多運(yùn)行工況下高速動(dòng)車組走行系統(tǒng)多位振動(dòng)特性分析

摘 要：走行系統(tǒng)是影響高速動(dòng)車組運(yùn)行安全的關(guān)鍵系統(tǒng)構(gòu)成，掌握走行系統(tǒng)不同工況下不同部位或設(shè)備的振動(dòng)特性，對(duì)實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車組走行系統(tǒng)安全狀態(tài)檢測(cè)、健康監(jiān)測(cè)、故障診斷與在線預(yù)警具有重要意義。該文基于高速動(dòng)車組運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，詳細(xì)地分析高速動(dòng)車組車體及轉(zhuǎn)向架多個(gè)部件或部位在直線、曲線及道岔通過不同運(yùn)行工況下振動(dòng)特性演變規(guī)律。首先對(duì)數(shù)據(jù)來源、實(shí)驗(yàn)方案及現(xiàn)有高速列車振動(dòng)特性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行闡述，進(jìn)一步分析車體振動(dòng)特性及轉(zhuǎn)向架多位振動(dòng)特性，重點(diǎn)涵蓋軸箱、構(gòu)架、齒輪箱和電機(jī)關(guān)鍵部件。分析結(jié)果對(duì)于掌握高速動(dòng)車組關(guān)鍵設(shè)備或部位動(dòng)態(tài)響應(yīng)及其變化規(guī)律具有指導(dǎo)與支撐作用，同時(shí)為高速列車關(guān)鍵部件振動(dòng)性能評(píng)價(jià)、部件維護(hù)檢修等提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車組；振動(dòng)；車體；轉(zhuǎn)向架；平穩(wěn)性；舒適性

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2017）03-0139-06

Abstract： The running system is the most critical influential factor to the operation safety of high-speed train. To grasp vibration characteristics of different parts or equipment under different operating conditions of the running system is of great importance for the realization of the safe condition monitoring， health monitoring， fault diagnosis and online early warning of the running system of high-speed EMU. The vibration characteristics of multiple components or high speed train parts on vehicle-body and bogie were analyzed in straight lines， turns and switches， which were based on the measured data getting from running high speed train in this paper. Firstly， the data source， the experimental scheme and the evaluation method of the vibration characteristics of the high-speed trains were described. Then the vibration characteristics of the vehicle body and the bogie were analyzed， including the axle box， frame， gear box and motor. The analysis results can be used as a reference for mastering the dynamic response of the key parts and the position of the high-speed train and evaluation or maintenance of the key components of high-speed trains.

Keywords： high speed train； vibration； vehicle-body； bogie； stability； comfort

0 引 言

隨著我國(guó)高速動(dòng)車組服役里程和數(shù)量的增加，保障高速列車服役期間運(yùn)行安全成為目前鐵路工作者及科研人員研究與攻克的重點(diǎn)，并且考核與評(píng)估高速動(dòng)車組各主要結(jié)構(gòu)件的安全性能成為研究重點(diǎn)。列車運(yùn)行中的振動(dòng)是軌道不平順、車輛自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和缺陷、運(yùn)營(yíng)工況、環(huán)境等諸多安全因素共同作用的必然結(jié)果[1-2]，尤其是當(dāng)列車運(yùn)行速度超過200 km/h時(shí)運(yùn)行阻力急劇增加、車輛振動(dòng)及輪軌間動(dòng)作用力加劇，列車脫軌傾覆危險(xiǎn)性增大[3]，因此，確保車輛在各種運(yùn)行工況下列車振動(dòng)特性平穩(wěn)與安全是高速動(dòng)車組近年來研究的熱點(diǎn)。為了全面地掌握與評(píng)價(jià)列車振動(dòng)特性，需要對(duì)列車各部件的振動(dòng)特性進(jìn)行分析與評(píng)估[4-6]。目前，現(xiàn)有的高速列車振動(dòng)評(píng)價(jià)主要有圍繞車體振動(dòng)的平穩(wěn)性指標(biāo)[7]，分別是對(duì)車體垂向振動(dòng)和橫向振動(dòng)加速度進(jìn)行振動(dòng)指標(biāo)評(píng)價(jià)，而對(duì)于車輛其他部位或零部件的振動(dòng)評(píng)價(jià)較少，更沒有形成專門的振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。隨著列車運(yùn)行速度的提高，零部件的振動(dòng)日益加劇，對(duì)零部件的疲勞強(qiáng)度要求越來越高，零部件振動(dòng)評(píng)價(jià)的滯后性越來越明顯，高速列車平穩(wěn)性性能評(píng)價(jià)應(yīng)該考慮到更多影響全局的振動(dòng)內(nèi)容。

