動(dòng)車組車體蛇行失穩(wěn)機(jī)理與影響因素試驗(yàn)研究*

孟 葳

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京100081）

動(dòng)車組服役以來，個(gè)別線路出現(xiàn)車體失穩(wěn)問題，表現(xiàn)為車體2 Hz 以內(nèi)的低頻晃動(dòng)，也稱為車體蛇行或晃車。車體失穩(wěn)將導(dǎo)致乘客乘坐舒適度顯著降低，影響動(dòng)車組的運(yùn)行品質(zhì)。

車體失穩(wěn)的根本原因是車體固有頻率與輪軌激擾頻率發(fā)生了耦合，輪軌激擾能量傳遞至車體引起耦合振動(dòng)導(dǎo)致了車體失穩(wěn)晃動(dòng)現(xiàn)象［1-2］。不少學(xué)者對(duì)引起車體失穩(wěn)的因素進(jìn)行了研究，從車輛懸掛參數(shù)優(yōu)化［3-4］、線路激擾［5-6］、輪軌匹配等效錐度［7-8］等方面進(jìn)行了論證，同時(shí)提出了改善措施。

某服役動(dòng)車組在城際線路出現(xiàn)較大范圍的動(dòng)車組車體失穩(wěn)晃車問題，同時(shí)車體失穩(wěn)出現(xiàn)了與以往不同的輪軌匹配特征：服役等效錐度隨著運(yùn)行里程呈降低的趨勢(shì)；鋼軌新打磨后部分區(qū)段出現(xiàn)明顯晃車；車輪踏面磨耗異常。針對(duì)動(dòng)車組輪軌等效錐度新趨勢(shì)引起的晃車問題，論文展開車體失穩(wěn)機(jī)理與影響因素的試驗(yàn)研究。主要試驗(yàn)工作包括：車輛振動(dòng)測(cè)試、輪軌型面測(cè)試與匹配等效錐度分析、旋修質(zhì)量分析、研磨子與車輪異常磨耗分析、線路軌道不平順與晃車關(guān)系分析、高級(jí)修與晃車關(guān)系測(cè)試等，最終通過試驗(yàn)研究提出控制措施。

1 車體失穩(wěn)特征分析

車體失穩(wěn)發(fā)生在個(gè)別線路區(qū)段，為了準(zhǔn)確定位晃車線路區(qū)段，對(duì)晃車動(dòng)車組運(yùn)營的多條城際線路進(jìn)行了添乘測(cè)試，測(cè)試平穩(wěn)性結(jié)果如圖1 所示。由圖可知：

（1）添乘測(cè)試結(jié)果顯示城際線路3 的車體失穩(wěn)最為明顯；

（2）車體失穩(wěn)特征為車體橫向振動(dòng)加速度存在周期性諧波，諧波頻率0.6～0.7 Hz，200 km/h 速度級(jí)的對(duì)應(yīng)波長約為80 m?；诬噷?dǎo)致車體橫向平穩(wěn)性上升，個(gè)別動(dòng)車組平穩(wěn)性超過2.5 限值標(biāo)準(zhǔn)，乘坐舒適性顯著降低。

2 車體失穩(wěn)原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)以及一些學(xué)者對(duì)晃車的研究，論文從軌道、車輛、輪軌匹配、軌道不平順等方面進(jìn)行了深入研究，分析車體失穩(wěn)原因。

2.1 鋼軌廓形原因分析

對(duì)城際線路3 處車體失穩(wěn)區(qū)段進(jìn)行了上線調(diào)研，實(shí)際鋼軌光帶照片如圖2 所示，實(shí)測(cè)廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對(duì)比如圖3 所示，實(shí)測(cè)輪廓與標(biāo)準(zhǔn)踏面等效錐度對(duì)比如圖4 所示。分析發(fā)現(xiàn)調(diào)研區(qū)段鋼軌的典型特征是：直線區(qū)段鋼軌光帶存在突變，同一側(cè)鋼軌的光帶寬度在15～35 mm 范圍變化，同時(shí)鋼軌軌距角存在周期性側(cè)磨，側(cè)磨長度約80 m，車輛通過該區(qū)段的速度為200 km/h，側(cè)磨波長與0.7 Hz的晃車波長吻合。

