GMC-96B鋼軌打磨列車B車司機室垂向振動改進優(yōu)化試驗研究

陳政南，曲金娟，苗曉雨，張 甫

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094）

GMC-96B型鋼軌打磨列車主要用于磨削鐵路正線的鋼軌，恢復(fù)軌頭工作區(qū)域的設(shè)計外形，消除鋼軌的波磨、側(cè)磨、剝離等缺陷。

鋼軌打磨列車由7節(jié)車組成，其中第1車和第7車為帶司機室的打磨作業(yè)車，定義為B車，如圖1所示。

圖1 GMC-96B型鋼軌打磨列車

GMC-96B型鋼軌打磨列車應(yīng)用一段時間后，B車在速度55～72 km/h的范圍內(nèi)運行時司機室存在持續(xù)的、劇烈的垂向振動現(xiàn)象，而低于55 km/h和大于72 km/h的速度區(qū)段異常的垂向振動減弱、消失。

車輛振動是一個系統(tǒng)性問題，它涉及到車輛參數(shù)、載荷分布、車體結(jié)構(gòu)、減振方式、輪對狀態(tài)等方面。司機室作為車輛結(jié)構(gòu)的一部分，它的異常振動需要在車輛整個系統(tǒng)范圍內(nèi)來綜合加以解決。

為了解B車原型車司機室振動特點，分析產(chǎn)生的原因并為后續(xù)提供改進方案，項目組在京廣線鄭州南—許昌對GMC-96B型鋼軌打磨列車進行了自運行試驗，最高試驗速度80 km/h，振動測試結(jié)果見表1。司機室和車體幅度最大的振動發(fā)生在60 km/h速度級，司機室座椅附近垂向振動加速度最大值達到11.39 m/s2，平穩(wěn)性指標(biāo)最大值達到6.41，平均值為5.09，超過GB/T 17426—1998《鐵道特種車輛和軌行機械動力學(xué)性能評定及試驗方法》要求。

表1 B車司機室座椅附近垂向加速度數(shù)據(jù)[1]

1 試驗結(jié)果分析

在進行B車原型車振動試驗時，發(fā)現(xiàn)B車的確存在嚴(yán)重的垂向振動問題，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)遠超出標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17426—1998的規(guī)定。我們首先分析了司機室和車體結(jié)構(gòu)的振動主頻及關(guān)系；其次，針對軸箱、構(gòu)架、車體和司機室垂向加速度值及車體和司機室平穩(wěn)性指標(biāo)，分析了振動從軸箱—構(gòu)架—車體—司機室的傳遞關(guān)系；最后，通過測量B車轉(zhuǎn)向架相對摩擦系數(shù)及轉(zhuǎn)向架拆解檢查，分析其摩擦副的減振效果。

1.1 司機室與車體振動特點

由于在振動試驗中，B車原型車司機室座椅附近位置垂向振動最惡劣，特別是沿著車體縱向方向，越靠近車體端部，垂向振動越顯著。司機室座椅附近和司機室后部垂向振動頻譜圖、B車車體振動測點頻譜如圖2、圖3所示，從圖2、圖3可以看出，在14 Hz頻域范圍內(nèi)看，振動能量主要集中在4.76～6.84 Hz，主要為點頭振動。端部車體的振動和司機室座椅附近的垂向振動相近，頻率集中在5～7 Hz。而車體模態(tài)分析計算顯示，車體的一階彎曲主頻在5 Hz左右。由于車體結(jié)構(gòu)抗彎能力較弱、一階彎曲頻率較低，運行速度提升至55～60 km/h時，輪對滾動頻率即已與車體一階彎曲頻率接近。

圖2 垂向振動頻譜圖

圖3 B車車體振動測點頻譜

將司機室端車體看成是懸臂梁，B車司機室5 t左右質(zhì)量通過8個支撐點作用在較單薄、剛度不足的槽鋼上，導(dǎo)致車體端部撓度較大，加劇了點頭振動。一般認(rèn)為增加司機室端側(cè)梁剛度，同時將單純由側(cè)梁承載方式改為車體端部整體承載的方式，可以降低端部車體的撓度，司機室的振動將會有所改善。

