CRH5型動(dòng)車組車體異常抖動(dòng)原因分析及對(duì)策

張 金

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

CRH5型動(dòng)車組的原型車是法國(guó)阿爾斯通公司為芬蘭國(guó)鐵生產(chǎn)的SM3 動(dòng)車組，2004年經(jīng)鐵道部引進(jìn)，后由長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司進(jìn)行自主化、國(guó)產(chǎn)化改造。改造后的CRH5型動(dòng)車組設(shè)計(jì)最高運(yùn)營(yíng)速度為250 km/h，具有抗風(fēng)、沙、雨、雪、霧等惡劣天氣的能力，可在-40 ℃的高寒及高海拔條件下正常運(yùn)行，多用于東北和西北地區(qū)。CRH5 型動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，在京滬、哈大、哈齊、沈丹、蘭新二線、西寶等高速鐵路線路上出現(xiàn)了多起車體異常抖動(dòng)的情況［1-3］，乘車舒適性顯著降低，嚴(yán)重影響動(dòng)車組運(yùn)行安全。本文以哈齊客運(yùn)專線為研究對(duì)象，對(duì)異常抖動(dòng)的車輛狀態(tài)和抖車區(qū)段的線路情況進(jìn)行調(diào)查，分析CRH5型動(dòng)車組車體異常抖動(dòng)的原因，并提出有效的對(duì)策，以確保動(dòng)車組運(yùn)行的舒適性和安全性。

1 車輛狀態(tài)調(diào)查

1.1 車輛振動(dòng)情況

哈齊客運(yùn)專線CRH5 型動(dòng)車組車輪鏇修后運(yùn)行15.4 萬(wàn)km 時(shí)，車體出現(xiàn)異常抖動(dòng)的情況。車體振動(dòng)時(shí)頻特性和車體橫向振動(dòng)加速度見(jiàn)圖1、圖2?？梢钥闯?，車輛運(yùn)行產(chǎn)生異常抖動(dòng)時(shí)，車體振動(dòng)時(shí)頻特性顯示出6～8 Hz 的集中頻率，且橫向振動(dòng)能量較大，振動(dòng)加速度幅值超過(guò)0.5g，由此可以推斷出6～8 Hz是引起車輛異常抖動(dòng)的主振頻率。

圖1 車體振動(dòng)時(shí)頻特性

圖2 車體橫向振動(dòng)加速度

1.2 車輪磨耗情況

對(duì)發(fā)生車體異常抖動(dòng)的動(dòng)車組進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)車輪踏面存在較大的凹形磨耗，如圖3所示。可以看出：①鏇修后運(yùn)行20萬(wàn)km 的動(dòng)車組車輪踏面凹形磨耗約1.2 mm，全線出現(xiàn)了嚴(yán)重的車體抖動(dòng)；②鏇修后運(yùn)行15 萬(wàn)km 的動(dòng)車組車輪踏面凹形磨耗約0.8 mm，部分區(qū)段出現(xiàn)了不同程度的車體抖動(dòng)；③新鏇修的動(dòng)車組車輪踏面接近XP55標(biāo)準(zhǔn)車輪廓面，個(gè)別區(qū)段出現(xiàn)了輕微的車體抖動(dòng)。調(diào)查結(jié)果表明：動(dòng)車組運(yùn)行15 萬(wàn)～20萬(wàn)km，車輪踏面出現(xiàn)1.0 mm左右凹形磨耗時(shí)，將造成輪軌接觸關(guān)系不良，進(jìn)而引發(fā)動(dòng)車組車體異常抖動(dòng)。

圖3 車輪踏面磨耗情況

2 線路情況調(diào)查

2.1 軌道幾何尺寸

對(duì)哈齊客運(yùn)專線抖車區(qū)段的軌底坡和軌距進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1?？芍?，軌底坡測(cè)量值介于1：47～1：42，軌距測(cè)量值介于1 434.7～1 435.1 mm，均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。