圖1 動(dòng)車組車體失穩(wěn)的振動(dòng)特征

測(cè)試分析直線區(qū)段14 個(gè)鋼軌廓形發(fā)現(xiàn)：軌頂（橫坐標(biāo)0～15 mm）范圍有11 個(gè)廓形出現(xiàn)負(fù)偏差，即低于打磨廓形60N，占比79%。軌頂負(fù)偏差將使得輪軌接觸區(qū)域向軌頂集中，降低了輪軌匹配等效錐度；同時(shí)僅2 個(gè)廓形在±25 mm 范圍偏差未超過0.2 mm 的打磨限值，鋼軌廓形存在打磨不到位現(xiàn)象。將實(shí)測(cè)廓形與標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面外形匹配，等效錐度結(jié)果顯示僅2 處大于設(shè)計(jì)值（與60N 匹配），占比14%。調(diào)研區(qū)段輪軌匹配等效錐度偏低容易引起車體失穩(wěn)［1，7］。

綜上所述，鋼軌打磨不到位導(dǎo)致輪軌匹配等效錐度過低是動(dòng)車組晃車的主要激發(fā)因素，鋼軌交替?zhèn)饶ピ黾恿嘶诬嚢l(fā)生幾率。

圖2 光帶交替變化

2.2 車輪踏面原因分析

（1）服役等效錐度降低問題

對(duì)不同旋后運(yùn)行里程的同型號(hào)動(dòng)車組進(jìn)行了踏面測(cè)試并計(jì)算等效錐度，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。不同旋后運(yùn)行里程等效錐度分布如圖5 所示。根據(jù)圖表可知：新旋修或服役動(dòng)車組存在等效錐度偏低的現(xiàn)象，平均值小于0.033（設(shè)計(jì)值0.04）；6 列服役??；最大磨耗區(qū)域在踏面90～110 mm 區(qū)域，磨耗區(qū)域相對(duì)滾動(dòng)圓70 mm 已經(jīng)偏離超過20 mm（輪軌橫移量最大約為15 mm），非實(shí)際輪軌接觸區(qū)域。

2.3 研磨子作用分析

動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架安裝了研磨子（也稱為踏面清掃動(dòng)車組等效錐度隨著旋后運(yùn)行里程增加總體呈負(fù)增長趨勢(shì)。

（2）車輪踏面異常磨耗

等效錐度降低的動(dòng)車組車輪踏面存在異常磨耗現(xiàn)象，旋后運(yùn)行12 萬km 的動(dòng)車組車輪踏面測(cè)試結(jié)果如圖6 所示，其中圖6（a）為實(shí)測(cè)踏面與標(biāo)準(zhǔn)踏面在滾動(dòng)圓區(qū)域?qū)Ρ葓D，圖6（b）為輪軌接觸特性，圖6（c）為實(shí)測(cè)踏面照片。該服役車輪踏面存在2 個(gè)特征：接觸區(qū)域集中在65～80 mm，滾動(dòng)圓70 mm 處踏面斜率小于標(biāo)準(zhǔn)外形，匹配等效錐度偏裝置），研磨子具有提高輪軌黏著系數(shù)的作用，對(duì)抑制車輪接觸疲勞、預(yù)防踏面等效錐度上升過快有良好作用。

圖3 實(shí)測(cè)廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對(duì)比

圖4 實(shí)測(cè)廓形與標(biāo)準(zhǔn)踏面等效錐度對(duì)比

表1 車體失穩(wěn)動(dòng)車組踏面錐度測(cè)量結(jié)果

圖5 不同服役里程等效錐度統(tǒng)計(jì)

圖6 車體失穩(wěn)動(dòng)車組車輪踏面外形與接觸特性

上節(jié)發(fā)現(xiàn)等效錐度隨運(yùn)行里程呈降低趨勢(shì)，為了驗(yàn)證研磨子作用對(duì)等效錐度的影響，選取一列動(dòng)車組對(duì)3 車廂的研磨子進(jìn)行了切除，并跟蹤動(dòng)車組車輪運(yùn)用等效錐度的演變規(guī)律，結(jié)果如圖7 所示。研究發(fā)現(xiàn)：