1.2 振動傳遞關(guān)系

通過在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、軸箱、車體和司機室設(shè)置垂向振動加速度測點能夠為分析B車從軸箱—構(gòu)架—車體—司機室等位置的振動傳遞情況提供全面的數(shù)據(jù)支撐，并且便于分析各個位置之間振動差異，分析查找問題原因［2］。

軸箱—構(gòu)架傳遞、構(gòu)架—車體傳遞、車體—司機室傳遞如圖4～圖6所示，從圖4～圖6各級傳遞關(guān)系來看，軸箱至構(gòu)架和車體（心盤附近）至司機室（座椅附近）4.7～7 Hz左右頻率成份的振動能量明顯增大。

圖4 軸箱—構(gòu)架傳遞[1]

圖6 車體(心盤附近)—司機室(座椅附近)傳遞[1]

從圖4看出，軸箱—構(gòu)架間傳遞變化較大，低頻成分放大倍數(shù)較多。從圖5看出，構(gòu)架—車體（心盤附近）間傳遞時低頻成分基本沒有變化。從圖6看出，車體（心盤附近）—司機室（座椅附近）的低頻振動也被放大。振動傳遞關(guān)系表明，在軸箱—構(gòu)架間、車體（心盤附近）—司機室（座椅附近）間進行優(yōu)化減振效果可能會更明顯一些。其中軸箱—構(gòu)架間傳遞經(jīng)過了摩擦減振器，車體（心盤附近）—司機室（座椅附近）傳遞涉及車體結(jié)構(gòu)和車體端部承受司機室載荷的方式。振動傳遞關(guān)系為優(yōu)化改進指明了方向。

圖5 構(gòu)架—車體(心盤附近)傳遞[1]

1.3 相對摩擦系數(shù)測定

轉(zhuǎn)向架的相對摩擦系數(shù)是摩擦力與垂向力的比值，該值偏大會造成硬性沖擊，太小則不能消耗振動的能量，一般設(shè)計值在0.06～0.08之間。

B車相對摩擦系數(shù)測試數(shù)據(jù)見表2，可以看出摩擦減振器的相對摩擦系數(shù)數(shù)值普遍偏大，離散度也較大，摩擦減振器的減振效果可能存在問題。

表2 B車相對摩擦系數(shù)測試數(shù)據(jù)表

B車轉(zhuǎn)向架進行解體檢查過程中發(fā)現(xiàn)，B車2個轉(zhuǎn)向架原有的大部分軸箱體磨耗板與斜楔配合不良，存在生銹、接觸不完全、劃痕、尺寸誤差較大以及磨耗板與承載軸箱有形成正八字等現(xiàn)象，如圖7所示，這也是相對摩擦系數(shù)值偏大且離散的原因。

圖7 轉(zhuǎn)向架摩擦副配合不良

2 改進方案

根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，從降低司機室垂向振動加速度和平穩(wěn)性指標(biāo)優(yōu)化司機室振動的角度出發(fā)，有2種技術(shù)改進途徑：一種是改善轉(zhuǎn)向架摩擦副作用效果，盡可能衰減低頻成分；另一種是增強車體的抗彎剛度，同時改變司機室作用在車體上的承載方式，盡可能減少車體端部產(chǎn)生的撓度，以降低垂向點頭振動的能量。

2.1 更改摩擦副方案

因拆解發(fā)現(xiàn)摩擦減振器配合不良，為改善轉(zhuǎn)向架摩擦副配合，盡可能增加摩擦副接觸面積，同時把相對摩擦系數(shù)調(diào)整到0.06～0.08的水平，將原軸箱體上焊裝的27SiMn材質(zhì)的磨耗板更換成材質(zhì)為二硫化鉬、樹脂、增強纖維的高分子材料磨耗板，如圖8、圖9所示。

圖8 B車更改摩擦副方案

圖9 軸箱體磨耗板的更換

軸箱磨耗板更換成高分子材料以后，對B車進行了相對摩擦系數(shù)的測定。改進后相對摩擦系數(shù)已降至0.06～0.08，處于減振較好的區(qū)間，而且各摩擦副間離散程度也大為減小，見表3。改進方案同時消除了焊接造成的接觸面變形，改善了與斜楔的配合。

