鋼軌打磨對動車組運(yùn)行性能的影響

龔繼軍，侯 博，王軍平,蔣 俊，鐘 浩，譚皓尹

(1.中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司 研究中心，四川 成都 610031；2.中國中車青島四方車輛研究所有限公司 鉤緩事業(yè)部，山東 青島 266000)

輪軌接觸關(guān)系是鐵道車輛特有的影響車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能的根本原因之一[1-4]。而鋼軌打磨可以改善輪軌接觸關(guān)系，實(shí)現(xiàn)輪軌間的最優(yōu)蠕滑狀態(tài)，從而提高車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性[5-7]。許多學(xué)者針對鋼軌打磨對輪軌接觸關(guān)系的影響進(jìn)行了研究。池茂儒等[8]采用動力學(xué)仿真軟件再現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架蛇行頻率與車體固有頻率達(dá)到共振時(shí)車輛發(fā)生一次蛇行的現(xiàn)象。李然[9]分析了采用實(shí)測廓形時(shí)等效錐度與輪軌接觸角等參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，深入研究了輪軌接觸幾何關(guān)系線性化的方法。董孝卿等[10]采用理論方法計(jì)算了不同的輪軌匹配時(shí)不同等效錐度對蛇行頻率的影響，開展了動車組輪軌匹配時(shí)等效錐度限值等相關(guān)參數(shù)的研究工作。以上研究均沒有對動車組異常振動區(qū)段鋼軌軌側(cè)異常區(qū)域廓形狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)測量，也沒有對動車組異常振動時(shí)車體運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行測試分析，對動車組異常振動和輪軌接觸之間的關(guān)系沒有進(jìn)行對比分析。

本文對廣深線某型動車組產(chǎn)生異常振動時(shí)車體振型進(jìn)行分析，通過建立車輛動力學(xué)模型，結(jié)合側(cè)磨區(qū)段鋼軌廓形、軌面狀態(tài)測量結(jié)果，分析鋼軌打磨前后實(shí)測廓形對車輛蛇行頻率的影響，提出了動車組異常晃動、鋼軌軌側(cè)異常接觸的解決辦法，并對鋼軌打磨效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 概況

廣深線年通過總質(zhì)量約36 Mt，全線鋪設(shè)60 kg/m U75V鋼軌。I線(下行)、Ⅱ線(上行)里程0～14 km為4線共用，客貨共線。里程14 km以后只通行該型動車組。通行動車組區(qū)段的換軌時(shí)間主要集中在2009，2010年，近2年未進(jìn)行打磨。該線路的主要問題是高速區(qū)段大半徑曲線和直線區(qū)段普遍存在明顯的側(cè)磨，動車組通過該區(qū)段時(shí)存在頻繁水平加速度超限報(bào)警。

1.1 問題調(diào)查

圖1 廣深線橫向振動相位關(guān)系

圖2 廣深線垂向振動相位關(guān)系

首先在該型動車組異?；蝿訁^(qū)段對車體前后端地板面、左右側(cè)地板面加速度進(jìn)行測試。圖1為實(shí)測該型動車組頭車車體前后端地板面橫向振動相位關(guān)系，圖2為頭車車體左右側(cè)地板面垂向振動相位關(guān)系。從圖1、圖2中可以看出，車體前后兩端橫向振動存在約90°的相位差；車體左右兩側(cè)垂向振動存在約180°的相位差；車體同時(shí)存在搖頭和側(cè)滾運(yùn)動。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和鋼軌廓形數(shù)據(jù)分析可知，晃車區(qū)段鋼軌表面光帶不良，如圖3所示。鋼軌左右股廓形存在較大差異，而較大的差異會導(dǎo)致不良的輪軌接觸關(guān)系。廣深線運(yùn)行的該型動車組為不銹鋼車體，氣密性較差，也在一定程度上影響了動車組的乘坐舒適性和車輛自身的運(yùn)行性能。

圖3 廣深線上行軌側(cè)異常接觸區(qū)域軌面狀態(tài)