轉(zhuǎn)向架是高速動(dòng)車組車輛借以在軌道上運(yùn)行的重要組成，主要功能是保證車輛運(yùn)行安全和平穩(wěn)，是較于軌道車輛承載系統(tǒng)、制動(dòng)裝置和公共系統(tǒng)等關(guān)乎列車運(yùn)行安全更為關(guān)鍵的系統(tǒng)組成。因此，轉(zhuǎn)向架各項(xiàng)性能成為高速動(dòng)車組性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外針對(duì)高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件振動(dòng)特性均有一定研究基礎(chǔ)，但大都基于仿真技術(shù)進(jìn)行分析，且主要針對(duì)某一特定工況下特定的零部件或部位[8-10]。本文基于高速動(dòng)車組跟蹤試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)多種運(yùn)行條件下轉(zhuǎn)向架多個(gè)部位的振動(dòng)特性進(jìn)行分析與比對(duì)，為掌握高速動(dòng)車組長(zhǎng)期服役動(dòng)態(tài)行為、合理優(yōu)化車輛關(guān)鍵部件檢修維護(hù)周期提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與試驗(yàn)方案

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均來自我國(guó)某型高速動(dòng)車組跟蹤試驗(yàn)。試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)由采集器、交換機(jī)、車載電腦、3G路由和測(cè)速模塊構(gòu)成，車載電腦通過車內(nèi)局域網(wǎng)對(duì)整個(gè)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制。測(cè)點(diǎn)主要布置在第1車和第4車，其中1車為拖車，4車為動(dòng)力車。本文主要從車體、軸箱、構(gòu)架、齒輪箱、電機(jī)等多個(gè)部位進(jìn)行高速動(dòng)車組走行系統(tǒng)振動(dòng)特性分析。8個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)采集均采用頻率響應(yīng)為DC-1 000 Hz的加速度傳感器，采樣頻率均為2 000 Hz。

2 振動(dòng)特性評(píng)價(jià)方法

列車在高速運(yùn)行過程中，由于線路不平順、車載設(shè)備服役條件、曲線通過、空流等因素，車體將產(chǎn)生不可避免的振動(dòng)。車體振動(dòng)往往包含多種頻率成分、多個(gè)方向并隨著時(shí)間變化。若發(fā)生共振，將對(duì)車體及車上旅客產(chǎn)生各方面不利影響，嚴(yán)重時(shí)甚至對(duì)旅客身體健康造成危害[11]。對(duì)列車振動(dòng)特性進(jìn)行評(píng)定，是對(duì)高速動(dòng)車組減振設(shè)計(jì)的必要工作?，F(xiàn)有通用評(píng)定指標(biāo)主要有[12]：平穩(wěn)性指標(biāo)、舒適度指標(biāo)和運(yùn)行品質(zhì)。

1）運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)

對(duì)于列車運(yùn)行平穩(wěn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，國(guó)際上主要采用UIC sperling評(píng)價(jià)法和ISO2631標(biāo)準(zhǔn)（包括1/3倍頻法和總督加權(quán)評(píng)價(jià)法），而我國(guó)采用GB 5599——1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性[13-14]。平穩(wěn)性測(cè)量的每一個(gè)速度級(jí)至少采集10～20段18 s的時(shí)間。單一頻率下，車體振動(dòng)的平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算公式為

