動車組車輛橫向失穩(wěn)原因辨識方法研究

陳德賽，吳華麗

(1.四川省成都市第七中學，成都 610041；2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

動車組車輛橫向失穩(wěn)原因辨識方法研究

陳德賽1，吳華麗2，*

(1.四川省成都市第七中學，成都 610041；2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

動車組車輛橫向穩(wěn)定性是車輛服役安全的評估指標，曾發(fā)生多起橫向失穩(wěn)故障。通過橫向失穩(wěn)的失效鏈路分析，根據(jù)車輛橫向失穩(wěn)的特征頻率、振動傳遞關系，辨識了車輛橫向失穩(wěn)的3類原因。通過輪對、軸箱和構架異常振動，結(jié)合車輛運行線路，辨識踏面異常磨耗是車輛橫向失穩(wěn)的主要原因；通過構架和車體枕梁的振動傳遞關系，辨識蛇行減振器和二系橫向減振器阻尼值減小是車輛橫向失穩(wěn)的主要原因；通過構架振動的多邊形特征頻率，辨識車輪多邊形是車輛橫向失穩(wěn)的主要原因。提出的車輛橫向失穩(wěn)原因辨識方法應用于某型動車組，為該型動車組橫向失穩(wěn)原因辨識提供了參考。

鐵道車輛；橫向失穩(wěn)；失穩(wěn)影響因素；失效鏈路；失穩(wěn)原因辨識

0 引言

動車組在2015年5～7月期間發(fā)生了7起橫向失穩(wěn)故障，至今其橫向失穩(wěn)原因沒有明確解釋。

國內(nèi)有大量的學者研究過鐵路車輛橫向失穩(wěn)。董浩[1]對鐵道車輛運動穩(wěn)定性機理及分岔類型進行了深入研究。賈璐等[2-3]分別采用構架加速度幅值、輪對加速度均方根值、構架加速度均方根值、輪軌導向力之和均方根值、UIC構架加速度幅值來表征車輛橫向失穩(wěn)，并對比分析了5種評價方法下所得臨界速度，這5種橫向失穩(wěn)表征方法可作為借鑒。陳政南等[4]對車體和構架橫向加速度、輪軸橫向和輪軸垂向力3個方面在車輛橫向失穩(wěn)時呈現(xiàn)的動力學性能特征進行了分析，歸納和總結(jié)可以通過構架和車體的橫向振動加速度來評判車輛是否橫向失穩(wěn)，還可以通過輪軌橫向力和垂向力出現(xiàn)的特征來輔助判斷；田光榮[5]針對鐵路貨車的時域和頻域特征，提出了我國鐵路貨車蛇行失穩(wěn)評判的限值；甘敦文[6]采用統(tǒng)計特征量來描述高速列車橫向失穩(wěn)，建立描述高速列車車輛橫向加速度信號分布的高速列車高斯混合振動模型，基于貝葉斯聚類算法實現(xiàn)高速列車橫向穩(wěn)定性的識別；張雪珊等[7]采用數(shù)值仿真的方法，研究了高速車輪橢圓化問題將導致車輛系統(tǒng)橫向蛇行失穩(wěn)，嚴重惡化其運行品質(zhì)，并大大降低其橫向穩(wěn)定性。以上學者對鐵道車輛運動穩(wěn)定性機理、振動特征和辨識方法進行了研究，但目前尚未開展基于車輛系統(tǒng)振動辨識車輛系統(tǒng)橫向失穩(wěn)原因的研究。

本研究在對車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性認識的基礎上，通過車輛系統(tǒng)動力學行為，建立車輛系統(tǒng)橫向失穩(wěn)鏈路，并在此基礎上進一步開展基于車輛振動的橫向失穩(wěn)原因辨識研究，研究數(shù)據(jù)均來源于課題組研究工作。

1 車輛橫向失穩(wěn)機理及失穩(wěn)影響因素分析

1.1 車輛橫向失穩(wěn)機理

車輛橫向穩(wěn)定性機理研究用到的評價指標為臨界速度，圖1為3種典型的系統(tǒng)失穩(wěn)分岔形式，其中最靠近坐標左側(cè)的失穩(wěn)速度(圖1a、1b中的B點)為非線性臨界速度，橫坐標軸上的失穩(wěn)速度點A為線性臨界速度，車輛橫向穩(wěn)定性的評價指標為非線性臨界速度[8]。

