成貴客專動(dòng)車組異常抖動(dòng)原因分析及治理

龔繼軍， 孫建峰， 王軍平， 鐘浩， 胥夕明， 譚皓尹

（1. 中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司，四川成都 610031；2. 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031）

1 概述

近年來，隨著動(dòng)車組運(yùn)行速度持續(xù)提高，對車輛蛇行運(yùn)動(dòng)安全性和穩(wěn)定性提出了更高要求［1-5]。車輛蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性直接影響蛇行失穩(wěn)臨界速度［6]，動(dòng)車組一旦失穩(wěn)或設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性裕量不足，將嚴(yán)重影響車輛運(yùn)行品質(zhì)，引起車輛出現(xiàn)異常抖動(dòng)。特別是越來越多的高速線路，由于長期未打磨或打磨質(zhì)量不高，引起輪軌關(guān)系不良，極易出現(xiàn)動(dòng)車組異常抖動(dòng)問題［7-10]。

成貴客專自開通運(yùn)營以來，彭山北站高速通過正線道岔時(shí)部分列車出現(xiàn)車體異常抖動(dòng)現(xiàn)象，動(dòng)車組異常抖動(dòng)集中出現(xiàn)在道岔區(qū)域，且都是鏇輪后運(yùn)行里程較長的車次。2019年4月對該區(qū)段鋼軌狀態(tài)進(jìn)行了檢測。檢測發(fā)現(xiàn)：鋼軌廓形質(zhì)量較低，測量廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形的偏差值均在0.7 mm 以上，最大偏差值達(dá)到1.5 mm，鋼軌光帶均在46 mm 以上，最寬可達(dá)55 mm，部分區(qū)段鋼軌同股前后及左右股光帶寬度差異可達(dá)9 mm；計(jì)算可知廓形打磨前實(shí)測鋼軌廓形與凹型磨耗較為嚴(yán)重的車輪踏面匹配以后，等效錐度偏大。

2 動(dòng)車組異常抖動(dòng)原因分析

2.1 鋼軌廓形及表面狀態(tài)

打磨前對異常抖動(dòng)區(qū)段的鋼軌廓形進(jìn)行采集，與打磨前標(biāo)準(zhǔn)60 軌的對比見圖1，可以看出，實(shí)測廓形比標(biāo)準(zhǔn)軌廓內(nèi)側(cè)高1.5 mm左右。

圖1 鋼軌廓形對比

同時(shí)對異常抖動(dòng)區(qū)段鋼軌光帶進(jìn)行采集（見圖2），測量結(jié)果顯示異常抖動(dòng)區(qū)段光帶寬度均在46 mm 以上，最大寬度達(dá)到55 mm。

圖2 鋼軌光帶

2.2 車體振動(dòng)測試結(jié)果

2019年4 月鋼軌廓形打磨前對成貴客專動(dòng)車組某車次（鏇輪后運(yùn)行20萬km左右）進(jìn)行了動(dòng)態(tài)添乘跟蹤測試，分析車體振動(dòng)性能。測試結(jié)果見圖3、圖4，可以看出，廓形打磨前成貴客專動(dòng)車組車體在橫向、垂向確實(shí)存在振動(dòng)幅值較大、車體異常振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)主頻為8～9 Hz。

圖3 實(shí)測車體橫向加速度STFT變化結(jié)果

2.3 輪軌關(guān)系分析

對發(fā)生異常抖動(dòng)動(dòng)車組的踏面進(jìn)行了測量，發(fā)生異常抖動(dòng)動(dòng)車組新車車輪和異常抖動(dòng)實(shí)測磨耗車輪踏面對比情況見圖5。

圖4 實(shí)測車體垂向加速度STFT變化結(jié)果

圖5 車輪踏面對比結(jié)果

成貴客專鋼軌打磨前實(shí)測鋼軌廓形分別與磨耗車輪、新輪匹配時(shí)的輪軌關(guān)系計(jì)算結(jié)果見圖6、圖7?？梢钥闯?，廓形打磨前成貴客專實(shí)測鋼軌廓形與磨耗車輪匹配時(shí)等效錐度高達(dá)0.456，輪對在較小橫移量時(shí)就會在軌肩位置接觸，極易導(dǎo)致車輛發(fā)生二次蛇形失穩(wěn)，車輛易產(chǎn)生嚴(yán)重異常抖動(dòng)；廓形打磨前成貴客專實(shí)測鋼軌廓形與新輪匹配時(shí)等效錐度為0.198，不會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生二次蛇行失穩(wěn)。