表1 軌底坡和軌距檢測(cè)結(jié)果

2.2 鋼軌踏面硬度

表2為哈齊客運(yùn)專線抖車區(qū)段的鋼軌踏面硬度測(cè)量結(jié)果，可見(jiàn)，左股鋼軌踏面硬度平均值為290.8 HB，右股鋼軌踏面硬度平均值為291.6 HB，左右股鋼軌的踏面硬度值均在母材U71MnG 硬度值260～300 HB 的范圍內(nèi)，基本無(wú)加工硬化。

表2 鋼軌踏面硬度測(cè)量結(jié)果 HB

2.3 鋼軌表面不平順

圖4（a）為哈齊客運(yùn)專線抖車區(qū)段的鋼軌波浪形磨耗宏觀形貌，可以看出鋼軌表面存在肉眼可見(jiàn)的波浪形磨耗，波長(zhǎng)約為100 mm。對(duì)該區(qū)段鋼軌表面不平順重新進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖4（b）—圖4（d），可以看出，左股鋼軌波浪形磨耗的特征波長(zhǎng)L為100 mm，對(duì)應(yīng)的最大波深D約為0.079 mm；右股鋼軌波浪形磨耗的特征波長(zhǎng)L也為100 mm，對(duì)應(yīng)的最大波深D約為0.070 mm。根據(jù)鋼軌表面存在波長(zhǎng)約100 mm 的波浪形磨耗，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行速度200 km/h 進(jìn)行換算，得到鋼軌波浪形磨耗引起的振動(dòng)頻率約為550 Hz，與車體異常抖動(dòng)的主振頻率6～8 Hz差異較大，表明鋼軌波浪形磨耗不是引起動(dòng)車組抖車的根本原因。

圖4 鋼軌表面不平順情況

2.4 軌頭廓形和鋼軌光帶

對(duì)哈齊客運(yùn)專線抖車區(qū)段典型的軌頭廓形和鋼軌光帶情況進(jìn)行了調(diào)查，如圖5所示。可以看出：①在所有動(dòng)車組均出現(xiàn)嚴(yán)重抖車的地段，鋼軌實(shí)測(cè)廓形60D-H 與設(shè)計(jì)廓形60D 比較，軌距角R80 圓弧處明顯凸出，最大偏差約為+0.80 mm，鋼軌光帶不居中，偏向軌距角側(cè)，寬度約為40 mm；②在部分動(dòng)車組出現(xiàn)抖車的地段，鋼軌實(shí)測(cè)廓形60D-S與設(shè)計(jì)廓形基本接近，鋼軌光帶較居中，寬度約為25 mm；③在個(gè)別動(dòng)車組出現(xiàn)輕微抖車的地段，鋼軌實(shí)測(cè)廓形60D-L 與設(shè)計(jì)廓形比較，軌距角R80 圓弧處略微凹陷，最大偏差約為-0.20 mm，鋼軌光帶居中，寬度約為20 mm。調(diào)查結(jié)果表明，鋼軌廓形打磨不到位使得工作邊軌距角凸出，導(dǎo)致輪軌關(guān)系匹配不良，引起動(dòng)車組車體異常抖動(dòng)。

圖5 抖車區(qū)段典型的軌頭廓形和鋼軌光帶情況

3 動(dòng)車組抖車原因分析及對(duì)策

3.1 輪軌匹配等效錐度

等效錐度是用于評(píng)價(jià)輪軌接觸幾何狀態(tài)的重要指標(biāo)，決定著輪軌之間的匹配程度。等效錐度的大小與動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)性能密切相關(guān)，等效錐度過(guò)小將導(dǎo)致動(dòng)車組出現(xiàn)晃車，等效錐度過(guò)大將引起動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度報(bào)警［4］。

為了分析動(dòng)車組車體異常抖動(dòng)的原因，利用UIC 519—2004［5］中的積分法，采用 FORTRAN 軟件編程，計(jì)算了不同工況下的名義等效錐度，結(jié)果見(jiàn)圖6和表3。

