基于動車組橫向穩(wěn)定性的等效錐度限值研究

許自強

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京 100081）

基于動車組橫向穩(wěn)定性的等效錐度限值研究

許自強

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京 100081）

輪軌接觸幾何匹配關系直接影響動車組的振動性能，輪軌接觸不匹配可造成動車組構架橫向加速度報警、車體晃車等問題。通過對鏇修后初始等效錐度和車體晃車進行研究，提出鏇修后初始等效錐度限值，評價鏇修質量。通過對服役動車組等效錐度的跟蹤、鏇修到限等效錐度分布范圍與報警輪對等效錐度值的統(tǒng)計，提出LMA、LMB、LMC、LMD型4種車輪踏面不同速度級的服役等效錐度限值，評估動車組橫向穩(wěn)定性。根據(jù)等效錐度限值對車輪進行管理可以控制輪軌型面與接觸關系，有效緩解構架橫向加速度報警與車體晃車問題，實現(xiàn)車輪狀態(tài)修，提高鏇修經(jīng)濟性。

橫向穩(wěn)定性；車體晃車；等效錐度限值；LMB型車輪踏面；輪軌接觸

1 概述

我國高速動車組經(jīng)過多年服役，總體運營狀態(tài)良好，但部分動車組于2010年開始出現(xiàn)構架橫向加速度報警問題，至2014—2015年，構架橫向加速度報警呈多發(fā)趨勢，造成動車組降速運行或停車，影響運營秩序。為分析原因，針對10條線路20多處報警區(qū)段開展上線測試，同時對報警動車組車輪狀態(tài)、懸掛特性進行深度調研與優(yōu)化研究。通過調研、試驗、仿真，針對構架橫向加速度報警問題提出以下控制措施：報警區(qū)段鋼軌打磨、推廣新的輪軌廓形、優(yōu)化車輪鏇修周期、調整車輛懸掛參數(shù)、提高車輪鏇修質量。采取這些措施后構架橫向加速度報警問題顯著降低，2016年比2015年降低58%，2017年上半年僅發(fā)生1起構架橫向加速度報警問題[1]。構架橫向加速度報警問題研究過程見圖1。

圖1 構架橫向加速度報警問題研究過程

隨著鋼軌打磨以及新輪軌廓形的推廣，降低了輪軌匹配等效錐度設計值，間接導致車輪鏇修初始輪軌匹配等效錐度降低，車體晃車（車體橫向平穩(wěn)性顯著變差，出現(xiàn)1～2 Hz的低頻晃動）問題越發(fā)明顯。雖然晃車發(fā)生在個別區(qū)段且持續(xù)時間不長，但是明顯影響乘客乘坐舒適性。

隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)輪軌匹配等效錐度可以較準確地反映動車組振動性能，等效錐度過低將導致車體晃車，而等效錐度過高又會導致構架橫向穩(wěn)定性下降甚至蛇行失穩(wěn)（見圖2）[2]。等效錐度作為輪軌關系的量化指標之一，可以直接反映輪軌接觸狀態(tài)以及預測動車組的運行行為。我國對等效錐度的研究還較少，也未制定專門規(guī)范，急需進行深入研究[3]。

圖2 等效錐度與動車組橫向穩(wěn)定性的關系

2 等效錐度現(xiàn)狀

等效錐度作為輪軌關系的線性化指標，已被廣泛用于表征輪軌接觸幾何特征。國際鐵路聯(lián)盟標準UIC 519定義名義等效錐度是指在輪對橫移幅值為3 mm時所對應的等效錐度，我國等效錐度采用該定義。歐盟鐵路互聯(lián)互通技術規(guī)范（TSI）和國際鐵路聯(lián)盟標準UIC 518都采用等效錐度指標評估輪軌接觸幾何關系。表1為TSI規(guī)定的輪軌等效錐度設計限值，表2為UIC 518規(guī)定的服役動車組輪軌等效錐度建議限值[4-5]。在等效錐度指標設計過程中，由于歐洲各國的線路條件不一致（如軌距、軌底坡、廓形、運行速度等），各國并沒有依照等效錐度標準執(zhí)行，而是根據(jù)線路條件以及運用情況靈活掌握，采用軌邊設備、人工測試等方法測試并計算等效錐度，對車輪實行狀態(tài)修。

表1 TSI規(guī)定的輪軌等效錐度設計限值

表2 UIC 518規(guī)定的服役動車組輪軌等效錐度建議限值

3 車體晃車與初始等效錐度控制

車體晃車的主要原因是輪軌接觸幾何關系不佳，直接反映為等效錐度過低。等效錐度越低，輪對、構架的橫向蛇行運動頻率也越低，如果與車體側滾、搖頭頻率接近就易激發(fā)車體的固有頻率，引起車體晃車。下面給出輪對、構架橫向蛇行運動頻率的經(jīng)驗公式。