頻率修正系數(shù)表如表1所示。

2）舒適度指標(biāo)

采用UIC513定義的舒適度指標(biāo)，UIC513指標(biāo)將時(shí)域加速度信號(hào)分成多段，對(duì)每段加權(quán)得到一個(gè)值，通過統(tǒng)計(jì)處理得到舒適度指標(biāo)。乘坐舒適度指標(biāo)按下式計(jì)算：

3）運(yùn)行品質(zhì)

車輛的運(yùn)行品質(zhì)用車體垂向振動(dòng)加速度進(jìn)行評(píng)價(jià)，作為車輛振動(dòng)的客觀度量參數(shù)。我國(guó)針對(duì)一定速度級(jí)的高速列車，對(duì)最大振動(dòng)加速度作了專門規(guī)定。而評(píng)價(jià)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)特性，除了最大加速度值，還應(yīng)考量測(cè)點(diǎn)振動(dòng)有效值。

3 多運(yùn)行工況下車體振動(dòng)特性分析

選取300 km/h速度下1車和4車車體振動(dòng)測(cè)點(diǎn)加速度信號(hào)進(jìn)行多運(yùn)行工況下高速動(dòng)車組車體振動(dòng)特性分析。表2所示為直線、曲線運(yùn)行條件下1車和4車車體振動(dòng)測(cè)點(diǎn)各項(xiàng)參數(shù)在100萬運(yùn)行公里數(shù)內(nèi)平均值。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 5599——1985與UIC513，該型高速動(dòng)車組運(yùn)行垂向、橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.5，舒適度指標(biāo)均小于2，特性或性能均為優(yōu)。同時(shí)，垂向振動(dòng)最大值均小于2.5 m/s2，該高速動(dòng)車組滿足運(yùn)行品質(zhì)的要求。對(duì)比動(dòng)車和拖車同部位振動(dòng)特性可發(fā)現(xiàn)，動(dòng)車的整體振動(dòng)特性反而優(yōu)于拖車，舒適度也更好。表2中直線條件下各項(xiàng)振動(dòng)特性指標(biāo)與曲線條件下相差不大，可見該高速動(dòng)車組曲線通過能力較好。

為了進(jìn)一步掌握高速動(dòng)車組動(dòng)車車體振動(dòng)特性隨速度變化情況，繪制高速動(dòng)車組27萬運(yùn)行公里內(nèi)振動(dòng)特性參數(shù)散點(diǎn)圖如圖1～圖4所示。

隨著列車運(yùn)行速度的提高，動(dòng)車車體垂向振動(dòng)最大值、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)及橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均緩慢增大，而列車乘坐舒適度指標(biāo)并未受列車運(yùn)行速度的影響，可見該型高速動(dòng)車組舒適度性能穩(wěn)定。

4 多運(yùn)行工況下轉(zhuǎn)向架多位振動(dòng)特性分析

選取300 km/h速度下4車轉(zhuǎn)向架上軸箱、構(gòu)架、齒輪箱、電機(jī)4個(gè)主要零部件及1車轉(zhuǎn)向架軸箱和構(gòu)架共6個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)加速度信號(hào)進(jìn)行多運(yùn)行工況下高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架振動(dòng)特性分析。表3所示為直線、曲線、道岔運(yùn)行條件下1車和4車轉(zhuǎn)向架各部位測(cè)點(diǎn)橫向振動(dòng)特性參數(shù)在100萬運(yùn)行公里數(shù)內(nèi)平均值。