1.2 解決辦法

通過對比鋼軌的實(shí)測廓形和設(shè)計(jì)廓形發(fā)現(xiàn)：該區(qū)段側(cè)磨一側(cè)的鋼軌外側(cè)偏高，內(nèi)側(cè)偏低，且左右股鋼軌廓形相差很大；軌肩較高的廓形無側(cè)磨，軌肩較低的廓形存在側(cè)磨。由于光帶寬窄交替區(qū)域分布較廣，周期較短(普遍在20～50 m左右)，現(xiàn)有的銑磨車無法分段操作。如果采用道岔打磨車進(jìn)行打磨，則分段太多，極大地影響了作業(yè)效率，且這種差異無法完全消除。所以在制定打磨方案時(shí)選擇貫通處理，確保打磨以后同一股鋼軌前后廓形、左右股廓形差異得到減小。

圖4 打磨前后等效錐度對比

圖4為異常區(qū)段鋼軌實(shí)測廓形打磨前后與標(biāo)準(zhǔn)LMA車輪踏面進(jìn)行匹配時(shí)等效錐度對比?？芍?，動車組與鋼軌軌側(cè)異常區(qū)域進(jìn)行匹配時(shí)的輪軌接觸初始等效錐度從打磨前的0.007提高到打磨后的0.032。以此來改善輪軌接觸關(guān)系，優(yōu)化車輛通過該區(qū)域的平穩(wěn)性能。

2 車體異?；蝿雍蛙墏?cè)異常接觸機(jī)理分析

2.1 蛇行運(yùn)動簡介

從現(xiàn)場的軌面狀況及鋼軌廓形可以看出，交替?zhèn)饶^(qū)段存在明顯的蛇行運(yùn)動。鐵道車輛輪對因其踏面形狀，在沿鋼軌滾動時(shí)會產(chǎn)生一種既橫向移動、又繞鉛垂軸轉(zhuǎn)動的特有的耦合運(yùn)動，也稱為蛇行運(yùn)動。蛇行運(yùn)動伴隨車輛運(yùn)行一直存在，一般在受到激擾后能很快收斂到平衡位置。但當(dāng)輪軌關(guān)系較差或者車輛本身存在影響運(yùn)行平穩(wěn)性的問題時(shí)，蛇行運(yùn)動的收斂會減慢或發(fā)生振幅較大的周期性蛇行運(yùn)動，這將嚴(yán)重影響車輛的運(yùn)行品質(zhì)。特別是輪軌匹配的錐度較小且車輛運(yùn)行速度較低時(shí)，很可能會出現(xiàn)車體的蛇行失穩(wěn)。

2.2 廣深線動車組蛇行頻率分析

2.2.1 自由輪對仿真模型的建立

自由輪對的蛇行運(yùn)動是最基本、最簡單的蛇行運(yùn)動。無其他約束的自由輪對在理想鋼軌上以某一速度前進(jìn)時(shí)，輪對主要有沿y軸的轉(zhuǎn)動、沿y軸的橫移yw以及搖頭運(yùn)動ψw，而沿y軸的橫移yw以及搖頭運(yùn)動ψw的耦合就是自由輪對的蛇行運(yùn)動。

輪對建模部分參數(shù)見表1。采用SIMPACK軟件建立自由輪對動力學(xué)仿真模型，對模型中輪軌接觸幾何進(jìn)行線性化處理，導(dǎo)入實(shí)測鋼軌廓形，修改車輛的運(yùn)行速度等參數(shù)，即可仿真計(jì)算輪對蛇行運(yùn)動的特征。

表1 輪對建模部分參數(shù)

2.2.2 彈性定位轉(zhuǎn)向架仿真模型的建立

采用SIMPACK軟件建立彈性定位轉(zhuǎn)向架動力學(xué)仿真模型，該模型中輪對的參數(shù)與前一節(jié)中自由輪對的參數(shù)完全相同，輪對和構(gòu)架之間通過一系懸掛連接。對該模型中輪軌接觸幾何進(jìn)行線性化處理，通過改變初始鋼軌廓形、運(yùn)行速度等參數(shù)，仿真計(jì)算其在不同鋼軌廓形、不同速度下轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動特征。

2.2.3 完全剛性定位轉(zhuǎn)向架仿真模型的建立

完全剛性定位轉(zhuǎn)向架是相對于彈性定位轉(zhuǎn)向架的一種極端轉(zhuǎn)向架，采用SIMPACK軟件建立完全剛性定位轉(zhuǎn)向架動力學(xué)仿真模型時(shí)可以通過加大一系定位剛度的方法來實(shí)現(xiàn)。

