高速鐵路動車組異常抖動原因分析及對策

管曙剛 中國鐵路上海局集團有限公司上海工務(wù)段

2019年2月至3月，國內(nèi)京滬高鐵連續(xù)出現(xiàn)了多起某型動車組抖車現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為車體出現(xiàn)高頻抖動并引起了座椅、行李架的抖動，同時產(chǎn)生了一定的噪音，影響旅客乘坐舒適性。

動車組抖動的主要特點：

（1）動車組車輪臨近鏇修時容易出現(xiàn)抖車；

（2）抖車集中在濟南局與上海局管內(nèi)個別區(qū)段；

（3）抖車動車組構(gòu)架橫向振動加速度未出現(xiàn)報警。

本文以京滬高鐵上海局管內(nèi)線路為研究對象，對車輛和鋼軌狀態(tài)進行調(diào)查研究，分析了造成動車組抖車的原因并提出處理措施，確保高鐵動車運行安全和舒適。

1 抖車振動特性分析

工務(wù)部門會同車輛部門對抖車的動車組進行了添乘，并測試了發(fā)生抖車的車底板、側(cè)墻、行李架與座椅的振動加速度。通過測試可知：

（1）抖車區(qū)段車體平穩(wěn)性顯著降低，添乘測試車體橫向平穩(wěn)性為2.4（主機廠添乘測試平穩(wěn)性最大超過3.0）。

（2）抖車時車底面的垂向振動加速度明顯小于橫向，但是傳遞至側(cè)墻、行李架、座椅后垂向振動加速度顯著增加。

（3）抖車時底板、側(cè)墻、行李架、座椅的振動加速主頻都為7.9 Hz，且可明顯聽到座椅與行李架發(fā)出噠噠噠的抖動聲。

2 輪軌匹配分析

2.1 車輪型面

對發(fā)生抖動的動車組車輪型面進行了測量，實測車輪型面與標(biāo)準(zhǔn)車輪型面對比見圖1，可見實測車輪型面在踏面區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的凹磨，凹磨寬度約為40 mm，滾動圓處磨耗深度約1.2 mm，除此之外并未出現(xiàn)其他異常。

圖1 車輪踏面外形對比

2．2鋼軌廓形分析

京滬高鐵上海局管內(nèi)抖車區(qū)段集中在南京至無錫段，該區(qū)段鋼軌廓形在2011年預(yù)打磨后未進行GMC-96X打磨車的預(yù)防性打磨，僅每年安排一次鋼軌快速打磨，快速打磨可提高線路的平順性，但對鋼軌廓形的改善效果有限。通過調(diào)查并統(tǒng)計抖車區(qū)段鋼軌發(fā)現(xiàn)：1）鋼軌光帶較寬（見圖2~圖3），寬度在40 mm~52 mm之間；2）與設(shè)計廓形60D相比，抖車區(qū)段鋼軌廓形在軌距角部位存在正偏差超限，最大偏差量約為+0.8 mm~+1.0 mm，見圖4~圖7。

圖2 上行K1092+663右股光帶（寬度42 mm）

圖3 上行K1092+683右股光帶寬度（51 mm）

圖4 上行K1148+500左右軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對比（藍色為標(biāo)準(zhǔn)廓形）

圖5 上行K1149+500左右軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對比（藍色為標(biāo)準(zhǔn)廓形）

圖6 上行K1091+000左右軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對比（藍色為標(biāo)準(zhǔn)廓形）

圖7 上行K1091+000左右軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對比（藍色為標(biāo)準(zhǔn)廓形）

2.3 輪軌匹配特性

選取出現(xiàn)抖車的動車組車輪踏面與抖車區(qū)段鋼軌廓形進行仿真計算，其中輪軌匹配等效錐度結(jié)果見表1。由表1可知，抖車動車組輪軌匹配等效錐度均大于0.33，部分車體的輪軌匹配等效錐度甚至已經(jīng)超過經(jīng)驗限值0.4。過大的等效錐度將增大轉(zhuǎn)向架蛇行運動頻率，當(dāng)蛇行失穩(wěn)頻率與車體彈性模態(tài)接近時，極易引起車體彈性振動而出現(xiàn)抖車情況。

