高速鐵路動(dòng)車組車體抖動(dòng)問題分析與整治

劉永乾

（中鐵物總運(yùn)維科技有限公司，北京100036）

0 引言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展、動(dòng)車組列車運(yùn)營速度的不斷提高，輪軌間作用力隨之增大，車體振動(dòng)也隨之加劇，嚴(yán)重者表現(xiàn)為動(dòng)車組失穩(wěn)（車體抖動(dòng)、橫向晃車、構(gòu)架橫加報(bào)警等）、扣件彈條大面積折斷等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了乘坐舒適度、增加線路養(yǎng)護(hù)成本，甚至危及行車安全。

針對(duì)此問題，Orlova等［1］就嚴(yán)重車輪輪緣磨耗及車輛裝載工況下出現(xiàn)的振動(dòng)加速度偏大等現(xiàn)象，通過優(yōu)化車輛計(jì)算模型提出較優(yōu)的車輛懸掛參數(shù)。喬紅剛等［2］通過抗蛇行減振器臺(tái)架性能測(cè)試及動(dòng)力學(xué)仿真分析，對(duì)動(dòng)車組車輛異常抖動(dòng)原因進(jìn)行研究。許自強(qiáng)［3］、董孝卿［4］等采用理論計(jì)算方法分析了不同輪廓匹配時(shí)等效錐度對(duì)車輛蛇行頻率的影響，得出不同速度級(jí)下車輪踏面服役等效錐度建議限值。吳會(huì)超等［5］從車輪鏇修角度出發(fā)，改善轉(zhuǎn)向架運(yùn)行環(huán)境，解決車體異常振動(dòng)問題。李凡松等［6］研究建議通過提升新設(shè)計(jì)高速動(dòng)車組車體一階菱形模態(tài)頻率，提升動(dòng)車組車體對(duì)磨耗車輪和異常線路的適應(yīng)性。王軍平等［7-9］通過對(duì)高速鐵路實(shí)施鋼軌廓形打磨以改善輪軌接觸關(guān)系，解決車體異常振動(dòng)問題。郝宏志［10］通過對(duì)動(dòng)車組車輪踏面、車輛平穩(wěn)性和振動(dòng)測(cè)試方面的分析，在車輪鏇修、鋼軌打磨方面給出了整治動(dòng)車組車體抖動(dòng)的建議。根據(jù)既有研究，鋼軌打磨可以修正鋼軌廓形、提高線路平順性，有效改善輪軌接觸關(guān)系，提高列車平穩(wěn)性和乘坐舒適性［11-14］。然而，針對(duì)不同線路工況、不同磨耗輪軌匹配、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的驗(yàn)證等研究仍相對(duì)不足。

針對(duì)某高速鐵路動(dòng)車組車體抖動(dòng)問題，對(duì)固定動(dòng)車組車輛進(jìn)行跟蹤測(cè)試，定期采集隧道工況、坡道工況、曲線工況及普通工況下車體振動(dòng)加速度，采集鏇輪后不同時(shí)期的車輪踏面和打磨前后鋼軌廓形，對(duì)不同線路工況下、不同輪軌匹配情況下的車體振動(dòng)加速度特征進(jìn)行分析，通過建模仿真對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 不同線路工況實(shí)測(cè)車體振動(dòng)加速度

某高速鐵路隧道占線路總長(zhǎng)35%以上，最大坡度超過20‰。開通前進(jìn)行了鋼軌預(yù)打磨，開通一段時(shí)間后，部分動(dòng)車組車體抖動(dòng)明顯，主要體現(xiàn)為車體橫向、垂向復(fù)合異常振動(dòng)。通過添乘定期采集隧道工況、坡道工況（坡度20‰以上）、曲線工況和普通工況（非隧道、坡度6‰以下、直線）下車體振動(dòng)加速度，平穩(wěn)性測(cè)試儀放置為1車2位轉(zhuǎn)向架左側(cè)地板面（距離轉(zhuǎn)向架中心1 m）［15］。以普通工況為基準(zhǔn)，對(duì)比研究不同線路工況下動(dòng)車組車體振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。

