線路條件與鋼軌打磨對動車組車體振動的影響研究

孟繁國 張紫龍 馬德東

(1. 中國鐵路沈陽局集團有限公司， 沈陽 110001； 2. 中鐵物總運維科技有限公司， 北京 100036)

沈丹客運專線于2015年9月1日開通，全線鋪設(shè)CRTS Ⅲ型軌道板和60 kg/m、 U71MnG鋼軌，設(shè)計速度250 km/h，線路長207.756 km，最大坡度24.6‰；全線隧道58座，總長90.115 km。運行車輛為CRH380B和CRH5型動車組，日均運行列車27對，其中CRH5型動車組20對、CRH380B型動車組7對。

沈丹客運專線從2016年開始出現(xiàn)動車組車體抖動問題，表現(xiàn)為車廂橫向、垂向的異常振動。CRH5G型動車組在隧道內(nèi)抖動較明顯，占抖動區(qū)間長度的85.2%。因受軌道形式等因素限制，目前僅能通過鋼軌大機打磨的方式緩解動車組抖動問題。

鋼軌廓形打磨能有效改善輪軌接觸關(guān)系，降低車體振動，延長鋼軌使用壽命[1-5]。因此，如何評價大機打磨對車輛抖動問題的改善情況，以及確定合理的打磨周期，最大程度地提高打磨效率，成為當前迫切需要研究解決的問題。

1 試驗準備及數(shù)據(jù)測試

選取不同線路條件的典型試驗段進行定期觀測，采集區(qū)間內(nèi)鋼軌廓形、光帶分布、軌面平順度(波磨)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)；固定車型CRH5型動車組，采集鏇輪后的車輪踏面數(shù)據(jù)以及不同線路條件下車體振動加速度[6-8]。

1.1 試驗車體選取

選取CRH5G-5163進行長期跟蹤觀測，該車運行里程156.2萬km，鏇輪后走行2.36萬km，且車況較好，具有一定代表性。

1.2 線路試驗段選取

綜合分析沈丹客運專線2016年以來的日常添乘數(shù)據(jù)，針對普通工況(隧道外坡度6‰以下直線地段)、隧道工況、曲線工況和坡道工況(坡度20‰以上的長大坡道)等不同的線路條件，確定了線路觀測試驗段，其中普通工況為本次試驗測試的基礎(chǔ)工況。

1.3 車體振動加速度采集

利用平穩(wěn)性測試儀對車體振動加速度進行采集，采集數(shù)據(jù)包括縱向(X)、橫向(Y)和垂向(Z)3個方向的振動加速度。添乘儀器采樣頻率為 2 000 Hz，精度為0.01 g。采集時間為2018年5月17日、6月29日、8月23日和9月27日，采集位置為1號車尾部、2號轉(zhuǎn)向架中心左側(cè)1 m附近。采集方式為全線通采，列車每次啟動后開始采集、每次停車后停止采集。

1.4 車輪踏面廓形采集

利用miniprof車輪廓形測量儀，在沈陽南動車所對CRH5G-5163車輪數(shù)據(jù)進行了采集，車輪測量編號如圖1所示。

圖1 車輪測量編號圖

鏇輪后不同階段的車輪踏面磨耗情況如圖2所示，從圖2可以看出車輪踏面磨耗形式主要為踏面凹形磨耗，同時伴隨著輕微輪緣磨耗。鏇輪后運行23.7萬km時，踏面最大磨耗值達2.09 mm，并形成“假輪緣”，最大輪緣磨耗約0.58 mm。

圖2 動車組車輪踏面磨耗情況圖

1.5 試驗段鋼軌數(shù)據(jù)采集

對試驗段的鋼軌情況進行了跟蹤觀測，觀測內(nèi)容包括鋼軌廓形、光帶分布、軌面平順度(波磨)等。鋼軌廓形測點采集間隔為300～500 m，共采集廓形34組；利用波磨測量儀采集試驗段內(nèi)軌面不平順數(shù)據(jù)。

2 不同線路條件下車體振動加速度數(shù)據(jù)分析

根據(jù)沈丹客運專線添乘數(shù)據(jù)獲得不同線路條件下的車體振動加速度的數(shù)據(jù)，分別研究了隧道工況、坡道工況和曲線工況下和普通工況下的車體振動加速度對比情況。

2.1 隧道工況

隧道工況與普通工況典型車體振動加速度對比曲線如圖3所示。

圖3 隧道工況與普通工況車體振動加速度對比圖

從圖3可以看出，隧道工況下車體橫向、垂向振動加速度相對普通工況增幅明顯，普通工況下車體橫向、垂向振動加速度幅值分別約為0.04 g和0.05 g，而隧道工況下車體橫向、垂向振動加速度幅值分別約為0.07 g和0.1 g，增幅分別為75%和100%；普通工況車體橫向、垂向振動加速度均方根值分別為 0.011 7 g和 0.016 4 g，隧道工況車體橫向、垂向振動加速度均方根值分別為 0.019 7 g和 0.030 5 g，增幅分別為68%和86%。

2.2 坡道工況

坡道工況與普通工況車體橫向、垂向振動加速度對比曲線如圖4所示。

圖4 坡道工況與普通工況車體振動加速度對比圖

從圖4可以看出，坡道工況下車體橫向、垂向振動加速度相對普通工況相比增幅不大。坡道工況下車體橫向、垂向振動加速度幅值分別約為0.045 g和0.56 g，增幅約12.5%和12%；均方根值分別為 0.014 2 g和 0.021 8 g，增幅分別為20%和33%。

