某型高速動車組異常晃動問題調(diào)查研究

李曉峰 崔利通 沈文林

【摘 要】某高速動車組在運營期間出現(xiàn)了異常橫向晃動現(xiàn)象，在一定程度上影響了旅客乘坐舒適性。為調(diào)查晃動問題發(fā)生的原因，在晃動明顯的車輛相應位置的轉(zhuǎn)向架布置測點開展振動專項線路測試，獲得了車輛在實際運行期間的平穩(wěn)性指標及振動主頻，確定了僅在全線局部位置發(fā)生晃動現(xiàn)象，屬一次蛇行運動，局部位置輪軌匹配等效錐度過低是引起車輛晃動的主要原因，轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性評估結(jié)果表明均滿足標準要求，為確保動車組后續(xù)安全運營提出相關(guān)建議。

【關(guān)鍵詞】低頻橫向晃動；平穩(wěn)性；輪軌匹配；蛇行運動

【中圖分類號】U266 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）09-0040-03

0 引言

我國高速鐵路發(fā)展迅速，快速、舒適是典型的特點，極大程度地提高了人民出行的便利性，在引進、消化、吸收再創(chuàng)新過程中，積累了不同類型的運用經(jīng)驗，優(yōu)化了原始設(shè)計，最終設(shè)計出適應我國現(xiàn)狀的“復興號”高速動車組，各型故障的調(diào)查研究是極為重要的。某高速動車組在運營過程中，乘客、隨車人員相繼反映車輛存在橫向晃動現(xiàn)象，一定程度上影響了旅客乘坐舒適性。用戶和工廠對此高度重視，立即對該問題開展了詳細、深入的調(diào)查研究。調(diào)查主要圍繞晃動現(xiàn)象是否影響動車組安全運行、導致晃動問題的可能原因、抑制晃動問題的措施3個方面展開。經(jīng)多次討論，為掌握車輛的實際振動狀態(tài)，最終確定開展線路試驗，即在晃動明顯的車輛的轉(zhuǎn)向架布置振動測點進行線路測試，通過真實的振動形態(tài)判斷晃動問題類型，進而提出對應的解決方案。

目前，我國采用的高速動車組均為轉(zhuǎn)向架形式的軌道車輛，轉(zhuǎn)向架又稱走行部，是保證高速動車組安全平穩(wěn)性運行的核心因素，是高速動車組的關(guān)鍵技術(shù)之一。轉(zhuǎn)向架一般采用近似錐形的車輪踏面，具有運行中自動對中功能，可在無特有轉(zhuǎn)向機構(gòu)的前提下順利通過曲線，但是在具有上述優(yōu)點的同時，也帶來了特有的蛇行運動特性。蛇行運動屬自激振動，屬非線性振動，一般可將轉(zhuǎn)向架式車輛的蛇行運動分為2類：一次蛇行（又稱車體蛇行）和二次蛇行（又稱轉(zhuǎn)向架蛇行）[2]。一次蛇行一般頻率較低，車體晃動表現(xiàn)較為明顯，城鐵、普通鐵路客車等出現(xiàn)的晃動現(xiàn)象多與一次蛇行相關(guān)，影響一次蛇行的主要因素包括輪軌匹配等效錐度和二系懸掛剛度特性等。

1 調(diào)查研究

調(diào)查研究的主要目標為回答上述3個問題，即評估安全性、查找可能原因、提出解決方案，因此調(diào)查的思路也緊密圍繞這3點展開。首先對作為核心因素的車輪踏面外形及輪軌匹配狀態(tài)進行了調(diào)查，并同掌握的服役性研究規(guī)律做對比；其次是通過線路振動響應測試，掌握晃動時刻車輛各位置的真實振動狀態(tài)，一方面可用于安全性評估，另一方面可用于分析晃動產(chǎn)生的原因；最后根據(jù)各項調(diào)查結(jié)果進行深入的分析。