依據(jù)軸箱與構(gòu)架上振動(dòng)情況，比較動(dòng)車與拖車振動(dòng)整體性能。由表3可知，在3種運(yùn)行條件下，動(dòng)車軸箱振動(dòng)始終要大于拖車軸箱振動(dòng)；構(gòu)架振動(dòng)則需視運(yùn)行條件而言，直線和曲線條件下，拖車構(gòu)架振動(dòng)要大于動(dòng)車構(gòu)架振動(dòng)，這種差異與列車系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)，同時(shí)拖車受到氣流影響，因此振動(dòng)較大，從另一方面也可見轉(zhuǎn)向架平穩(wěn)性較好，但在道岔?xiàng)l件下，動(dòng)車構(gòu)架的振動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拖車構(gòu)架振動(dòng)，可見過道岔時(shí)會(huì)引起動(dòng)車轉(zhuǎn)向架較大振動(dòng)，從動(dòng)車電機(jī)的振動(dòng)特性值也可看出，道岔對(duì)動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)激勵(lì)作用非常明顯。直線與曲線條件下，動(dòng)車齒輪箱振動(dòng)要大于電機(jī)振動(dòng)，而在過道岔這樣特殊運(yùn)行條件下，電機(jī)振動(dòng)遠(yuǎn)大于齒輪箱。

縱觀3種運(yùn)行工況，轉(zhuǎn)向架各個(gè)部位的振動(dòng)情況均表現(xiàn)出一致性，即過道岔時(shí)，各部位橫向振動(dòng)加速度大于過曲線段，而通過曲線段的振動(dòng)加速度又大于直線段。

如圖5～圖12所示為高速動(dòng)車組走行系統(tǒng)不同部位振動(dòng)有效值在直線、曲線、道岔通過條件下隨運(yùn)行里程的變化情況。由于統(tǒng)計(jì)的是60萬公里內(nèi)的振動(dòng)特性，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)趨勢(shì)變化不是非常明顯，但是各個(gè)部位振動(dòng)規(guī)律卻有所體現(xiàn)。對(duì)于軸箱，在直線條件下拖車軸箱振動(dòng)隨運(yùn)行里程的增加變化不大，特性表現(xiàn)穩(wěn)定，而曲線與道岔通過時(shí)，與動(dòng)車軸箱振動(dòng)一樣，均在30萬公里處發(fā)生波動(dòng)，振動(dòng)有所增大，特別是動(dòng)車軸箱在過道岔處的振動(dòng)特性急劇增大，對(duì)轉(zhuǎn)向架性能穩(wěn)定性有所沖擊。對(duì)于構(gòu)架，在3種運(yùn)行條件下其振動(dòng)特性相對(duì)穩(wěn)定，但可明顯看出，過道岔時(shí)構(gòu)架振動(dòng)明顯大于曲線通過時(shí)，而過曲線時(shí)振動(dòng)又大于直線運(yùn)行工況。對(duì)于動(dòng)車轉(zhuǎn)向架才有的齒輪箱和電機(jī)，在60萬公里內(nèi)齒輪箱的振動(dòng)要遠(yuǎn)大于電機(jī)振動(dòng)，但波動(dòng)比較平穩(wěn)，變化不大。對(duì)于車體，除波動(dòng)較平穩(wěn)外，其最大的特征是列車曲線通過時(shí)車體振動(dòng)達(dá)到最大，遠(yuǎn)大于過道岔及直線運(yùn)行條件，可見，曲線通過對(duì)車體振動(dòng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)作用，而過道岔時(shí)由于一系、二系懸掛系統(tǒng)作用，大大減小了道岔對(duì)車體振動(dòng)的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高速動(dòng)車組走行系統(tǒng)，詳細(xì)地分析了在直線通過、曲線通過及道岔通過3種運(yùn)行工況下高速動(dòng)車組車體及轉(zhuǎn)向架多個(gè)部件或部位振動(dòng)特性演變規(guī)律。所用試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為高速動(dòng)車組運(yùn)行過程中實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，因此對(duì)于掌握高速列車關(guān)鍵部件或部位動(dòng)態(tài)響應(yīng)及其變化規(guī)律具有借鑒作用，同時(shí)為高速列車關(guān)鍵部件振動(dòng)性能評(píng)價(jià)、部件維護(hù)檢修等提供參考依據(jù)。探討高速動(dòng)車組關(guān)鍵部件在故障或其他運(yùn)行工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，為高速動(dòng)車組關(guān)鍵部件隱患或故障挖掘提供依據(jù)將是下一步研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

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（編輯：李妮）