2.2.4 整車仿真模型的建立

動車組是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)，各部件之間存在復(fù)雜的相互作用力和相對運(yùn)動，還有輪軌之間的相互作用關(guān)系。因此本文在建模時(shí)對真實(shí)模型進(jìn)行簡化，只考慮對動力學(xué)性能影響較大的因素，作出符合實(shí)際情況的模擬。整車的動力學(xué)仿真模型如圖5所示。

圖5 某型動車組整車動力學(xué)仿真模型

2.3 仿真計(jì)算結(jié)果

2.3.1 自振頻率仿真結(jié)果

表2為某型動車組自振頻率和阻尼比仿真計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯鲕圀w上心滾擺頻率在1.095 Hz左右。

表2 某型動車組自振頻率及阻尼比仿真計(jì)算結(jié)果

2.3.2 蛇行頻率仿真計(jì)算結(jié)果

采用前文建立的自由輪對仿真模型和彈性定位轉(zhuǎn)向架、完全剛性定位轉(zhuǎn)向架的仿真模型，得出鋼軌踏面采用廣深線打磨前后實(shí)測踏面時(shí)蛇行頻率與車體固有頻率仿真結(jié)果，見圖6。

圖6 打磨前后蛇行頻率與車體固有頻率仿真結(jié)果

從圖6(a)中可看出當(dāng)該型動車組以160 km/h速度通過打磨前實(shí)測廓形區(qū)段時(shí)，動車組轉(zhuǎn)向架蛇行頻率與車體橫向固有頻率重合，該動車組出現(xiàn)共振，造成車體平穩(wěn)性和舒適性嚴(yán)重惡化。從圖6(b)中可以看出，進(jìn)行廓形打磨后，由于輪軌匹配時(shí)的等效錐度提高，在速度約110 km/h時(shí)轉(zhuǎn)向架蛇行頻率就與車體橫向固有頻率重合。根據(jù)廣深線的運(yùn)行交路信息，該型動車組在實(shí)際運(yùn)營中很快通過110 km/h速度區(qū)間，且該速度級下動車組車體橫向共振能量較小，因此車體即使發(fā)生共振也不會對列車平穩(wěn)性造成較大影響。

3 打磨治理及效果

3.1 鋼軌GQI指標(biāo)變化情況

鋼軌打磨質(zhì)量指數(shù)(Grinding Quality Index，GQI)代表測量廓形與設(shè)計(jì)廓形的吻合程度，GQI越高代表測量廓形與設(shè)計(jì)廓形吻合程度越高。圖7為2017年8月打磨前后廣深線軌側(cè)異常接觸區(qū)段測點(diǎn)左右股鋼軌平均GQI變化情況，其中測點(diǎn)1至測點(diǎn)14分別對應(yīng)同一條直線內(nèi)側(cè)存在異常接觸的14個(gè)測點(diǎn)位置。從圖中可以看出，廓形打磨以后GQI均值大幅升高，說明鋼軌實(shí)測廓形與設(shè)計(jì)廓形的吻合程度較打磨前明顯提升，同一直線鋼軌廓形差異得到有效改善。

圖7 打磨前后左右股GQI均值分布

3.2 車載儀超限數(shù)量變化情況

表3為廣深線試驗(yàn)區(qū)間的所有車載儀超限統(tǒng)計(jì)情況。本次分別統(tǒng)計(jì)了打磨前(2017年7月9日)、打磨后(2017年9月6日)廣深線所有車載儀的1，2，3，4級超限情況。

表3 試驗(yàn)區(qū)間所有車載儀超限數(shù)量統(tǒng)計(jì)

從表3可以看出，打磨后廣深線試驗(yàn)區(qū)間水平加速度超限的統(tǒng)計(jì)數(shù)量比打磨前降低了約94.6%，無2級 及以上水平加速度超限；垂向加速度超限的數(shù)量較打磨前降低了94.4%，無2級及以上垂向加速度超限。

3.3 軌檢指標(biāo)變化狀況

圖8為廣深線打磨前后的軌道質(zhì)量指數(shù)(Track Quality Index，TQI)均值對比情況，可以看出，廣深線試驗(yàn)區(qū)段打磨后1個(gè)月TQI均值相比打磨前降低了36.6%，打磨以后鋼軌性能得到了明顯改善。