1.1 輪軌匹配

輪軌匹配狀態(tài)直接影響車輛的動力學性能，實際等效錐度可作為研究異常振動的關(guān)鍵因素之一，通常按照UIC519標準來計算等效錐度。由于線路狀態(tài)調(diào)查存在一定的困難，利用丹麥格林伍德公司研發(fā)的Minprof便攜式車輪外形測量儀對發(fā)生晃動的該列動車組全列車輪進行了踏面外形測試，按照UIC519標準與國內(nèi)高鐵線路設(shè)計實用的標準60鋼軌廓形[5]進行輪軌匹配分析，結(jié)果可知全列等效錐度為0.14～0.16，通過與前期相同型號的動車組長期服役跟蹤試驗獲得的規(guī)律對比發(fā)現(xiàn)，在當前運行里程下車輪磨耗、等效錐度等均未見異常；由于鏇修后運行里程較短，為排除車輪鏇修質(zhì)量的問題，我們查閱了新鏇修后的車輪外形數(shù)據(jù)，并未發(fā)現(xiàn)異常，車輪鏇修質(zhì)量滿足要求，經(jīng)對車輪進行多項調(diào)查后，基本排除了車輪型面出現(xiàn)異常而導致晃動的原因。新鏇修車輪實測與標準踏面對比如圖1所示。

1.2 振動響應

振動響應分析思路主要基于實際線路測獲得的車輛振動狀態(tài)，首先分析車輛平穩(wěn)性指標，尤其是橫向晃動明顯的時刻；其次對車體振動信號進行頻域分析，獲得晃動時刻的主要頻率成分；然后對晃動時刻的構(gòu)架橫向振動加速度進行分析，按照標準[1]評估轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性；最后根據(jù)軸箱、構(gòu)架、車體振動信號分析晃動原因。

1.2.1 測試方案

在該動車組晃動較明顯的車輛相應的轉(zhuǎn)向架布置測點，測點類型主要為振動加速度、位移、GPS等。轉(zhuǎn)向架測點主要包括軸箱、構(gòu)架端部、構(gòu)架中部、車體枕梁、抗蛇行減振器等，對同一轉(zhuǎn)向架的4個端部均進行了測點布置，便于通過振動相位分析轉(zhuǎn)向架及車體的振動形態(tài)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用美國HBM公司生產(chǎn)的eDAQ，是在高速動車組測試中已有成熟運用經(jīng)驗。

加速度傳感器通過固定安裝座在測點位置固定，線纜布置時在保證相對運動部件之間的運動裕量前提下，盡可能地沿車輛既有線路、管路等布置，數(shù)采設(shè)備固定在車下設(shè)備艙內(nèi)，由車載電源提供用電。根據(jù)本次測試的主要目標，結(jié)合既有試驗的經(jīng)驗，將加速度、位移信號的采樣頻率設(shè)置為2 000 Hz，GPS的采樣頻率設(shè)置為500 Hz。經(jīng)用戶多方努力協(xié)調(diào)，運行線路單程約500 km，包含了反映晃動嚴重的區(qū)段。

1.2.2 平穩(wěn)性分析

利用車體枕梁位置的加速度信號按照標準進行平穩(wěn)性指標計算發(fā)現(xiàn)，全程線路僅個別位置橫向平穩(wěn)性指標大于2.75但小于3.0，垂向平穩(wěn)性指標大于2.5小于2.75，仍符合評定標準[1]中合格的要求。對平穩(wěn)性指標較大區(qū)域進行詳細分析，從時域信號可看出存在明顯諧波振動，主頻約1.5 Hz，幅值小于0.1 g，小于標準要求0.25 g的要求；為進一步分析晃動頻率與速度、線路位置的關(guān)系，對車體枕梁信號進行時頻分析，利用短時傅里葉變換方法計算可知，在線路局部位置出現(xiàn)約1.5 Hz主頻信號能量集中，晃動主要發(fā)生在正線運行，速度約在300 km/h，同時利用GPS定位了晃動具體區(qū)段，為用戶檢查線路提供了重要信息。全程平穩(wěn)性結(jié)果及局部時域信號如圖2所示。

