貴廣高速鐵路動(dòng)車組車體異?；蝿?dòng)原因分析及治理

龔繼軍 魏來(lái) 蔣俊 王軍平 李澤選 侯博

1.中鐵物總運(yùn)維科技有限公司，北京 100036；2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；3.中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司，成都 610082；4.中國(guó)中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031

京港高速鐵路安慶—九江段開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著八縱八橫高速鐵路網(wǎng)京港（臺(tái)）通道商丘—深圳段基本貫通。至此，中國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程突破4萬(wàn)km。我國(guó)高速軌道交通領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入后高速鐵路時(shí)代。高速鐵路長(zhǎng)期服役過(guò)程中出現(xiàn)的異常振動(dòng)已成為影響運(yùn)營(yíng)品質(zhì)的制約因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞車體異常振動(dòng)開(kāi)展了深入研究。

Kohama［1］1994年對(duì)日本新干線進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，在空氣作用下尾車會(huì)產(chǎn)生1.5 Hz左右的橫向運(yùn)動(dòng)。俞喆等［2］調(diào)研了出現(xiàn)動(dòng)車組晃車現(xiàn)象線路的鋼軌廓形，結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)高速動(dòng)車組晃車現(xiàn)象成因進(jìn)行分析，并提出針對(duì)性打磨措施。龔繼軍等［3］采用仿真結(jié)合理論計(jì)算的方法研究了不同實(shí)測(cè)輪廓匹配時(shí)等效錐度對(duì)蛇行頻率的影響，通過(guò)打磨提高鋼軌軌頭弧度較好地解決了廣深鐵路動(dòng)車組異?；蝿?dòng)的問(wèn)題。池茂儒等［4］采用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件分析了蛇行頻率與車體剛體模態(tài)共振時(shí)車輛發(fā)生一次蛇行的現(xiàn)象。李然［5］通過(guò)計(jì)算實(shí)測(cè)輪軌廓形相互匹配時(shí)等效錐度與輪軌接觸角等參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，研究了輪軌接觸幾何關(guān)系線性化的方法。

既有研究主要集中在車體橫向振動(dòng)處于1 Hz附近的相關(guān)問(wèn)題［6-12］，對(duì)動(dòng)車組車體橫向振動(dòng)出現(xiàn)低于0.8 Hz的低頻振動(dòng)的研究較少。2019年10月初，某型動(dòng)車組運(yùn)行在貴廣高速鐵路時(shí)出現(xiàn)了大面積的晃車現(xiàn)象，運(yùn)行速度180～220 km∕h。本文通過(guò)對(duì)出現(xiàn)異?；蝿?dòng)區(qū)段的線路幾何尺寸、鋼軌廓形、軌面狀態(tài)進(jìn)行全方位調(diào)查，同步使用平穩(wěn)性測(cè)試儀對(duì)晃車嚴(yán)重的車號(hào)進(jìn)行跟蹤測(cè)試，從問(wèn)題調(diào)查、機(jī)理分析、整治效果等方面入手對(duì)該型動(dòng)車組晃車現(xiàn)象進(jìn)行研究，同時(shí)制定相應(yīng)的整治措施。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

1.1 車輛平穩(wěn)性及舒適度

GB∕T 5599—2019《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》規(guī)定，動(dòng)車組車輛平穩(wěn)性指標(biāo)小于2.5為優(yōu)；IS02631-1—1985《Evaluation of Human Exposure to Whole-body Vibration—Part 1：General Requirements》規(guī)定，舒適度指數(shù)小于0.315 m∕s2為非常舒適。