圖8 試驗(yàn)區(qū)間打磨前后TQI均值

圖9—圖11為廣深線試驗(yàn)區(qū)段打磨前后軌檢數(shù)據(jù)對比情況，數(shù)據(jù)源自軌檢車實(shí)測數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，打磨1個(gè)月后，試驗(yàn)區(qū)段的三角坑、水平加速度、垂向加速度均明顯降低，鋼軌狀況得到極大的改善。

圖9 試驗(yàn)區(qū)間打磨前后三角坑變化情況對比

圖10 試驗(yàn)區(qū)間打磨前后水平加速度變化情況對比

圖11 試驗(yàn)區(qū)間打磨前后垂向加速度變化情況對比

3.4 鋼軌表面狀態(tài)情況

圖12為試驗(yàn)區(qū)段打磨前后軌面狀態(tài)對比。從圖12(a)、圖12(c)中可以看出,打磨前軌面光帶不良，軌距角存在接觸現(xiàn)象，從圖12(b)、圖12(d)可以看出,打磨1個(gè)月后，打磨前廣深線存在光帶異常的區(qū)段軌面狀態(tài)良好，光帶分布合理。

圖12 試驗(yàn)區(qū)段打磨前后軌面狀態(tài)對比

3.5 便攜式添乘儀數(shù)據(jù)對比

表4統(tǒng)計(jì)了廣深線試驗(yàn)區(qū)段大機(jī)打磨前1周(6月17日—6月24日)、打磨后1周(10月17日—10月24日)平均每天水平加速度、垂向加速度各級報(bào)警數(shù)量?？梢钥闯?，打磨前1周平均每天垂向加速度Ⅰ級報(bào)警111處，打磨后1周平均每天(10月17日—10月19日)降低85處；打磨前1周平均每天水平加速度Ⅰ級報(bào)警547處，打磨后1周平均每天減少534處；打磨前平均每天水平加速度Ⅱ級報(bào)警96處，打磨后減少91處；打磨前平均每天水平加速度Ⅲ級報(bào)警14處，打磨后減少13處。

表4 打磨區(qū)段水平加速度、垂向加速度報(bào)警數(shù)量

4 結(jié)論及建議

本文針對廣深線某型動車組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生異?；蝿拥臋C(jī)理進(jìn)行分析，建立了車輛動力學(xué)模型，分析晃車區(qū)段鋼軌打磨前后實(shí)測廓形對蛇行頻率的影響，提出了動車組異?；蝿印撥壾墏?cè)異常接觸的解決辦法，并對打磨效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1)在廣深線某型動車組車體存在異?；蝿訁^(qū)段，車體前端和后端地板面橫向振動相位圖表明，動車組同時(shí)存在搖頭和側(cè)滾運(yùn)動。

2)仿真結(jié)果表明，某型動車組以160 km/h左右速度運(yùn)行在打磨前實(shí)測廓形區(qū)段時(shí)，動車組轉(zhuǎn)向架蛇行頻率與車體橫向固有頻率重合，該動車組出現(xiàn)共振，造成車體平穩(wěn)性和舒適性嚴(yán)重惡化；廓形打磨將適當(dāng)提高輪軌匹配時(shí)的等效錐度，此時(shí)轉(zhuǎn)向架蛇行頻率在速度比較低時(shí)就與車體橫向固有頻率重合，車輛運(yùn)行到正常運(yùn)營速度后避開了共振區(qū)，車體不會產(chǎn)生較大的振動。

3)打磨后廓形與設(shè)計(jì)廓形在關(guān)鍵接觸區(qū)域的擬合程度基本吻合，打磨后光帶分布合理，輪軌接觸關(guān)系得到極大改善。

4)打磨后隨著同一股鋼軌廓形差異的減小，輪軌橫向力的變化幅值也會隨之得到有效改善。隨著左右股廓形的差異、同一股鋼軌前后廓形差異的減小和輪軌匹配關(guān)系的改善，車體晃動問題得到明顯改善。

5)引起動車組異常振動的原因眾多。從車輛自身的特點(diǎn)來說，影響車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的因素包括等效錐度、抗蛇行減振器參數(shù)、一系二系懸掛的參數(shù)、車體質(zhì)量、蠕滑水平、摩擦因數(shù)等。因此，后續(xù)還需要考慮更多影響因素，對車體及轉(zhuǎn)向架建立多參數(shù)動力學(xué)模型，從而更準(zhǔn)確地研究如何改善動車組輪軌關(guān)系，提高車輛對線路的適應(yīng)性和車輛運(yùn)行平穩(wěn)性。