1.1 隧道工況

隧道工況與普通工況車體振動(dòng)加速度幅值見圖1。隧道工況下車體振動(dòng)加速度幅值相對(duì)普通工況明顯增大，橫向、垂向振動(dòng)加速度均方根值分別增大約68%和86%。

隧道工況與普通工況車體振動(dòng)加速度頻譜見圖2。2種工況下車體振動(dòng)加速度主頻基本吻合，橫向加速度主要為1～2 Hz，垂向加速度主要為8～12 Hz、隧道工況下在12 Hz集中分布。隧道工況下，二者頻譜幅值相比普通工況均顯著增大。

圖2 隧道工況與普通工況車體振動(dòng)加速度頻譜

1.2 坡道工況

坡道工況與普通工況車體振動(dòng)加速度幅值見圖3。坡道工況下車體振動(dòng)加速度相對(duì)普通工況有少量增加，車體橫向、垂向振動(dòng)加速度均方根值分別增大約8%和12%。

圖3 坡道工況與普通工況車體振動(dòng)加速度幅值

坡道工況與普通工況車體振動(dòng)加速度頻譜見圖4。2種工況下車體振動(dòng)加速度主頻基本吻合，車體橫向加速度主頻為1～2Hz，垂向加速度主頻為1～2Hz與8～12Hz。坡道工況下車體振動(dòng)加速度頻譜幅值明顯增大。

1.3 曲線工況

曲線工況與普通工況車體振動(dòng)加速度幅值見圖5。坡道工況下車體振動(dòng)加速度相對(duì)普通工況有少量增加，車體橫向、垂向振動(dòng)加速度均方根值分別增大約9%與11%。車輛通過曲線時(shí)在離心力的作用下出現(xiàn)了未被平衡的橫向加速度，因此車體橫向振動(dòng)加速度整體向負(fù)方向發(fā)生偏移。

圖4 坡道工況與普通工況車體振動(dòng)加速度頻譜

圖5 曲線工況與普通工況車體振動(dòng)加速度幅值

曲線工況與普通工況車體振動(dòng)加速度頻譜見圖6。2種工況下車體振動(dòng)加速度主頻基本吻合，車體橫向加速度主頻為1～2 Hz與10 Hz，垂向加速度主頻為1～2 Hz與8～14 Hz。曲線工況下車體振動(dòng)加速度頻譜幅值明顯增大。

圖6 曲線工況與普通工況車體振動(dòng)加速度頻譜

2 不同磨耗車輪踏面實(shí)測(cè)車體振動(dòng)加速度

選取鏇輪后運(yùn)行8.69萬km和23.7萬km時(shí)車體振動(dòng)加速度幅值進(jìn)行分析（見圖7，此時(shí)間段未進(jìn)行鋼軌打磨）。鏇輪后運(yùn)行23.7萬km時(shí)車體振動(dòng)加速度幅值明顯增大，橫向、垂向加速度均方根值分別增大18%和21%。

2次采集數(shù)據(jù)車體振動(dòng)加速度頻譜見圖8。車輪踏面不同磨耗階段車體振動(dòng)加速度主頻基本吻合，車體橫向、垂向振動(dòng)加速度主頻為1～2 Hz與8～14 Hz。鏇輪后運(yùn)行23.7萬km時(shí)車體振動(dòng)加速度頻譜幅值相比8.69萬km時(shí)明顯增大。

圖7 不同磨耗車輪踏面車體振動(dòng)加速度幅值

圖8 不同磨耗車輪踏面車體振動(dòng)加速度頻譜

3 鋼軌打磨前后車體振動(dòng)加速度

以實(shí)測(cè)車輪踏面和車輛線路參數(shù)為依據(jù)，充分考慮輪軌接觸關(guān)系、輪軌接觸應(yīng)力和輪軌蠕滑，設(shè)計(jì)得到適合該高速鐵路的最佳鋼軌廓形，按設(shè)計(jì)廓形對(duì)鋼軌進(jìn)行了打磨，打磨前后鋼軌廓形見圖9。