2019年10月，使用平穩(wěn)性測(cè)試儀對(duì)2列不同走行里程的該型動(dòng)車組運(yùn)行在相鄰線路的平穩(wěn)性相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了跟蹤測(cè)試。其中，1#車鏇輪后的走行里程為180 000 km（鏇輪末期），2#車鏇輪后的走行里程為5 000 km（鏇輪初期）。該型動(dòng)車組在貴廣高速鐵路上運(yùn)行時(shí)，實(shí)測(cè)動(dòng)車組橫向平穩(wěn)性指標(biāo)WH未超過(guò)2.5，橫向舒適度指數(shù)SH未超過(guò)0.315 m∕s2，但人工添乘時(shí)能感受到車體明顯晃動(dòng)。其中，當(dāng)WH≥1.8、SH≥0.120 m∕s2時(shí)，能感覺(jué)到車體左右晃動(dòng)；WH≥2.0、SH≥0.150 m∕s2時(shí)，能明顯感受到車體晃動(dòng)劇烈。2列動(dòng)車組車體橫向平穩(wěn)性和舒適度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。其中，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)度為5 s，即每5 s為一個(gè)分析段，每5 s計(jì)算一次WH和SH，因此統(tǒng)計(jì)的超限數(shù)量為分析段數(shù)量。由表1可知：該型動(dòng)車組在鏇輪初期和鏇輪末期存在不同程度的晃車現(xiàn)象。

表1 2列動(dòng)車組橫向平穩(wěn)性和舒適度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

發(fā)生晃車時(shí)車體平穩(wěn)性指標(biāo)均未超過(guò)限值，但是體感嚴(yán)重不適，可見(jiàn)現(xiàn)有的平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果與體感存在較大差異。因此，本文將橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、橫向舒適度指數(shù)作為判定該型動(dòng)車組車體晃動(dòng)的指標(biāo)。

1.2 車體橫向振動(dòng)加速度

1#動(dòng)車組實(shí)測(cè)橫向振動(dòng)加速度的幅值及時(shí)頻曲線見(jiàn)圖1?？梢钥闯觯很囕v橫向振動(dòng)加速度存在較為明顯的主頻（顏色較深區(qū)域），約為0.6 Hz。

圖1 1#動(dòng)車組實(shí)測(cè)車體橫向振動(dòng)加速度時(shí)頻曲線

1.3 鋼軌廓形

對(duì)貴廣高速鐵路發(fā)生晃車現(xiàn)象的從江—桂林區(qū)段里程K278—K396的鋼軌廓形進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，每500 m采集1對(duì)測(cè)點(diǎn)，共采集236對(duì)（上下行各118對(duì)）。實(shí)測(cè)鋼軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌廓形對(duì)比見(jiàn)圖2。其中，不同顏色代表不同測(cè)點(diǎn)，廓形對(duì)齊方式統(tǒng)一為內(nèi)側(cè)16 mm與軌頂對(duì)齊。由圖2可知：鋼軌打磨前，與標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌相比，晃車區(qū)段鋼軌廓形在軌頭橫向0～25 mm區(qū)域負(fù)偏差超過(guò)0.2 mm的占比為0.022%，軌頂關(guān)鍵接觸區(qū)域（-10～10 mm）均未超過(guò)0.2 mm。

圖2 晃車區(qū)段鋼軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)60N廓形對(duì)比

1.4 輪軌接觸光帶

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，晃車區(qū)段鋼軌軌面存在軌距角接觸現(xiàn)象，輪軌接觸狀態(tài)欠佳?；诬噮^(qū)段某處鋼軌表面及該位置實(shí)測(cè)鋼軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌廓形對(duì)比見(jiàn)圖3。可知：在異常接觸位置，實(shí)測(cè)鋼軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌廓形相比，-10～20 mm區(qū)域廓形貼合，內(nèi)側(cè)大于20 mm位置為正偏差，與正常輪對(duì)踏面匹配時(shí)不會(huì)出現(xiàn)等效錐度偏低的情況。