（1）研磨子作用的車等效錐度隨著運(yùn)行里程的增加有略微降低的趨勢(shì)；其中旋后運(yùn)行2.8 萬km時(shí)，等效錐度相比旋后降低，此后隨著運(yùn)行里程進(jìn)一步增加等效錐度降低不明顯。

（2）動(dòng)車組3 車廂在旋后運(yùn)行1.5 萬km 切除研磨子，當(dāng)運(yùn)行2.8 萬km 等效錐度相比旋后初始值降低；此后等效錐度隨運(yùn)行里程增加而快速增加；當(dāng)運(yùn)行至12.3 萬km，3 車廂等效錐度平均值達(dá)到0.15。切除研磨子后等效錐度快速增加，10 萬km等效錐度增加了0.11，在旋修末期可能引起轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)問題。

圖7 不同車廂等效錐度隨運(yùn)行里程變化趨勢(shì)

綜上所述，研磨子作用抑制了等效錐度的增加。由于研磨子起到增黏、抑制車輪接觸疲勞、控制車輪多邊形的作用，不能切除研磨子，可以研究優(yōu)化研磨子作用方式，改善等效錐度負(fù)增長的趨勢(shì)。

2.4 旋修質(zhì)量影響分析

旋修初期車體失穩(wěn)與旋修質(zhì)量也存在密切關(guān)系。調(diào)研發(fā)現(xiàn)旋床旋修薄輪緣外形后等效錐度低于設(shè)計(jì)值，原因是旋修程序采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)，薄輪緣外形旋后等效錐度低。2019 年11 月依據(jù)［2019］100 號(hào)文《動(dòng)車組車輪輪緣踏面外形暫行技術(shù)條件》對(duì)旋床的旋修程序進(jìn)行了升級(jí)。旋床升級(jí)后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試顯示旋修等效錐度由0.025 增加至0.039，達(dá)到了提高旋修初始等效錐度的目的，對(duì)比結(jié)果如圖8 所示。

圖8 旋床升級(jí)前后旋修等效錐度對(duì)比

2.5 其他影響因素分析

（1）等效錐度總體趨勢(shì)分析

對(duì)全路2018～2019 年以來該型號(hào)動(dòng)車組旋修前的等效錐度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：旋修前等效錐度偏低的現(xiàn)象普遍存在，部分路局旋修前平均等效錐度在0.05 內(nèi)，但是其他路局未發(fā)生頻繁車體失穩(wěn)的問題，僅在個(gè)別線路區(qū)段偶有出現(xiàn)。旋修前等效錐度統(tǒng)計(jì)可知：車體失穩(wěn)與運(yùn)行線路的鋼軌狀態(tài)密切相關(guān)，實(shí)際鋼軌廓形與實(shí)際車輪踏面匹配等效錐度低容易引起車體失穩(wěn)現(xiàn)象。

（2）軌道不平順影響分析

為了分析城際線路3 部分區(qū)段車體失穩(wěn)與軌道不平順相關(guān)性，利用高速綜合檢測(cè)列車檢測(cè)了失穩(wěn)區(qū)段的軌道不平順數(shù)據(jù)。其中長波高低和長波軌向通道檢測(cè)波長范圍為1.5～120 m，圖9 為軌道不平順的PSD 曲線。通過波形對(duì)比得到如下結(jié)論：失穩(wěn)線路區(qū)段的軌道幾何幅值較小，且基本沒有變化；長波軌向和車體橫向加速度不存在明顯周期性成分；但局部區(qū)段長波軌道、高低存在周期性成分，波長約為80 m。軌道不平順對(duì)車體失穩(wěn)是激擾因素之一，但測(cè)試城際線路的80 m 波長激擾不突出，應(yīng)不是車體失穩(wěn)的主要因素。

（3）動(dòng)車組懸掛參數(shù)影響分析

利用高級(jí)修對(duì)部分動(dòng)車組進(jìn)行了懸掛參數(shù)檢查，結(jié)果顯示所有懸掛參數(shù)均在檢修標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。懸掛參數(shù)不是引起車體失穩(wěn)的主要原因。