為研究鋼軌打磨對(duì)車體振動(dòng)加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)的影響，采集了打磨前后同一動(dòng)車組運(yùn)行至同一區(qū)間時(shí)車體振動(dòng)加速度（見圖10）及平穩(wěn)性指標(biāo)（見圖11），65～95 s為隧道工況，其他為普通工況。

圖9 打磨前后實(shí)測(cè)鋼軌廓形

鋼軌打磨后動(dòng)車組車體橫向、垂向加速度幅值以及橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均相比打磨前明顯減小?？梢婁撥壌蚰タ捎行д诬圀w抖動(dòng)問題、提高動(dòng)車組運(yùn)行平穩(wěn)性。

鋼軌打磨前后輪軌接觸光帶分布對(duì)比見圖12。打磨前左右股光帶顯著不對(duì)稱：左股光帶寬約45 mm且偏內(nèi)，右股光帶寬約25 mm且偏外；打磨后左右股光帶寬約30 mm、居中對(duì)稱。

圖12 鋼軌打磨前后輪軌接觸光帶分布

4 輪軌接觸關(guān)系及動(dòng)力學(xué)分析

在定期添乘當(dāng)天分別采集同一動(dòng)車組鏇輪后2.36、8.69、18.6、23.7萬km時(shí)的車輪踏面，踏面磨耗情況見圖13。車輪踏面磨耗主要發(fā)生在滾動(dòng)圓位置附近，磨耗形式主要為踏面凹形磨耗伴隨輕微輪緣磨耗。鏇輪后運(yùn)行23.7萬km時(shí)，踏面最大磨耗值已達(dá)2.09 mm，踏面中間最低位置已低于踏面外側(cè)，形成“假輪緣”。最大輪緣磨耗約0.58 mm。

分析鏇輪后不同時(shí)期實(shí)測(cè)車輪踏面和打磨前后鋼軌廓形接觸關(guān)系及等效錐度（見圖14）。鋼軌打磨前等效錐度隨車輪磨耗逐漸增大，鏇輪后運(yùn)行18.6萬km后超過0.400，鏇輪后運(yùn)行23.7萬km后已經(jīng)達(dá)到0.413。鋼軌打磨后，等效錐度隨車輪磨耗增加基本維持在穩(wěn)定水平，最大不超過0.200。根據(jù)文獻(xiàn)［4］的研究，等效錐度超過0.400以后動(dòng)車組極易出現(xiàn)車體抖動(dòng)現(xiàn)象。因此鋼軌打磨可有效抑制等效錐度隨車輪踏面磨耗的不斷增大，從而減小車體抖動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)的可能。

鏇輪后2.36萬km車輪踏面和打磨前后鋼軌廓形匹配時(shí)接觸關(guān)系見圖15。打磨前軌頂接觸位置較為分散并存在交叉跳躍，有可能引起車輛抖動(dòng)；打磨后輪軌接觸分布集中在軌頂位置，接觸關(guān)系明顯改善。

圖13 動(dòng)車組車輪踏面磨耗情況

圖14 鏇輪后不同時(shí)期車輪踏面和打磨前后鋼軌匹配等效錐度

圖15 鏇輪后2.36萬km車輪與打磨前后鋼軌廓形匹配

鏇輪后23.7萬km車輪踏面和打磨前后鋼軌廓形匹配時(shí)接觸關(guān)系見圖16。此時(shí)車輪踏面凹形磨耗量約2.09 mm，與打磨前后鋼軌匹配等效錐度分別為0.413和0.142。鋼軌打磨前等效錐度過大，且軌頂接觸位置極為分散并存在明顯的跳躍情況，在凹型磨耗的車輪兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)2個(gè)不同的接觸帶，極有可能引起車輛抖動(dòng)；打磨后等效錐度顯著降低，輪軌接觸關(guān)系明顯改善，但接觸位置仍相對(duì)分散。