圖3 晃車區(qū)段某處鋼軌表面及廓形對(duì)比

1.5 車輪廓形

2019年1月和10月，分別對(duì)1#動(dòng)車組車輪踏面進(jìn)行了測(cè)試，并與標(biāo)準(zhǔn)LMA車輪踏面進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖4。其中，2019年1月鏇修后運(yùn)營(yíng)里程為10萬(wàn)km，車輪踏面為未發(fā)生晃車現(xiàn)象的實(shí)測(cè)輪對(duì)踏面；2019年10月運(yùn)營(yíng)里程為18萬(wàn)km，車輪踏面為發(fā)生晃車現(xiàn)象后的實(shí)測(cè)輪對(duì)踏面。由圖4可知：發(fā)生晃車的車輪踏面名義滾動(dòng)圓外側(cè)20～50 mm區(qū)域磨耗異常，正常磨耗位置名義滾動(dòng)圓附近磨耗較少。踏面端部磨耗、滾動(dòng)圓附近不磨耗將造成車輪等效錐度、橫向復(fù)原力不斷下降，等效錐度未隨列車運(yùn)行里程增加而增加，導(dǎo)致動(dòng)車組發(fā)生異常晃動(dòng)現(xiàn)象。

圖4 晃車前后車輪踏面與標(biāo)準(zhǔn)LMA車輪踏面廓形對(duì)比

1.6 軌道不平順

選取2019年10月貴廣高速鐵路成都局、南寧局管內(nèi)異?；诬噮^(qū)段的軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，晃車區(qū)段鋼軌左右軌向不平順功率譜密度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，貴廣高速鐵路成都局、南寧局管內(nèi)晃車區(qū)段的軌道不平順均未出現(xiàn)明顯諧波，不會(huì)對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性造成影響。

圖5 軌向不平順功率譜密度

2 原因分析

2.1 懸掛模態(tài)計(jì)算結(jié)果

該型動(dòng)車組車輛系統(tǒng)自振頻率和阻尼比見(jiàn)表2。可知：車體下心滾擺頻率為0.602 Hz，與該型動(dòng)車組發(fā)生晃動(dòng)時(shí)振動(dòng)主頻較為一致。轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)頻率與車體下心滾擺頻率耦合，引發(fā)車體產(chǎn)生共振現(xiàn)象，造成車體發(fā)生一次蛇行，產(chǎn)生異常晃動(dòng)現(xiàn)象。

表2 動(dòng)車組自振頻率及阻尼比

2.2 等效錐度

將2019年1月（晃車前）、2019年10月（晃車后）1#動(dòng)車組實(shí)測(cè)車輪踏面與標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌進(jìn)行匹配，計(jì)算等效錐度，并與新車輪匹配標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌的等效錐度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖6?？芍夯诬嚽埃囕喌刃уF度較高，平均值為0.057，比新車輪匹配標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌的等效錐度（0.031）增大了90%；晃車后，車輪等效錐度較低，平均值為0.021，比新車輪匹配標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌的等效錐度（0.031）減小了30%。過(guò)低的輪軌匹配等效錐度會(huì)使轉(zhuǎn)向架蛇行頻率偏低，繼而導(dǎo)致蛇行頻率與車體彈性模態(tài)耦合在較高速度下發(fā)生，引發(fā)車體產(chǎn)生一次蛇行。因此，車輛在低錐度下一旦發(fā)生一次蛇行失穩(wěn)，車體的橫向運(yùn)動(dòng)幅值也會(huì)十分顯著，將嚴(yán)重影響乘坐舒適性。

圖6 晃車前后1#動(dòng)車組車輪踏面匹配標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌的等效錐度

2.3 輪軌接觸角差

車輪接觸角反映了輪軌接觸界面車輪、鋼軌廓形的弧度以及接觸力的大小，是衡量輪對(duì)橫向復(fù)原力的主要指標(biāo)。輪對(duì)橫向復(fù)原力小可能會(huì)引起車體的低頻振動(dòng)。將2019年1月（晃車前）、2019年10月（晃車后）1#動(dòng)車組實(shí)測(cè)車輪踏面與標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌進(jìn)行匹配，計(jì)算了輪軌匹配接觸角差（輪對(duì)橫移為3 mm），結(jié)果見(jiàn)圖7。可知：晃車前，1#動(dòng)車組車輪與標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌廓形匹配時(shí)輪軌接觸角差平均值為1.171 6°，比新車輪匹配標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌的輪軌接觸角差（0.550 0°）增大了113%，未出現(xiàn)正負(fù)波動(dòng)的情況；晃車后，輪軌接觸角差平均值為-0.660 0°，遠(yuǎn)小于新車輪匹配標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌的輪軌接觸角差，且出現(xiàn)了正負(fù)波動(dòng)的情況。輪對(duì)接觸角差大幅減小會(huì)導(dǎo)致輪對(duì)自動(dòng)對(duì)中能力大幅下降，引起動(dòng)車組車體產(chǎn)生低頻晃車現(xiàn)象。