從圖6中可以看出，隨著車輛運(yùn)行里程的增加，車輪踏面凹形磨耗不斷增大，等效錐度逐漸變大。另外，由表3可知：①新鏇修的車輪與實(shí)測(cè)鋼軌60D-H，60D-S，60D-L 匹配的名義等效錐度 0.057，0.052，0.051 接近XP55 標(biāo)準(zhǔn)車輪與60D 鋼軌匹配的名義等效錐度0.054；②運(yùn)行一段時(shí)間出現(xiàn)凹形磨耗的車輪與實(shí)測(cè)鋼軌60D-H，60D-S，60D-L 匹配的名義等效錐度對(duì)比，60D-L 較小，60D-S 次之，60D-H 較大；③運(yùn)行20 萬(wàn)km 的車輪與60D-H 鋼軌匹配的名義等效錐度為0.310，大于其與60D-S 鋼軌匹配的名義等效錐度0.209，也大于運(yùn)行15萬(wàn)km 的車輪與60D-H 鋼軌匹配的名義等效錐度0.223，同時(shí)均不滿足歐洲鐵路TSI標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的“速度為230

上述情況表明：①踏面凹形磨耗的車輪對(duì)鋼軌軌頭廓形比較敏感，其與軌頭廓形狀態(tài)較差的鋼軌匹配時(shí)等效錐度過(guò)大是引起動(dòng)車組車體異常抖動(dòng)的主要原因；②踏面良好的車輪對(duì)鋼軌軌頭廓形不敏感。因此只要對(duì)車輪踏面進(jìn)行鏇修，恢復(fù)到設(shè)計(jì)廓形，就可以大幅度降低等效錐度，改善輪軌匹配關(guān)系，解決動(dòng)車組抖車的問(wèn)題。

圖6 不同工況下名義等效錐度隨運(yùn)行里程的變化情況

表3 不同工況下的名義等效錐度計(jì)算結(jié)果

3.2 輪軌接觸幾何關(guān)系

根據(jù)車輛狀態(tài)和線路情況的調(diào)查結(jié)果，以CRH5型動(dòng)車組的XP55 標(biāo)準(zhǔn)車輪、磨耗車輪（運(yùn)行15 萬(wàn)km 和20 萬(wàn)km）和不同實(shí)測(cè)廓形鋼軌（60D-L，60D-S，60D-H）為研究對(duì)象，建立輪軌匹配幾何關(guān)系計(jì)算模型，分析各種工況下的輪軌接觸幾何關(guān)系。

圖7為XP55標(biāo)準(zhǔn)車輪與實(shí)測(cè)鋼軌 60D-L，60D-S，60D-H 的輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布情況。可以看出XP55 與60D-L，60D-S 的輪軌接觸點(diǎn)主要集中在軌頭踏面中心；而與60D-H 的輪軌接觸點(diǎn)則偏向軌距角側(cè)，輪軌接觸點(diǎn)分布范圍較寬，使輪軌橫向力增大，并且接觸點(diǎn)位置出現(xiàn)跳躍，車輛在運(yùn)行過(guò)程中容易產(chǎn)生較大的輪徑差，進(jìn)而引起動(dòng)車組車體異常抖動(dòng)［7］。實(shí)測(cè)鋼軌60D-H的軌距角凸出，與XP55標(biāo)準(zhǔn)車輪匹配時(shí)輪軌接觸關(guān)系不良，可以通過(guò)鋼軌打磨使60D-H 變成60D-S或60D-L，從而改善輪軌接觸關(guān)系，實(shí)現(xiàn)輪軌合理匹配，達(dá)到解決動(dòng)車組抖車的目的。

60D-L 鋼軌與XP55 標(biāo)準(zhǔn)車輪的輪軌接觸幾何關(guān)系最佳，故此選擇60D-L 鋼軌與不同磨耗車輪進(jìn)行匹配，其輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布情況如圖8所示。可以看出，隨著車輛運(yùn)行里程的增加，車輪踏面磨耗量逐漸增大，且出現(xiàn)了明顯的踏面凹形磨耗，輪軌接觸點(diǎn)由軌頭踏面中心逐步偏向軌距角，輪軌接觸范圍逐漸變寬，輪軌橫向力不斷增大。與此同時(shí)，在凹形磨耗車輪的兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)不同的接觸位置（即軌頂處存在多個(gè)不同的輪軌接觸光帶），且接觸位置過(guò)渡存在一定的跳躍現(xiàn)象，車輛運(yùn)行過(guò)程中車輪有一定橫移量時(shí)會(huì)出現(xiàn)輪軌接觸位置突變，如遇其他線路激擾時(shí)會(huì)引起動(dòng)車組抖車。

