置要求而過度打磨軌頭兩側(cè)區(qū)域。

1)打磨作業(yè)前

開展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，根據(jù)目標(biāo)廓形、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況制定打磨作業(yè)方案。打磨前應(yīng)先進(jìn)行打磨參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)［12］，確認(rèn)打磨廓形達(dá)到要求后，才能進(jìn)行正式打磨。對(duì)焊接接頭軌頭踏面平直度進(jìn)行檢查，當(dāng)接頭平直度超標(biāo)時(shí)，應(yīng)采用仿形打磨設(shè)備對(duì)焊接接頭進(jìn)行局部打磨。對(duì)影響正常打磨操作地段，尤其是影響軌距角打磨的因素進(jìn)行調(diào)查，并預(yù)先采取措施，以保證鋼軌打磨正常進(jìn)行。

2)打磨作業(yè)

及時(shí)檢查鋼軌廓形、切削量、磨面寬度等技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)鋼軌實(shí)測(cè)廓形與目標(biāo)廓形差異及時(shí)調(diào)整打磨程序和完善打磨作業(yè)方案，確保實(shí)現(xiàn)目標(biāo)廓形和滿足打磨質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求［13］。打磨車作業(yè)速度根據(jù)打磨性質(zhì)和打磨列車特性確定。多遍打磨時(shí)，應(yīng)逐遍降低打磨功率或提高打磨速度，確保打磨后表面粗糙度達(dá)標(biāo)。

3)打磨作業(yè)后

要及時(shí)清除打磨車及鋼軌頂面的打磨碎屑，嚴(yán)防運(yùn)行過程中掉落在線路或道岔上;及時(shí)清理道岔滑床板及無砟軌道上的打磨碎屑。還應(yīng)做好施工地段及鋼軌打磨車自身的消防工作。相關(guān)設(shè)備管理單位應(yīng)及時(shí)恢復(fù)作業(yè)中拆除的設(shè)備。道岔打磨作業(yè)完成后，應(yīng)進(jìn)行道岔扳動(dòng)試驗(yàn)。

4)驗(yàn)收

鋼軌打磨每日作業(yè)完成后，工務(wù)段應(yīng)與工務(wù)機(jī)械段共同查看作業(yè)質(zhì)量，檢測(cè)重點(diǎn)項(xiàng)目，并辦理簽認(rèn)手續(xù)。每打磨50～100 km(含同一打磨方案的首日作業(yè))或每打磨5～10組道岔應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收。新線鋪設(shè)上道的鋼軌預(yù)打磨，應(yīng)逐步實(shí)行打磨質(zhì)量第三方評(píng)估。鋼軌打磨的驗(yàn)收項(xiàng)目包括:打磨廓形、輪軌接觸光帶、打磨深度、打磨面粗糙度、發(fā)藍(lán)帶、打磨平面寬度、打磨砂輪起落部位的砂輪磨痕、波磨鋼軌打磨前后谷深、滾動(dòng)接觸疲勞鋼軌表面殘留裂紋、擦傷軌表面硬度等。

打磨后，直線地段和曲線下股鋼軌接觸光帶應(yīng)基本居中，寬度為20～30 mm;曲線上股鋼軌接觸光帶偏向內(nèi)側(cè)。鋼軌打磨后應(yīng)無肥邊、無疲勞裂紋、無連續(xù)發(fā)藍(lán)帶。

4 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)車組出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)，應(yīng)由工務(wù)和車輛部門共同進(jìn)行研究，針對(duì)產(chǎn)生的原因，提出處置意見。

鋼軌保持良好的廓形，不僅可以使車輛具有較好的動(dòng)力學(xué)性能，更可以顯著降低輪軌接觸應(yīng)力，減緩輪軌接觸疲勞，減少軌距角剝離掉塊、飛邊等病害的產(chǎn)生。工務(wù)和車輛部門應(yīng)聯(lián)合建立輪軌匹配等效錐度分析和動(dòng)態(tài)管理機(jī)制。發(fā)生動(dòng)車組橫向加速度超限或抖動(dòng)時(shí)，應(yīng)按規(guī)范要求采集數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一匯總分析，為進(jìn)一步完善車輪鏇修及鋼軌打磨管理提供依據(jù)。還應(yīng)進(jìn)一步開展動(dòng)車組輪軌匹配關(guān)系深化研究，確定最優(yōu)的輪軌匹配關(guān)系，指導(dǎo)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的研制及線路的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)。

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(責(zé)任審編葛全紅)

U213．4+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．33

1003-1995(2015)03-0119-03

2014-10-20;

2015-02-20

張曉陽(yáng)(1973—)，男，河南鎮(zhèn)平人，高級(jí)工程師。