圖16 鏇輪后23.7萬km車輪與打磨前后鋼軌廓形匹配時(shí)接觸關(guān)系

4種輪軌匹配情況下，鏇輪后運(yùn)行23.7萬km車輪踏面和打磨前鋼軌廓形匹配時(shí)接觸關(guān)系最差，該情況下不同橫移量x下輪軌接觸位置見圖17（向左移動(dòng)為負(fù)）。在很小的橫移量下，右股輪軌接觸位置即發(fā)生顯著跳躍，變化最大可達(dá)20 mm，導(dǎo)致車輪相對(duì)于鋼軌有一個(gè)較大的橫移量和加速度，極可能導(dǎo)致車輛出現(xiàn)異常振動(dòng)，甚至發(fā)生蛇行失穩(wěn)。

以該高速鐵路運(yùn)營動(dòng)車組為原型，在多體動(dòng)力學(xué)軟件Simpack中建立車輛-軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。模型中主要部件包括1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、8個(gè)軸箱以及4個(gè)輪對(duì)。各部件間約束關(guān)系（自由度）、聯(lián)結(jié)關(guān)系（懸掛力）以及各種線性與非線性因素等均在模型中有完整體現(xiàn)。模型中車輪踏面為鏇輪后2.36萬km和23.7萬km后實(shí)測(cè)踏面，鋼軌廓形為打磨前后實(shí)測(cè)廓形。

圖17 鏇輪后23.7萬km車輪踏面與打磨前鋼軌匹配接觸位置

計(jì)算不同車輪踏面影響時(shí)，鋼軌廓形統(tǒng)一選擇打磨前實(shí)測(cè)廓形。由仿真計(jì)算結(jié)果可知，鏇輪后23.7萬km時(shí)車體振動(dòng)加速度相比鏇輪后2.36萬km時(shí)明顯增大（見圖18），加速度主頻基本吻合、頻譜幅值明顯增大（見圖19）。

圖18 不同車輪踏面車體振動(dòng)加速度

圖19 不同車輪踏面車體振動(dòng)加速度頻譜幅值

計(jì)算鋼軌打磨的影響時(shí)，車輪踏面統(tǒng)一選擇鏇輪后23.7萬km時(shí)實(shí)測(cè)踏面。由仿真計(jì)算結(jié)果可知，鋼軌打磨后，車體振動(dòng)加速度明顯減?。ㄒ妶D20），加速度主頻基本吻合、12.6 Hz振動(dòng)主頻基本消除（見圖21）。

根據(jù)輪軌接觸關(guān)系及動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果可知，車輪鏇修及鋼軌打磨均可提高動(dòng)車組運(yùn)行平穩(wěn)性、改善動(dòng)車組運(yùn)行動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。

圖20 鋼軌打磨前后車體振動(dòng)加速度

圖21 鋼軌打磨前后車體振動(dòng)加速度頻譜幅值

5 結(jié)論

（1）該高速鐵路動(dòng)車組車體橫向、垂向振動(dòng)加速度主頻分布在1～2 Hz與8～14 Hz，在隧道工況下幅值明顯大于其他工況且體感抖動(dòng)明顯，坡道工況和曲線工況下幅值相比普通工況增加10%左右。具體原因和整治措施研究應(yīng)在后續(xù)工作中繼續(xù)開展。

（2）鏇輪后23.7萬km時(shí)車輪踏面磨耗達(dá)到2.09 mm。隨車輪踏面磨耗逐漸增大，實(shí)測(cè)車體振動(dòng)加速度逐漸增大，輪軌接觸關(guān)系逐漸惡化，與未廓形打磨鋼軌匹配時(shí)尤為明顯。

（3）鋼軌廓形打磨可改善輪軌接觸關(guān)系，減小動(dòng)車組車體振動(dòng)加速度，提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性，改善輪軌接觸光帶。

（4）車輪鏇修和鋼軌廓形打磨均可降低等效錐度、有效改善輪軌接觸關(guān)系，對(duì)整治高速鐵路動(dòng)車組抖動(dòng)問題均有顯著作用。