圖1 典型失穩(wěn)分岔形式Fig.1 Typical bifurcation form of lateral instability

1.2 車輛橫向穩(wěn)定性影響因素研究

本研究通過多體動力學軟件SIMPACK建立某型動車車輛動力學模型，如圖2所示。車輛蛇行臨界速度計算采用的軌道激擾類型為理想軌道不平順，即假定軌道不平順幅值為0，僅在初始條件下給車輛施加一橫向脈沖激擾；計算方法采用“恒速”法，即給定某一計算速度，觀察在初始激擾下構架蛇形運動的收斂情況，若收斂則增大計算速度，反之則降低速度，直至找到列車穩(wěn)定的最大運行速度。

圖2 車輛蛇行臨界速度計算模型Fig.2 Calculation model of critical speed of vehicle system

通過基于車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學模型的單參數(shù)影響規(guī)律分析和相關文獻的調(diào)研，確定影響動車組橫向穩(wěn)定性的車輛系統(tǒng)中關鍵影響因素集，如表1所示。因素集中各參數(shù)的影響曲線如3所示。

由圖3可知影響因素與車輛橫向穩(wěn)定性的映射關系：

1)抗蛇行減振器阻尼與臨界速度的映射關系為

y=3.960 7x+462.93,x≤10%c

y=-0.25x+505.1x>10%c

2)二系橫向減振器阻尼變化量與臨界速度的映射關系為

y=691.42·e0.0157x,x≤-20%c

y=-0.847 6x+473.71,x>20%c

3)一系縱向定位剛度變化量與臨界速度的映射關系為

y=-0.971 4x+380,x≤10

y=-0.22x+364.6,x>10

4)同軸輪徑差與臨界速度的映射關系為

y=-81.371x+409.9x≤1.3

y=-15.784x+323.32,x>1.3

5)同轉(zhuǎn)向架輪徑差與臨界速度的映射關系為

y=-26.964x+435.54,x≤3

y=-52.667x+518.36,x>3

6)低階多邊形深度與臨界速度的映射關系為

y=-620.34x+449.66

7)高階多邊形深度與臨界速度的映射關系為

y=-92.44lnx-61.241

表1 車輛系統(tǒng)橫向穩(wěn)定性關鍵影響因素集Table 1 Key factors of lateral stability of vehicle system

圖3 因素集中單參數(shù)對車輛橫向穩(wěn)定性的影響Fig.3 Influence of parameters on lateral stability

由圖3可見，抗蛇形減振器阻尼值低于設計值時，車輛的橫向穩(wěn)定性隨數(shù)值的減小逐漸劣化；高于設計值時，增幅在0～10%范圍內(nèi)二者呈遞增趨勢，超過之后橫向穩(wěn)定性隨抗蛇行減振器阻尼值的增大緩慢減小。當二系橫向減振器阻尼值低于設計值20%以上時，車輛橫向穩(wěn)定性隨著該阻尼值的減小逐漸劣化，當該阻尼值不低于設計值的80%以上，車輛的橫向穩(wěn)定性較平穩(wěn)，略有隨該值增大而減小的趨勢。當一系縱向定位剛度值低于設計值的1.1倍時，車輛橫向穩(wěn)定性隨該值的減小略有增大，當該值超過設計值的1.1倍后，車輛的橫向穩(wěn)定性基本保持平穩(wěn)。車輛橫向穩(wěn)定性隨輪徑差(同軸、同架)的增大而逐漸劣化，劣化速率分階段略有差別，對同軸輪徑差，差值在(0～1.5) mm時劣化速率較大，而后劣化過程較平緩；對于同架輪徑差，(0～3) mm段的劣化速率較緩，超過3 mm后的劣化速率較大。車輪多邊形對車輛橫向穩(wěn)定性的影響取決于多邊形階數(shù)和深度，低階多變形對車輛橫向穩(wěn)定性的影響較小，高階多邊形對其影響顯著，劣化速率高?；趩螀?shù)對車輛橫向穩(wěn)定性的影響規(guī)律，本研究確定了單參數(shù)的安全閾值，如表2所示。