圖7 晃車前后1#動(dòng)車組車輪踏面匹配標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌的接觸角差

2.4 實(shí)測(cè)研磨子作用狀態(tài)

研磨子主要用于清掃車輪踏面異物、增加輪軌間的黏著系數(shù)、抑制車輪多邊形磨耗等。該型動(dòng)車組研磨子靜態(tài)貼靠車輪踏面時(shí)與車輪的實(shí)際接觸位置見(jiàn)圖8。車輪踏面研磨子磨耗最大位置即為偏向車輪踏面端部，若該位置磨耗較大，輪軌接觸在該區(qū)域時(shí)等效錐度將會(huì)嚴(yán)重偏小。

圖8 晃車前動(dòng)車組研磨子與車輪實(shí)際接觸位置

3 整治措施及效果

2019年12月初，對(duì)出現(xiàn)異?；蝿?dòng)的該型動(dòng)車組1#動(dòng)車組踏面輪對(duì)進(jìn)行了鏇修，同步更換了研磨子，并對(duì)整治效果進(jìn)行跟蹤試驗(yàn)。

整治后，對(duì)1#動(dòng)車組走行40 000 km后的WH、SH進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)測(cè)WH未超過(guò)1.8，SH未超過(guò)0.12 m∕s2，人工添乘時(shí)未再出現(xiàn)車體晃動(dòng)現(xiàn)象，人工添乘體感得到大幅改善。

整治后走行40 000 km工況下，將1#動(dòng)車組實(shí)測(cè)車輪踏面與標(biāo)準(zhǔn)LMA踏面進(jìn)行對(duì)比，并計(jì)算1#動(dòng)車組車輪踏面匹配標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌的等效錐度和接觸角差，結(jié)果見(jiàn)圖9?？芍簩?shí)測(cè)車輪踏面的磨耗區(qū)域趨于正常，踏面端部未出現(xiàn)明顯異常磨耗現(xiàn)象；等效錐度未見(jiàn)異常；輪對(duì)接觸角差未再出現(xiàn)正負(fù)交替現(xiàn)象，輪對(duì)踏面對(duì)中能力得到較大提升。

圖9 整治后1#動(dòng)車組走行40 000 km時(shí)車輪狀態(tài)

4 結(jié)論

本文針對(duì)貴廣高速鐵路某型動(dòng)車組服役過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重車體異常晃動(dòng)的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)晃車區(qū)段線路鋼軌廓形、車輪踏面的幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合晃車時(shí)車體橫向振動(dòng)加速度的測(cè)試結(jié)果，研究晃車原因，提出整治措施。主要結(jié)論如下：

1）貴廣高速鐵路上運(yùn)行的該型動(dòng)車組車體晃動(dòng)時(shí)車體存在0.6 Hz的橫向振動(dòng)，與車體下心滾擺頻率一致。

2）引起該型動(dòng)車組晃車現(xiàn)象的主要原因是車輪踏面磨耗異常導(dǎo)致輪軌匹配等效錐度及接觸角差偏低。

3）通過(guò)車輪踏面鏇修、更換研磨子，車輪踏面磨耗區(qū)域趨于正常，輪對(duì)接觸角差未出現(xiàn)正負(fù)交替現(xiàn)象，輪對(duì)踏面對(duì)中能力得到較大提升，橫向平穩(wěn)性及舒適度得到極大改善，該型動(dòng)車組車體異?；蝿?dòng)的問(wèn)題得到解決。