表1 輪軌匹配等效錐度

圖8 和圖9為輪軌接觸點分布情況。出現(xiàn)抖車的動車組車輪踏面與抖車區(qū)段鋼軌匹配時，由于車輪存在較大凹磨，輪軌接觸點主要分布于外軌與軌距角，容易出現(xiàn)假性輪緣接觸，加劇輪對橫向振動。

圖10 為輪軌匹配等效錐度曲線。可見等效錐度曲線呈負(fù)斜率趨勢，研究發(fā)現(xiàn)負(fù)斜率的等效錐度曲線不利于構(gòu)架穩(wěn)定性。

圖8 1號動車組1車導(dǎo)向輪對輪軌接觸

圖9 2號動車組3車導(dǎo)向輪軌輪軌接觸特性

圖10 輪軌匹配等效錐度曲線

3 抖車其它影響因素分析

車輪磨耗后，構(gòu)架蛇行分岔主要為超臨界分岔，即隨著運行速度提高，輪對先出現(xiàn)周期性小幅橫向蛇行運動且其幅值隨速度不斷增大，當(dāng)蛇行運動幅值達到某一臨界點則出現(xiàn)大幅蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象。如圖11所示，臨近鏇修周期時動車組以350 km/h的速度通過某些區(qū)段時，輪對會出現(xiàn)小幅蛇行運動，也可能是產(chǎn)生抖車的誘因之一。

圖11 蛇行分岔圖

4 處理措施

從分析結(jié)果可見，車輪臨近鏇修時產(chǎn)生的凹磨及鋼軌打磨不到位（即鋼軌軌距角處正偏差超限）是造成動車組抖車的重要因素。所以，對于動車組抖車的治理，可從車輪鏇修和鋼軌打磨兩方面予以解決。前期研究表明，良好的鋼軌打磨可保證甚至延長動車組的鏇修周期，所以，對于出現(xiàn)抖車的線路，應(yīng)當(dāng)制定精細化的鋼軌打磨計劃和方案，做到：

（1）打磨計劃要合理

應(yīng)做到區(qū)間線路和岔區(qū)線路的貫通打磨，即保證岔區(qū)線路和區(qū)間線路鋼軌廓形的一致性。工務(wù)部門在制定打磨計劃時，應(yīng)保證打磨計劃可以滿足車站道岔及站內(nèi)外線路的覆蓋打磨。

（2）治理方式要科學(xué)

目前，各鐵路局均配備有96頭鋼軌打磨車，20頭道岔打磨車及人工小型打磨機具。對于左右股對稱性良好，且存在長大區(qū)間抖車的線路，可采用96頭鋼軌打磨車進行跨區(qū)間打磨，打磨后廓形滿足《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求；對于左右股對稱性不良，且存在動車組抖車的線路，應(yīng)優(yōu)先采用20頭道岔打磨車進行分區(qū)段精細化打磨，以消除兩股鋼軌的不對稱度，必要時可輔以人工小機打磨，再進行兩股鋼軌廓形的修復(fù)，在保證兩股對稱性的前提下，廓形應(yīng)滿足《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求。

（3）打磨方案要細化

對于存在抖車的線路，應(yīng)對抖車區(qū)段鋼軌廓形進行精細測量，通過測量結(jié)果確定打磨位置及打磨量。

5 結(jié)論及建議

綜合上述分析，京滬高鐵某型動車組抖車的原因是磨耗后期凹磨嚴(yán)重的車輪踏面與部分區(qū)段鋼軌匹配不良，輪軌匹配等效錐度過大使構(gòu)架出現(xiàn)8 Hz左右蛇行運動失穩(wěn)頻率特征，該頻率特征傳遞至車體,可能與車體彈性模態(tài)接近而激起車體共振,產(chǎn)生抖動。同時,8 Hz左右頻率特征也傳遞至座椅與行李架，影響旅客乘車舒適性。

建議對抖車頻繁且接近鏇修周期的動車組進行車輪鏇修，并對長期未打磨區(qū)段鋼軌進行預(yù)防性打磨。