表3 B車更換高分子材料磨耗板后相對摩擦系數(shù)

2.2 車體局部加強及司機室和車體間承載方式改變方案

圖10 B車車體結(jié)構(gòu)局部加強改進

GMC-96B型鋼軌打磨列車車體剛度按EN 12336設(shè)計，撓跨比小于3‰，為了盡可能減少司機室端車體的撓度，以降低司機室垂向點頭振動的能量，在B車車體兩側(cè)加裝槽鋼，每側(cè)共3根，每根3 250 mm×400 mm×12 mm；車體側(cè)梁和中梁間增加橫向加強筋來提高整車的剛度，共計7處；在司機室和車體間增加橡膠墊，司機室質(zhì)量由車體端部整體承載，改變僅僅靠8個支撐點作用在槽鋼上的情況，改善側(cè)梁的受力。

3 改進效果

B車原型車在更換軸箱磨耗板方案后進行了第1次正線運行驗證試驗，司機室垂向振動有了較大改善。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)對車體局部加強，司機室和車體間集中整體承載，方案完成后進行了第2次正線運行驗證試驗，司機室垂向振動得到進一步的改善。

3.1 更改摩擦副方案

B車司機室座椅附近垂向振動平穩(wěn)性指標(biāo)對比、加速度對比如圖11、圖12所示，從圖11、圖12可以看出，B車司機室座椅附近垂向振動加速度最大值由改進前的11.38 m/s2降為7.85 m/s2，原來在80 km運行里程中加速度超過限度值的點有20多個，改進后加速度超過限度值的點減為2個，分別是7.85 m/s2和7.36 m/s2。改進前，B車司機室座

圖11 司機室座椅附近垂向振動平穩(wěn)性指標(biāo)對比[1]

圖12 司機室座椅附近垂向振動加速度對比[1]

改進前后座椅附近垂向振動頻率分布對比如圖13所示，從圖13可以看出，改進前的最大共振點發(fā)生在60 km/h，而改進后的最大共振點發(fā)生在55 km/h。在40 Hz振動頻率范圍內(nèi)，振動的幅值下降，在4～7 Hz的范圍內(nèi)振動能量大為減小。表椅附近垂向振動平穩(wěn)性指標(biāo)最大值為6.13，最大平均值為5.09。改進后B車座椅附近垂向振動平穩(wěn)性指標(biāo)最大值降為4.59，最大平均值降為4.05。明磨耗板更換后摩擦減振器減振效果有了較大的改善，能夠很好衰減低頻振動。

圖13 改進前后座椅附近垂向振動頻率分布對比

經(jīng)過此次改進，B車從構(gòu)架、車體到司機室，垂向振動均大為衰減，各級振動加速度均減小，車體、司機室垂向平穩(wěn)性指標(biāo)都有明顯的降低。

3.2 車體局部加強及司機室和車體間承載方式改變方案

司機室座椅附近垂向振動如圖14所示，從圖14可以看出，B車司機室座椅附近垂向振動加速度最大值為3.30 m/s2，垂向振動加速度值進一步降低，垂向振動平穩(wěn)性指標(biāo)最大值為4.25，最大平均值為3.86，相對于更換軸箱磨耗板進一步下降，達到標(biāo)準(zhǔn)要求的合格水平。

圖14 司機室座椅附近垂向振動[1]

4 結(jié)論

B車司機室振動異常的原因主要有轉(zhuǎn)向架摩擦減振器減振不良；車體結(jié)構(gòu)抗彎剛度偏低，造成端部車體撓度偏大以及車體彎曲頻率過低。

更換軸箱磨耗板材質(zhì)方案對改善司機室垂向振動效果最明顯，車體結(jié)構(gòu)局部加強及司機室和車體間增加橡膠墊方案有一定效果。

GMC-96B型鋼軌打磨列車B原型車經(jīng)過更換軸箱磨耗板材質(zhì)、車體局部加強及司機室和車體間增加橡膠墊方案優(yōu)化改進，B車司機室垂向振動加速度最大值為3.30 m/s2，平穩(wěn)性指標(biāo)最大平均值為3.86，滿足GB/T 17426—1998《鐵道特種車輛和軌行機械動力學(xué)性能評定及試驗方法》的要求。