表2 單參數(shù)閾值Table 2 Threshold value of single parameter

注：(A)+表示不低于(A)的值，(A)-表示不高于(A)的值。

2 車輛橫向失穩(wěn)辨識方法研究

車輛橫向失穩(wěn)是由于車輛在運行過程中，車輪、懸掛、軌道線路等關鍵部件的狀態(tài)逐漸退化導致。部件狀態(tài)退化導致車輛振動響應劣化，車輛振動響應劣化后進一步導致部件狀態(tài)退化。通過車輛系統(tǒng)動力學，分析部件狀態(tài)退化引起車輛橫向失穩(wěn)的失效鏈路，根據(jù)失效鏈路的特征，基于車輛振動信息辨識車輛橫向失穩(wěn)的原因。

2.1 車輛橫向失穩(wěn)的失效鏈路分析

服役過程中，二系橫向減振器和抗蛇行減振器常常出現(xiàn)減振器漏油和橡膠節(jié)點硬化兩類故障，這兩類故障會導致減振器阻尼減小；二系減振器阻尼減小導致構架和車體枕梁橫向加速度傳遞異常，當橫向加速度異常達到一定程度時，就導致了轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)。

隨著運營里程的增加，由于車輪偏心或輪對結(jié)構模態(tài)[9]等多種復雜原因，車輪多邊形逐漸產(chǎn)生，當車輪多邊形深度超過限值時，會導致構架橫向加速度增加，橫向加速度會產(chǎn)生的特征頻率。

隨著運營里程的增加，車輪磨耗會導致車輪踏面外形變化，軌頭廓形也會逐漸變化，輪軌接觸幾何關系改變，導致輪對異常振動，進一步傳遞給軸箱，再傳遞給構架，導致車輛橫向失穩(wěn)。

在車輪磨耗時，輪徑差、線路不平順同時產(chǎn)生，當輪徑差與線路不平順超過限值時，也會導致輪對、軸箱和構架的橫向異常振動。

車輛橫向失穩(wěn)的失效鏈路如圖4所示。

2.2 基于加速度信息的車輛橫向失穩(wěn)原因辨識

根據(jù)車輛橫向失穩(wěn)的失效鏈路分析，基于可檢測獲得的車輛系統(tǒng)軸箱、構架和車體加速度信息，反向辨識車輛橫向失穩(wěn)的原因。

1)當車輛發(fā)生橫向失穩(wěn)時，進一步結(jié)合失穩(wěn)特征辨識車輛橫向失穩(wěn)的原因；

2)當構架和車體振動傳遞比異常(與本車歷史傳遞比相比)時，則判斷二系橫向減振器或抗蛇行減振器故障導致了橫向失穩(wěn)；

3)當構架橫向失穩(wěn)，且同時出現(xiàn)多邊形特征頻率f時，則可指導檢查車輪多邊形深度是否超限，可能是車輪多邊形導致的橫向失穩(wěn)；

4)當車輪、軸箱和構架均出現(xiàn)異常振動，則是輪軌接觸幾何關系異常，導致了車輛橫向失穩(wěn)；同時由于踏面外形對輪軌幾何關系的影響最甚，結(jié)合車輪磨耗規(guī)律，可判斷是踏面外形或輪徑差導致的車輛橫向失穩(wěn)；通過不同線路的振動數(shù)據(jù)分析，當同車不同線路振動不同時，可判斷由于線路狀態(tài)異常導致車輛橫向失穩(wěn)。