圖6 輪軌接觸對匹配結(jié)果

2.4 小結(jié)

分析可知，成貴客專鋼軌廓形打磨前抖車區(qū)域特別是在彭山北站的抖車嚴(yán)重時(shí)刻，車體橫向、垂向加速度均存在8～9 Hz的振動(dòng)主頻，據(jù)動(dòng)車組廠家介紹該型車的一階菱形模態(tài)也在8～9 Hz，現(xiàn)場實(shí)測鋼軌廓形與凹型磨耗踏面匹配時(shí)等效錐度均在0.450 以上，動(dòng)車組運(yùn)行至此區(qū)段必然發(fā)生二次蛇行失穩(wěn)。

圖7 等效錐度計(jì)算結(jié)果

3 鋼軌廓形偏差值研究

現(xiàn)場測量結(jié)果表明，成貴客專動(dòng)車組運(yùn)行至彭山北站時(shí)，由于鋼軌廓形質(zhì)量較差，急需通過打磨進(jìn)行緩解，提高車輛通過時(shí)旅客的乘車舒適度。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果制定了個(gè)性化的鋼軌廓形打磨策略，對打磨后鋼軌的偏差值進(jìn)行初步研究（主要針對抖動(dòng)工況）。

3.1 研究方法

為了便于尋求成貴客專動(dòng)車組異常抖動(dòng)區(qū)段鋼軌廓形的打磨限值，采用線性差值方法分別將實(shí)測抖車區(qū)段鋼軌廓形欠打磨與標(biāo)準(zhǔn)廓形進(jìn)行插值擬合（見圖8），研究鋼軌廓形偏差限值。

圖8 鋼軌廓形插值結(jié)果

3.2 輪軌關(guān)系分析結(jié)果

將插值結(jié)果分別與成貴客專動(dòng)車組實(shí)測車輪踏面進(jìn)行匹配，計(jì)算各偏差廓形的等效錐度曲線（見圖9），圖中紅點(diǎn)對應(yīng)每個(gè)插值廓形與磨耗車輪計(jì)算的等效錐度數(shù)值。由圖9可知，隨著鋼軌內(nèi)側(cè)廓形欠打磨量的增大，等效錐度數(shù)值也逐漸變大。

3.3 打磨前構(gòu)架加速度仿真計(jì)算結(jié)果

將插值結(jié)果分別與成貴客專動(dòng)車組實(shí)測踏面進(jìn)行匹配，在動(dòng)力學(xué)仿真軟件中計(jì)算各偏差廓形對應(yīng)的構(gòu)架加速度振動(dòng)情況（見圖10、圖11）?？梢钥闯觯少F客專動(dòng)車組在鋼軌廓形2 處與車輪匹配時(shí)，動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果表明動(dòng)車組處于臨界狀態(tài)，當(dāng)鋼軌廓形欠打磨量大于廓形2 時(shí)，動(dòng)車組就會發(fā)生抖車現(xiàn)象，初步可以得出成貴客專該型動(dòng)車組輪軌匹配的等效錐度值最大不能超過0.380。因此，對成貴客專進(jìn)行廓形打磨時(shí)必須對鋼軌廓形偏差值進(jìn)行控制，避免與動(dòng)車組進(jìn)行匹配時(shí)出現(xiàn)由于等效錐度過大而抖車的情況。

4 廓形打磨分析治理效果

4.1 鋼軌廓形質(zhì)量

以彭山北站下行9 號道岔鋼軌廓形質(zhì)量指數(shù)（Grinding Quality Index，GQI）指標(biāo)為例，9號道岔左右股廓形打磨前鋼軌GQI指標(biāo)較低，平均分為38.8，鋼軌廓形與設(shè)計(jì)廓形存在明顯差異。打磨前、打磨后1周對成貴客專彭山北站9號道岔岔前鋼軌廓形進(jìn)行測量（見圖12），廓形打磨后鋼軌GQI 指標(biāo)得到極大提高，提升至90.0分以上。