圖7 XP55標(biāo)準(zhǔn)車輪與不同實(shí)測(cè)鋼軌的輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布情況（單位：mm）

圖8 60D-L鋼軌與不同磨耗車輪的輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布情況（單位：mm）

CRH5型動(dòng)車組的車輪標(biāo)準(zhǔn)廓形為XP55，XP55 車輪為錐形車輪，具有5.5%的錐度，適合在法國(guó)1∶20軌底坡和1 360 mm 輪背內(nèi)側(cè)距的線路上運(yùn)用，與我國(guó)1∶40軌底坡和1 353 mm輪背內(nèi)側(cè)距的條件明顯不同。由于軌底坡變小，輪軌接觸點(diǎn)必然偏向軌距角側(cè)，而輪背內(nèi)側(cè)距變小，不僅使輪軌之間的游間加大，而且名義輪軌接觸的平衡點(diǎn)也發(fā)生了改變，這些因素導(dǎo)致輪軌匹配關(guān)系不理想。在車輪廓面不能改變的情況下，通過(guò)鋼軌打磨形成適合于動(dòng)車組車輪廓面的軌頭廓形可以實(shí)現(xiàn)輪軌關(guān)系的合理匹配。但是，如果鋼軌打磨不合適導(dǎo)致軌頭廓形不良（輪軌關(guān)系不匹配），容易引起動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度報(bào)警、抖車或晃車，危及動(dòng)車組運(yùn)行安全。武廣、京滬、哈大等高速鐵路鋼軌軌距角側(cè)打磨量不足，部分地段引起動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度報(bào)警及抖車；合武、秦沈等高速鐵路鋼軌軌距角側(cè)打磨量過(guò)大，部分地段引起晃車［8］。

為改善我國(guó)輪軌匹配關(guān)系，提高動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)，避免動(dòng)車組出現(xiàn)異常振動(dòng)情況（橫向加速度報(bào)警、抖車或晃車），須要對(duì)鋼軌打磨廓形進(jìn)行設(shè)計(jì)。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所經(jīng)過(guò)多年輪軌關(guān)系研究，根據(jù)輪軌接觸理論設(shè)計(jì)出適用于我國(guó)高速鐵路的鋼軌打磨廓形60D 和60N［9］。60D和60N 廓形已被納入中國(guó)鐵路總公司頒布的鐵總運(yùn)〔2014〕357 號(hào)《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》［10］，廣泛用于指導(dǎo)高速鐵路鋼軌的廓形打磨。近年來(lái)實(shí)踐證明［7-8］，按照 60D 和 60N 廓形的偏差下限進(jìn)行 60 kg/m標(biāo)準(zhǔn)鋼軌打磨，打磨后的鋼軌與凹形磨耗的XP55 車輪匹配情況良好，可有效改善輪軌接觸關(guān)系，解決CRH5型動(dòng)車組抖車的問(wèn)題。

4 結(jié)論與建議

CRH5型動(dòng)車組車體異常抖動(dòng)的主要原因是車輪踏面凹形磨耗嚴(yán)重，以及鋼軌廓形打磨不到位導(dǎo)致軌距角凸出，使得輪軌匹配等效錐度達(dá)0.3以上；輪軌接觸幾何關(guān)系不良導(dǎo)致車體出現(xiàn)與輪對(duì)、構(gòu)架相同的頻率，形成6～8 Hz的高頻振動(dòng)響應(yīng)，此時(shí)輪對(duì)、構(gòu)架及車體出現(xiàn)同步蛇行運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為車體異常抖動(dòng)。

建議制定經(jīng)濟(jì)合理的車輪鏇修周期，提高車輪鏇修質(zhì)量。同時(shí)加強(qiáng)鋼軌廓形打磨的控制力度，確保廓形打磨到位，從而優(yōu)化輪軌接觸幾何關(guān)系，使輪軌匹配等效錐度始終處于合理可控的范圍，避免動(dòng)車組出現(xiàn)異常抖動(dòng)的情況影響車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性。