輪對蛇行運動頻率公式：

構架蛇行運動頻率公式：

式中：v為運行速度，m/s；b為滾動圓中心距的一半，m；r0為名義滾動圓半徑，m；l1為轉向架固定軸距的一半，m；λ為蛇行運動波長，m。

通過式（1）、式（2）可以發(fā)現(xiàn)：輪軌、構架的蛇行運動頻率與等效錐度呈正比[6]。初期列車運行速度不高時認為車體晃車發(fā)生在列車低速運行情況下，但隨著高速鐵路的發(fā)展，車體晃車有了新變化，一般發(fā)生于車輪鏇修后列車高速運行時。由于鏇床精度、人為誤差等原因導致鏇修后車輪的等效錐度比設計值低，在運行至某些區(qū)段時，蛇行運動頻率與車體固有側滾頻率耦合，發(fā)生1～2 Hz的車體晃車，車體橫向平穩(wěn)性顯著降低，影響列車舒適性。

由于車輪鏇修控制指標并未包含等效錐度，無法有效區(qū)分鏇修等效錐度過低導致的車體晃車。所以以LMB型車輪踏面為例，提出鏇修后初始等效錐度限值的建議，通過等效錐度控制車輪鏇修質量。

3.1 鏇修后初始等效錐度

選取不同型號、不同運行速度、運行在不同線路的動車組進行測量并計算鏇修后初始等效錐度，研究其分布區(qū)間。采用LMB型車輪踏面的測試動車組統(tǒng)計見表3。

（1）被測試動車組車輪與60 kg/m標準鋼軌廓形（簡稱TB60）匹配等效錐度均值為0.16，標準差0.02，等效錐度分布于0.08～0.24。

（2）LMB型車輪踏面與TB60匹配設計值為0.17，鏇修后統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)初始等效錐度在設計值±0.03范圍內(nèi)的占比為85%（見圖3）。測試數(shù)據(jù)直方圖統(tǒng)計見圖4。

表3 采用LMB型車輪踏面的測試動車組統(tǒng)計

圖4 測試數(shù)據(jù)直方圖統(tǒng)計

3.2 等效錐度下限修正

通過統(tǒng)計得到的初始等效錐度限值并不能完全代表實際情況，根據(jù)晃車動車組車輪的測量與試驗結果，對初始等效錐度下限進行修正。

車體晃車和輪對等效錐度的測試結果見圖5。由圖5可知某動車組運行時出現(xiàn)了車體晃車，車體橫向平穩(wěn)性指標達2.75（見圖5（a））。同時，從測試結果發(fā)現(xiàn)部分輪對的等效錐度較低，當?shù)刃уF度低于0.12時車體發(fā)生晃車（見圖5（b））。

此外，還測試了京津城際[7]、衡柳客專等線路的車體晃車。研究結果顯示等效錐度小于0.12時車體容易發(fā)生晃車。

綜合初始等效錐度統(tǒng)計和晃車線路試驗，LMB型車輪踏面的鏇修后初始等效錐度限值為0.12～0.20。對我國動車組使用的LMA、LMC、LMD型車輪踏面也采用相同方法進行研究，提出4種與TB60匹配的車輪踏面鏇修后初始等效錐度限值（見表4）。

以前等效錐度的測量、計算一直采用人工方法，耗時耗力而且誤差較大。通過對不落輪鏇床進行升級改造，實現(xiàn)了對車輪踏面與等效錐度的實時測量。該功能已在各鐵路局推廣運用，可以實現(xiàn)對鏇修車輪進行實時等效錐度計算。所以鏇修后等效錐度限值已經(jīng)具備試用考核條件，后續(xù)可以通過鏇床的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、動車組鏇修后運行性能跟蹤，對初始等效錐度限值進行考核與修正。

圖5 車體晃車和輪對等效錐度測試結果

表4 與TB60匹配的車輪踏面鏇修后初始等效錐度限值

4 構架橫向加速度報警與服役等效錐度的限值研究

車輪鏇修后隨著運行里程的增加，車輪磨耗持續(xù)加深，等效錐度與構架橫向加速度也隨之增加。當?shù)刃уF度達到一定值時，構架容易出現(xiàn)蛇行失穩(wěn)[8]。以LMB型車輪踏面為例，通過鏇修到限等效錐度統(tǒng)計、不同運行里程等效錐度分布以及早期報警等效錐度統(tǒng)計，研究LMB型車輪踏面的服役等效錐度限值。

滬昆、武廣高鐵的CRH3型系列動車組不同運行里程的車輪等效錐度統(tǒng)計見圖6。由圖6可知，不同線路、不同動車組的車輪等效錐度發(fā)展趨勢相同，均是隨運行里程的增加而增大。共統(tǒng)計了431組數(shù)據(jù)，其中等效錐度超過0.40的數(shù)據(jù)有39組，占比9%。

鏇修到限動車組車輪的等效錐度統(tǒng)計見圖7。共測試了320組有效數(shù)據(jù)，車輪與TB60匹配等效錐度最大值為0.46，平均值為0.34。從圖7還發(fā)現(xiàn)整列動車組等效錐度分布呈現(xiàn)一定的離散性，等效錐度較低的輪對蛇行穩(wěn)定性較好，但現(xiàn)階段都是整列進行鏇修，鏇修經(jīng)濟性還有提升空間。