圖10 構(gòu)架橫向加速度計(jì)算結(jié)果

圖11 構(gòu)架橫向加速度時(shí)頻計(jì)算結(jié)果

圖12 打磨前后鋼軌GQI指標(biāo)

4.2 鋼軌表面狀態(tài)

打磨前、打磨后一周對彭山北站9號道岔鋼軌表面狀態(tài)進(jìn)行記錄觀測，觀測結(jié)果見圖13?？梢钥闯?，打磨前軌面滿光帶，輪軌關(guān)系不良；打磨后接觸位置較為合理，光帶寬度分布居中，寬度為20～30 mm，輪軌關(guān)系得到較好改善。

4.3 輪軌匹配計(jì)算結(jié)果

打磨后鋼軌實(shí)測廓形與磨耗車輪、新輪匹配時(shí)的輪軌關(guān)系計(jì)算結(jié)果見圖14、圖15?？梢钥闯?，打磨后實(shí)測鋼軌廓形與新輪、磨耗車輪匹配時(shí)，按照UIC 519 規(guī)定算法計(jì)算出輪軌匹配等效錐度值分別為0.100、0.153，輪對在較小橫移量時(shí)不會在軌肩位置接觸，不會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架由于等效錐度過大引起二次蛇行失穩(wěn)。

4.4 振動(dòng)測試結(jié)果

實(shí)測某車次動(dòng)車組2019年4月和6月的打磨前后車體振動(dòng)變化情況見圖16。

可以看出，廓形打磨前存在8～9 Hz 主頻；廓形打磨后，該車次高速通過彭山北站正線道岔時(shí)車體無明顯主頻，動(dòng)態(tài)添乘效果良好。

圖13 打磨前后鋼軌表面狀態(tài)變化情況

圖14 打磨后輪軌接觸對匹配結(jié)果

圖15 打磨后等效錐度計(jì)算結(jié)果

圖16 車體橫向加速度頻譜

5 結(jié)論與展望

針對成貴客專動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)存在車體異常抖動(dòng)情況進(jìn)行分析，現(xiàn)場針對動(dòng)車組異常抖動(dòng)區(qū)段的軌面狀態(tài)、鋼軌廓形結(jié)合車輪踏面狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，分析異常抖動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，對成貴客專廓形打磨的偏差限值進(jìn)行研究。最后通過制定個(gè)性化的廓形打磨策略對異常抖動(dòng)區(qū)段鋼軌進(jìn)行了打磨。主要結(jié)論如下：

（1）成貴客專動(dòng)車組異常抖動(dòng)主要原因是動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架發(fā)生了二次蛇行失穩(wěn)。廓形打磨前實(shí)測鋼軌廓形與磨耗車輪匹配時(shí)等效錐度高達(dá)0.456，輪對在較小橫移量時(shí)就會在軌肩位置接觸，車輛易產(chǎn)生嚴(yán)重異常抖動(dòng)。

（2）計(jì)算得出成貴客專運(yùn)行該型動(dòng)車組的等效錐度最大不能超過0.380。因此，打磨時(shí)必須對鋼軌廓形偏差值進(jìn)行控制，避免與動(dòng)車組進(jìn)行匹配時(shí)出現(xiàn)由于等效錐度過大而引起晃車或抖車情況。

（3）廓形打磨后，岔區(qū)左右股鋼軌GQI 值較打磨前提升70%以上，鋼軌接觸光帶分布合理，表面狀態(tài)得到明顯改善。

（4）廓形打磨后實(shí)測廓形與新輪、磨耗車輪匹配時(shí)接觸位置均更為合理，等效錐度得到合理控制，輪軌關(guān)系得到較好改善。

（5）廓形打磨后，動(dòng)車組高速通過彭山北站正線道岔時(shí)車體均無明顯主頻，動(dòng)態(tài)添乘效果良好。

高速鐵路鋼軌打磨應(yīng)嚴(yán)檢慎修，打磨前必須對打磨區(qū)段進(jìn)行詳細(xì)、全方位調(diào)查，打磨過程中應(yīng)嚴(yán)格盯控，確保打磨方案正確實(shí)施，使鋼軌打磨效果達(dá)到最優(yōu)。