2.3 曲線工況

曲線工況與普通工況車體橫向、垂向振動加速度對比曲線如圖5所示。

圖5 曲線工況與普通工況車體振動加速度對比圖

從圖5可以看出，曲線工況下車體橫向、垂向振動加速度幅值分別約為0.05 g和0.06 g，與普通工況相比，分別增大約25%和20%；均方根值分別為 0.013 8 g和 0.019 8 g，增幅分別為18%和21%。

曲線工況下車體橫向加速度曲線相對普通工況發(fā)生了明顯偏移，這是由于車輛通過曲線時在離心力作用下出現(xiàn)了未被平衡的橫向加速度，由此車體橫向振動加速度整體向負方向發(fā)生偏移。

3 不同車輪踏面磨耗下車體振動加速度數(shù)據(jù)分析

鋼軌廓形打磨前，普通工況下車輛鏇輪后運行8.69萬km和鏇輪后運行23.7萬km時車體橫向、垂向振動加速度對比曲線如圖6所示。

圖6 不同車輪踏面車體實測振動加速度對比圖

從圖6可以看出，鏇輪后運行8.69萬km時車體橫向、垂向振動加速度幅值分別約為0.05 g和 0.06 g，鏇輪后運行23.7萬km時車體橫向、垂向振動加速度幅值分別約為0.07 g和0.08 g，車體橫向、垂向加速度幅值分別增大40%、33%，均方根值分別增大16.6%、16.7%。

4 鋼軌廓形打磨前后車體平穩(wěn)性對比

為研究鋼軌廓形打磨對車體平穩(wěn)性的影響，對比分析沈丹客運專線下行線K 107～K 115區(qū)間6月份打磨前和9月份打磨后的添乘數(shù)據(jù)，打磨前后車體振動加速度、車體平穩(wěn)性指標對比如圖7、圖8所示。

圖7 廓形打磨前后車體振動加速度對比圖

圖8 廓形打磨前后車體平穩(wěn)性指標對比圖

從圖7、圖8可以看出，鋼軌廓形打磨后動車組車體橫向、垂向加速度幅值以及橫向、垂向平穩(wěn)性指標均小于廓形打磨前。由此可見，鋼軌廓形打磨可以減小車體振動加速度、提高列車運行平穩(wěn)性。

5 實測鋼軌數(shù)據(jù)分析

5.1 鋼軌GQI分析

GQI(grinding quality index)用于評價鋼軌打磨后廓形與設(shè)計廓形的貼合情況，貼合程度越高GQI值越高，最高值為100。對試驗段鋼軌廓形進行GQI評價，上行線K 83.5～K 87.5區(qū)間左右股鋼軌的GQI平均值為94.2、93.4，整體水平優(yōu)良，各測點GQI值如圖9所示。

圖9 上行K 83.5-K 87.5區(qū)間鋼軌GQI圖

5.2 廓形差異性分析

根據(jù)鐵總運[2014]357號《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求[8]，運行速度大于200 km/h的線路左、右股鋼軌廓形在-25 mm～+25 mm范圍時最大偏差值應在±0.2 mm內(nèi)，左右股鋼軌廓形差異較小、廓形較為對稱。

通過分析左、右股鋼軌打磨前后廓形偏差可知，打磨前廓形最大差異超過0.5 mm，打磨后廓形差異均在0.2 mm以內(nèi)，左、右股廓形基本對稱。分析同股鋼軌廓形偏差值可知，打磨前廓形最大差異超過1 mm，打磨后廓形偏差在0.15 mm以內(nèi)，一致性滿足要求。整體打磨效果優(yōu)良。

5.3 鋼軌磨耗分析

沈丹客運專線鋼軌廓形4次測量變化情況如圖10所示。從圖10可以看出，打磨后廓形變化主要發(fā)生在軌頂光帶接觸位置，每月磨耗量約為0.018 mm，年平均磨耗約為0.216 mm。可知2 a內(nèi)鋼軌廓形偏差值將超過0.4 mm，根據(jù)鐵總運[2014]357號《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求，此時需對鋼軌廓形進行打磨修正。

圖10 沈丹鋼軌廓形變化情況圖

5.4 鋼軌光帶分析

根據(jù)打磨后鋼軌光帶寬度、光帶內(nèi)側(cè)距工作邊距離和光帶外側(cè)距非工作邊距離現(xiàn)場的觀測情況可知，光帶位置基本居中，略偏內(nèi)。實驗段典型光帶情況如圖11、圖12所示。

圖11 上行K 115+000位置光帶圖

圖12 下行K 115+000位置光帶圖

由圖11、圖12可以看出，鋼軌光帶寬度在25～30 mm之間，位置居中，左右股對稱，無波浪形磨耗和主次光帶現(xiàn)象。左、右股鋼軌光帶內(nèi)側(cè)距工作邊距離平均值分別為22 mm、22.1 mm，光帶寬度無明顯差異。左、右股鋼軌光帶內(nèi)側(cè)距軌距角寬度平均值分別為18.7 mm、19.4 mm，二者差異在合理范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

本文通過對沈丹客運專線線路條件與鋼軌打磨對動車組車體振動的影響進行研究，得到以下主要結(jié)論：

(1)車體振動加速度與車輪凹形磨耗程度成正比。隧道內(nèi)車體橫向、垂向振動加速度幅值明顯大于其它工況，曲線工況和長大坡道工況未見明顯增加。

(2)鋼軌打磨后鋼軌廓形打磨可顯著改善車體振動情況、提高列車運行平穩(wěn)性。

(3)建議每2～3 a對沈丹客運專線鋼軌廓形進行打磨修正，隧道內(nèi)打磨周期可適當縮短。