地鐵輪對(duì)提吊振動(dòng)分析

郭緒周 郝國嬋

摘要：針對(duì)蘇州地鐵線路在運(yùn)用過程中出現(xiàn)輪對(duì)提吊異常振動(dòng)并出現(xiàn)個(gè)別斷裂的問題，對(duì)該線路車輛進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，采用時(shí)域、頻域和時(shí)-頻-能量振動(dòng)信號(hào)分析方法。結(jié)果表明，在線路上較為嚴(yán)重的波磨區(qū)段，300Hz-400Hz高頻范圍內(nèi)輪對(duì)固有頻率與波磨引起的振動(dòng)頻率接近，導(dǎo)致提吊振動(dòng)明顯加大，嚴(yán)重影響提吊壽命，因此加強(qiáng)線路波磨控制十分必要。

關(guān)鍵詞：輪對(duì)提吊 異常振動(dòng) 波磨

1 概述

隨著我國地鐵車輛運(yùn)營里程迅速上升，車輛運(yùn)營過程中的異常振動(dòng)問題也日益顯現(xiàn)，長期異常振動(dòng)將造成旅客乘坐舒適性下降的同時(shí)還會(huì)對(duì)車輛零部件造成損傷，降低其使用壽命，嚴(yán)重時(shí)可能影響到車輛行車安全。

蘇州鐵線路在運(yùn)用過程中出現(xiàn)輪對(duì)提吊異常振動(dòng)并出現(xiàn)個(gè)別斷裂的現(xiàn)象，如圖1，該輪對(duì)提吊在設(shè)計(jì)時(shí)滿足靜強(qiáng)度要求，并有一定裕量。本文在此背景下，對(duì)該線路的車輛開展振動(dòng)測(cè)試，分析其異常振動(dòng)的原因，并通過振動(dòng)疲勞計(jì)算提出改進(jìn)方案。

2 振動(dòng)測(cè)試概述

輪對(duì)提吊安裝在軸箱端蓋上，其作用在于起吊時(shí)構(gòu)架帶動(dòng)輪對(duì)，轉(zhuǎn)向架整體移動(dòng)。輪對(duì)提吊異常振動(dòng)將產(chǎn)生噪音，甚至斷裂，落入軌道或擊打車輛部件都可能造成行車安全。針對(duì)輪對(duì)提吊異常振動(dòng)的問題，開展振動(dòng)測(cè)試，在軸箱端蓋、輪對(duì)提吊上部布置加速度傳感器，測(cè)試方向包括橫向和垂向，測(cè)點(diǎn)布置如圖1。

3 異常振動(dòng)分析方法

異常振動(dòng)分析首先得明確系統(tǒng)可能出現(xiàn)激勵(lì)的特征頻率和結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)，然后是掌握識(shí)別這些信號(hào)特征的信號(hào)分析方法，最后進(jìn)行綜合診斷。

3.1 軌道車輛特征頻率

一般鋼軌長度，軌枕間隔，軌道板長度等都是一定的，軌道車輛按一定速度在鋼軌上運(yùn)行，往往會(huì)產(chǎn)生周期性的激勵(lì)，其特征頻率表現(xiàn)為：

式中：

v——車輛運(yùn)行速度，單位m/s ，li——鋼軌長度，軌枕間隔，軌道板長度等，單位m

另外，地鐵軌道上也經(jīng)常出現(xiàn)波磨，波磨波長一般在40-70mm。

目前，大量測(cè)試數(shù)據(jù)表明，車輪在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)失圓現(xiàn)象，車輛運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生周期性激勵(lì)，其特征頻率表現(xiàn)為：

式中：

n——車輪不圓階次 ，d——車輪直徑，單位m

3.2 輪對(duì)提吊固有模態(tài)

表1列出前4階振型和固有頻率。結(jié)果表明，輪對(duì)提吊第一階固有模態(tài)為一階橫彎，頻率為300Hz。

表1 模態(tài)分析結(jié)果

4 輪對(duì)提吊異常振動(dòng)分析

圖4為軸箱、輪對(duì)提吊的全程振動(dòng)加速度時(shí)域圖，可以看出，軸箱橫向振動(dòng)加速度最大35g左右，軸箱垂向振動(dòng)加速度最大60g左右，提吊橫向最大達(dá)到200g以上，提吊垂向50g左右。圖4所示3段典型區(qū)間進(jìn)行分析，其中第1段整體振動(dòng)較小，第2兩個(gè)區(qū)段軸箱振動(dòng)相對(duì)較小但提吊振動(dòng)大，第3區(qū)段軸箱振動(dòng)與提吊振動(dòng)均很大。

區(qū)段1軸箱提吊振動(dòng)均較小，從時(shí)域信號(hào)可以看出，整個(gè)區(qū)段振動(dòng)較均勻，沒有異常突起點(diǎn)，軸箱橫向最大為7g左右，輪對(duì)提吊最大為46g左右。如圖5和圖6所示，對(duì)比軸箱和輪對(duì)提吊的頻率特征，輪對(duì)提吊明顯在295Hz附近有較大能量，這個(gè)頻率并不隨時(shí)間即車輛運(yùn)行速度變化而變化，為輪對(duì)提吊一階橫彎固有頻率。

區(qū)段3軸箱振動(dòng)大，達(dá)到50g左右，同樣提吊振動(dòng)也非常大，接近200g。如圖7和圖8從時(shí)域信號(hào)和時(shí)頻信號(hào)可以看出軸箱和提吊在 55～60s區(qū)段振動(dòng)明顯大于其他時(shí)間，結(jié)合頻譜圖可以看出，這兩段的振動(dòng)主頻為362Hz，同樣為波磨所致，且波磨波深較大，軸箱振動(dòng)量級(jí)很大。當(dāng)車輛以70km/h速度運(yùn)行時(shí)，波磨波長約54mm，與地鐵線路常見波磨長度吻合；

5 結(jié)論

（1）輪對(duì)提吊橫向振動(dòng)明顯大于軸箱橫向振動(dòng)，輪對(duì)提吊一階橫彎頻率約300Hz；

（2）線路線路存在多處波磨，其中有些部分波磨特征特征頻率與輪對(duì)提吊固有頻率接近而發(fā)生共振；也有部分波磨雖特征頻率與固有頻率雖有一定的距離，但其本身的振動(dòng)能量非常大?？傊ナ窃斐奢唽?duì)提吊異常振動(dòng)甚至斷裂的主要原因。

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（作者單位：蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公運(yùn)營分公司）