圖9 失穩(wěn)區(qū)段高低和軌向頻譜圖

3 車體失穩(wěn)機(jī)理分析

（1）車體失穩(wěn)機(jī)理分析

通過大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與測(cè)試發(fā)現(xiàn)車體失穩(wěn)的主要原因是輪軌匹配異常即等效錐度偏低。在服役動(dòng)車組懸掛參數(shù)未變的情況下，新打磨的城際線路車體失穩(wěn)問題凸顯，鋼軌打磨不到位導(dǎo)致等效錐度偏低誘發(fā)了動(dòng)車組晃車，為主要因素；另一方面研磨子抑制了等效錐度的增加，導(dǎo)致車體失穩(wěn)在旋修周期內(nèi)持續(xù)發(fā)生，沒有隨著車輪運(yùn)用而消失。

（2）服役過程中等效錐度負(fù)增長原因

我國動(dòng)車組車輪在運(yùn)用過程中在踏面滾動(dòng)圓70 mm 附近容易形成凹磨［9］，研磨子可以減小踏面凹磨深度，防止等效錐度快速增大導(dǎo)致構(gòu)架失穩(wěn)。但是該型號(hào)動(dòng)車組由于存在車體失穩(wěn)，旋修初期，車輪踏面接觸區(qū)域擴(kuò)大，滾動(dòng)圓65～80 mm 區(qū)域磨耗均勻，等效錐度增加緩慢，在滾動(dòng)圓處也未形成凹磨。再加上接觸區(qū)域存在表面硬化，研磨子作用下非接觸區(qū)域踏面外側(cè)的磨耗效果得到凸顯，導(dǎo)致等效錐度隨運(yùn)行里程增加呈負(fù)增長趨勢(shì)。

（3）其他因素對(duì)車體失穩(wěn)影響

動(dòng)車組高級(jí)修、懸掛參數(shù)對(duì)車體失穩(wěn)和等效錐度負(fù)增長的影響不明顯；軌道不平順對(duì)車體失穩(wěn)存在加劇作用，但車體晃動(dòng)的波長與軌道不平順的主要波長相關(guān)性不強(qiáng)，不是主要因素；車輪旋修方式優(yōu)化后由旋修引起的等效錐度偏低得到了控制。

4 結(jié)論與建議

針對(duì)某路局出現(xiàn)的持續(xù)車體失穩(wěn)現(xiàn)象，通過試驗(yàn)驗(yàn)證分析，建議采取以下措施進(jìn)行控制：

（1）鋼軌打磨偏差調(diào)整

鋼軌標(biāo)準(zhǔn)打磨廓形與LMA 踏面匹配等效錐度偏小（0.031），當(dāng)鋼軌經(jīng)過打磨，等效錐度容易低于晃車的經(jīng)驗(yàn)限值0.028。建議鋼軌打磨以60N 或60D 為目標(biāo)廓形時(shí)，按照上偏差打磨，保證打磨后的鋼軌廓形在橫坐標(biāo)-5～15 mm 范圍內(nèi)，型面曲線在標(biāo)準(zhǔn)TB60 軌和60N 軌之間，使得輪軌接觸的范圍更寬。

（2）提升車輪旋修質(zhì)量

通過旋床旋修程序升級(jí)，提高了薄輪緣踏面的旋修等效錐度，新旋修踏面等效錐度平均值從0.025 提升到0.039，增加56%。旋后動(dòng)車組晃車問題得到改善。動(dòng)車組旋修后的踏面應(yīng)檢查等效錐度值，對(duì)旋后等效錐度幅值小于0.03 的輪對(duì)進(jìn)行二次旋修。

（3）研磨子作用建議

研磨子的主要作用是增黏、抑制踏面疲勞、控制車輪多邊形，但研磨子對(duì)等效錐度的增加也存在抑制作用。切除研磨子對(duì)車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、車輪疲勞存在較大風(fēng)險(xiǎn)，不宜采用。建議優(yōu)化研磨子作用方式，通過研磨子作用壓力、作用時(shí)間的優(yōu)化降低研磨子對(duì)等效錐度的抑制作用。