1.2.3 橫向穩(wěn)定性評估

車輛發(fā)生橫向晃動時，乘坐舒適性降低，此時車輛運行狀態(tài)是否安全是首要關(guān)注項。由于未裝測力輪對，所以可通過構(gòu)架橫向振動加速度來評估轉(zhuǎn)向架的橫向穩(wěn)定性狀態(tài)，高速動車組整車試驗規(guī)范、TSI標準等均做了規(guī)定，0.5～15 Hz（3～9 Hz）濾波后構(gòu)架橫向振動加速度連續(xù)10次小于0.8 g，動車組配備了車載失穩(wěn)報警監(jiān)測裝置，采用一致的判定方法，當監(jiān)測到轉(zhuǎn)向架存在失穩(wěn)報警故障時，按照監(jiān)測邏輯進行動車組降速運行，確保車輛安全。

按照標準對構(gòu)架橫向振動加速度信號濾波處理方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)全程構(gòu)架橫向振動加速度幅值均小于0.4 g，遠小于報警限值0.8 g，不存在構(gòu)架失穩(wěn)報警風險，當車體出現(xiàn)明顯晃動時刻，構(gòu)架橫向振動加速度幅值也小于0.4 g，因此車輛的橫向穩(wěn)定性評估是滿足標準要求的，不存在安全性問題，為用戶提出車輛可繼續(xù)運營的安全性分析建議。

1.3 原因分析

前述小節(jié)對晃動時刻的平穩(wěn)性、運行安全性等首要問題做了回答，接下來通過轉(zhuǎn)向架各位置測點的振動信號等分析實際振動時轉(zhuǎn)向架及車體的振動形態(tài)，對應車輛設(shè)計模態(tài)等，確定晃動原因。

選取晃動明顯時刻，對軸箱、構(gòu)架、車體枕梁測點信號進行濾波處理，由于晃動主頻約1.5 Hz，故將濾波頻率設(shè)置為0.5～5 Hz帶通，便于找到引起車體枕梁產(chǎn)生1.5 Hz主頻信號的原因。通過對比車體晃動時刻軸箱—構(gòu)架—車體的相位關(guān)系，發(fā)現(xiàn)車體4個端部橫向相位一致，2位轉(zhuǎn)向架的4個端部橫向相位一致。車體枕梁左右側(cè)垂向相位相反，2位轉(zhuǎn)向架的4個構(gòu)架端部垂向相位無明顯關(guān)系，構(gòu)架和枕梁垂向相位基本一致，故晃動形式存在明顯滾擺，通過分析軸箱至構(gòu)架至車體的橫向振動傳遞關(guān)系可知，軸箱、構(gòu)架先于車體發(fā)生低頻橫向晃動（如圖3所示）。

根據(jù)在動車組設(shè)計時的動力學仿真計算和滾動振動臺架試驗結(jié)果可知，該車輛的上心滾擺模態(tài)頻率為1.3～1.5 Hz。因此，初步分析認為本文調(diào)查研究的車輛橫向低頻晃動形式以車輛上心滾擺為主，轉(zhuǎn)向架先發(fā)生低頻晃動，晃動主頻與車輛固有的上心滾擺模態(tài)頻率接近，車體發(fā)生共振，表現(xiàn)為明顯的橫向晃動，是較為典型的一次蛇行運動。

引起轉(zhuǎn)向架一次蛇行運動的根本原因是輪軌匹配狀態(tài)不良，當實際輪軌匹配等效錐度較低，其蛇行運動頻率較低，易發(fā)生一次蛇行，因此要求實際車輪和鋼軌廓形在鏇修或打磨時應保持在一定的偏差范圍內(nèi)，確保其具有良好的匹配關(guān)系，從根本上改善動車組的動力學性能，避免異常振動問題的發(fā)生。