車輛橫向失穩(wěn)辨識方法如圖5所示。

橫向失穩(wěn)原因辨識步驟：

1)提取軸箱、構架和車體橫向加速度；

2)對構架加速度進行濾波，判斷其是否出現(xiàn)橫向失穩(wěn)；

3)對測點加速度信息進行時域統(tǒng)計或頻域分析，提取時域統(tǒng)計值，提取主頻頻率和幅值；

4)分析其統(tǒng)計特征值及主頻與剛鏇修后的統(tǒng)計特征值及主頻的區(qū)別；

5)判斷橫向失穩(wěn)原因：根據(jù)構架和車體枕梁的統(tǒng)計特征值傳遞關系判斷抗蛇行減振器或二系橫向減振器的阻尼減小導致車輛橫向失穩(wěn)；根據(jù)輪對和構架的統(tǒng)計特征值傳遞關系融合軌道線路歷史振動信息，判斷車輪異常磨耗導致車輛橫向失穩(wěn)；根據(jù)多邊形特征頻率和幅值，判斷其失穩(wěn)原因為車輪多邊形引起的失穩(wěn)。

圖4 車輛橫向失穩(wěn)失效鏈路Fig.4 Failure chain of vehicle lateral instability

圖5 車輛橫向失穩(wěn)原因辨識方法Fig.5 Identification method of vehicle lateral instability

3 實例

已獲得某型動車構架橫向加速度，其加速度時域信息如圖6所示。采用10 Hz低通濾波，并根據(jù)UIC515標準判斷，如圖7所示，車輛已橫向失穩(wěn)。

圖6 構架加速度時域圖Fig.6 Acceleration time domain of frame

圖7 構架加速度失穩(wěn)判斷圖Fig.7 Judgment of acceleration instability of frame

根據(jù)構架橫向加速度數(shù)據(jù)，進行時域統(tǒng)計，其結(jié)果如表3所示，進行頻域分析，如圖8所示。

表3 加速度統(tǒng)計Table 3 Acceleration statistics m·s-2

與剛鏇修后的車輛振動數(shù)據(jù)相比，橫向失穩(wěn)的構架振動具有特征頻率573 Hz，這個特征頻率是多邊形特征頻率，約為20階多邊形，其計算方法是。因此可判斷車輛橫向失穩(wěn)的原因是車輪多邊形。

圖8 頻域分析Fig.8 Frequency domain analysis

4 結(jié)論

1)基于車輛橫向失穩(wěn)機理，以車輛蛇行臨界速度為指標，分析確定了車輛橫向失穩(wěn)的主要影響因素，包括：線路不平順、抗蛇行減振器阻尼、二系橫向減振器阻尼、一系縱向定位剛度、輪徑差、車輪踏面外形、車輪多邊形、軌頭廓形。

2)建立了車輛橫向失穩(wěn)的失效鏈路，提出了基于失效鏈路的車輛橫向失穩(wěn)的原因辨識方法，給出了具體步驟和判斷條件。

3)結(jié)合實例，對車輛橫向失穩(wěn)的原因辨識方法進行了驗證，可有效地辨識出車輪橫向失效的原因。

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[6] 甘敦文. 基于貝葉斯聚類的高速列車橫向穩(wěn)定性識別方法及其實時在線監(jiān)測裝置[J]. 中國鐵道科學,2016,37(4):139-144.

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Identification Method of Lateral Instability Reason of EMU Train

CHEN De-sai1，WU Hua-li2，*

(1.ChengduNo.7HighSchool,Chengdu610041,China;
2.StateKeyLaboratoryofTractionPower,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Lateral stability is a safety evaluation indicator of railway vehicles. Lateral instability happened to a type of EMU trains for several times. By failure chain analysis, three causes of lateral instability were identified. Based on the abnormal vibration of wheel-sets, axle box and frame as well as the line information, the wheel wear was identified as a main reason of lateral instability. Based on the transmission relationship of vibration from frame to beam of body, the decrease of damping value of the anti-snake damper or lateral damper was identified as a main reason of lateral instability. Based on the polygon feature frequency of frame vibration, the polygon wheels were identified as a main reason of lateral instability. The identification method of lateral instability was applied, which provided a reference for identifying the lateral instability reason of EMU trains.

railway vehicle; lateral instability; influencing factor of lateral instability; failure chain; identification of lateral instability cause

2016年11月5日

2017年1月20日

高速鐵路系統(tǒng)安全保障技術(2016YFB1200401)

吳華麗(1992年-)，女，碩士研究生，主要從事車輛系統(tǒng)故障診斷與健康預測理論方法等方面的研究。

U266

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.01.002

1673-6214(2017)01-0007-06