圖6 滬昆、武廣高鐵的CRH3型系列動車組不同運行里程的車輪等效錐度統(tǒng)計

圖7 鏇修到限動車組車輪的等效錐度統(tǒng)計

2014—2015年部分構架蛇行失穩(wěn)報警的輪對等效錐度統(tǒng)計見圖8，報警等效錐度平均值為0.36，標準偏差0.04。以前LMB型車輪踏面失穩(wěn)的經(jīng)驗等效錐度限值為0.35，但從2015年下半年采用了鋼軌廓形優(yōu)化、鋼軌打磨、懸掛參數(shù)優(yōu)化、車輪踏面外形優(yōu)化與鏇修、鏇床升級等措施后，根據(jù)實際測試結果等效錐度限值可以適當提高。

圖8 2014—2015年部分構架蛇行失穩(wěn)報警的輪對等效錐度統(tǒng)計

綜合以上研究，LMB型車輪踏面的服役等效錐度（與TB60標準鋼軌廓形匹配）建議限值為0.40。針對LMA、LMC、LMD型3種動車組服役車輪踏面也進行了全面研究，得出不同速度級的4種車輪踏面服役等效錐度建議限值（見表5）。

表5 服役等效錐度建議限值

5 結束語

等效錐度指標可以較準確反映動車組的橫向性能。等效錐度應在合理范圍內(nèi)取值，過高會導致構架發(fā)生蛇行運動，過低會導致車體晃車。通過調研與試驗提出鏇修后初始等效錐度限值，避免鏇修后輪軌匹配等效錐度過低導致車體晃車。通過對服役動車組等效錐度的跟蹤、鏇修到限等效錐度分布范圍與報警輪對等效錐度值統(tǒng)計，提出LMA、LMB、LMC、LMD型4種車輪踏面不同速度級的服役等效錐度限值，進而評估動車組橫向穩(wěn)定性。提出等效錐度限值只是第一步，以后還將通過不斷進行測試與分析，進一步完善、修正等效錐度限值，以實現(xiàn)工程推廣應用。

[1]許自強，董孝卿，朱韶光，等．高速動車組轉向架 橫向穩(wěn)定性研究[R]．北京：中國鐵道科學研究院機 車車輛研究所，2016．

[2]OLDRICH POLACH．Characteristic parameters of nonlinear wheel/rail contact geometry[C]. Vehicle System Dynamics, 2010.

[3]董孝卿，王悅明，倪純雙，等．服役動車組車 輪踏面等效錐度運用管理研究[J]．鐵路技術創(chuàng)新， 2015(2)：83-87.

[4]Rolling Stock Subsystem TSI，2008／232／EC[S].

[5]International Union of Railways．UIC 518：2005 Testing and approval of railway vehicles from point of view of their dynamic behavior-safety-track fatigue-ride quality[S].

[6]王福天．車輪動力學[M]．北京：中國鐵道出版社，1981.

[7]董孝卿．京津城際鐵路動車組車輪運用情況深入研 究[R]．北京：中國鐵道科學研究院機車車輛研究 所，2010．

[8]周清躍，俞喆，劉豐收，等．動車組構架報警效果 研究[J]．中國鐵路，2016(9)：35-39．

Research on Limit Value of Equivalent Conicity Based on Lateral Stability of EMU Trains

XU Ziqiang
（Locomotive & Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The geometric matching of wheel-rail contact directly affects the vibration performance of EMU trains. Wheel-rail mismatching may cause several problems such as EMU structure’s lateral acceleration alarm and train shaking. Based on the research on the initial equivalent conicity and train shaking after lathing, the limit value of initial equivalent conicity after lathing was proposed and the lathing quality was evaluated in this paper. Based on tracking of equivalent conicity of EMU trains in operation, distribution range of equivalent conicity and statistics of equivalent conicity value of wheel sets in alarm, this paper proposed the limit value of equivalent conicity at diferent speed levels regarding four types of wheel treads, LMA, LMB, LMC and LMD respectively. The paper also evaluated the lateral stability of EMU trains. Wheel management based on limit value of equivalent conicity could be utilized to control the wheel-rail relationship in terms of profle and contact,relieving the problems of lateral acceleration alarm and train shaking. Repairing depending on track condition could be carried out, which makes lathing more economical.

lateral stability；train shaking；limit value of equivalent conicity；LMB-type wheel tread；wheel-rail contact

U270.1+1

A

1001-683X（2017）12-0029-06

10.19549/j.is sn.1001-683x.2017.12.029

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目（2016G008-E、2016J007-H）；中國鐵道科學研究院科技研究開發(fā)計劃項目（2015YJ047）

許自強（1984—），男，助理研究員，博士。E-mail：87602193@163.com

責任編輯 李鳳玲

2017-08-11