（1）從車輛角度來說，在懸掛參數(shù)設(shè)計時僅考慮了車輪與標準鋼軌廓形匹配，受限于無法獲取將來運行線路的鋼軌實際打磨后廓形，僅能被動地提高車輛對線路的適應能力，雖可通過適當降低二系懸掛剛度來緩解車輛晃動，但仍需考慮保證在車輪磨耗后期車輛具有較強的抑制轉(zhuǎn)向架二次蛇行的能力，二者顯然是矛盾的。作為高速動車組，首先要保證轉(zhuǎn)向架具有較強的抑制轉(zhuǎn)向架二次蛇行的能力，這是直接影響運行安全的，應在二者之間尋求一種平衡；其次可通過合理的車輪型面設(shè)計并匹配適當?shù)膽覓靺?shù)在保證運行安全性前提下盡量避免一次蛇行的出現(xiàn)，提高車輛乘坐舒適度。

（2）從線路角度來說，應盡可能地提高鋼軌廓形打磨精度，減小與基準廓形的偏差，以保證具備良好的輪軌匹配狀態(tài)，確保動車組安全、平穩(wěn)運行。

通過對車輪型面、平穩(wěn)性指標、車體振動頻率、轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性等一系列的調(diào)查研究，基本可判定該次車輛晃動問題為車輛的一次蛇行運動，主要原因為在車輪新鏇修后運行時與局部路段鋼軌型面匹配不良，實際匹配等效錐度較低，轉(zhuǎn)向架蛇行頻率與車體滾擺的模態(tài)接近，導致車體滾擺幅值放大，該現(xiàn)象僅影響乘坐舒適性，不影響運行安全。隨著運行里程增加，車輪型面磨耗后，實際匹配等效錐度變大，轉(zhuǎn)向架蛇行頻率與車體滾擺模態(tài)錯開，晃動現(xiàn)象將逐步消失。

2 結(jié)語

針對某高速動車組運營期間發(fā)現(xiàn)的橫向晃動現(xiàn)象，本文從車輪踏面外形狀態(tài)、車輪鏇修質(zhì)量、轉(zhuǎn)向架實際振動狀態(tài)等方面進行了詳細的調(diào)查和分析，得出以下結(jié)論：？譹？訛本次車輛橫向晃動屬于一次蛇行，一定程度上降低了旅客乘坐舒適性，初步判斷為與局部路段輪軌匹配等效錐度過低引起，隨著動車組運行里程增加，車輪磨耗后橫向晃動將逐步自動消失。？譺？訛在車輛發(fā)生橫向晃動時刻，轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架穩(wěn)定性滿足標準要求。？譻？訛建議用戶控制線路鋼軌廓形打磨精度，重點關(guān)注該列動車組后續(xù)運行狀態(tài)。

高速動車組的設(shè)計是一項綜合、復雜的系統(tǒng)工程，其中的轉(zhuǎn)向架設(shè)計作為關(guān)鍵技術(shù)之一，與動車組能否高速運行及運行過程是否安全、舒適密切相關(guān)。在設(shè)計轉(zhuǎn)向架時，既要滿足橫向穩(wěn)定性的安全性要求，又要提高旅客乘坐舒適性，這就需要有一套合理的懸掛參數(shù)設(shè)計，即處理好一次蛇行和二次蛇行之間的矛盾，不能顧此失彼，但也應有所側(cè)重。建議應加快推進車輛、線路部門的交流，在新產(chǎn)品設(shè)計及既有產(chǎn)品性能優(yōu)化提升時充分考慮線路在維護周期內(nèi)的狀態(tài)變化，輪軌界面是動車組外界激擾輸入的最主要方面，這樣才能保證動車組在輪軌維護周期內(nèi)具有預期良好的動力學性能。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]