基于車體低頻橫向晃動(dòng)分析的60N鋼軌打磨限值研究

張?zhí)煸?石廣田,和振興,許自強(qiáng),董孝卿

(1.蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,蘭州 730070；2.中國(guó)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)

引言

近年來，我國(guó)高速鐵路迅猛發(fā)展，隨著速度不斷提高，客流量激增，運(yùn)營(yíng)期各種問題也隨之出現(xiàn)[1-3]，其中就包括部分動(dòng)車組在個(gè)別區(qū)段運(yùn)行過程中出現(xiàn)的晃車現(xiàn)象[4-6]?；诬嚂?huì)惡化旅客乘坐舒適性，降低車體平穩(wěn)性，導(dǎo)致這個(gè)問題出現(xiàn)的主要原因是因?yàn)檩嗆壭兔娌涣计ヅ?、等效錐度降低[7-9]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者從不同方面對(duì)晃車問題進(jìn)行研究，如何旭升等[10]對(duì)運(yùn)營(yíng)中的高速動(dòng)車組進(jìn)行振動(dòng)在線測(cè)試，分析高速動(dòng)車組車體振動(dòng)的時(shí)頻特性，同時(shí)對(duì)車輪踏面進(jìn)行同步測(cè)試，分析比較晃車車輪與正常車輪的差異以及對(duì)晃車現(xiàn)象的影響；俞喆等[11-12]通過調(diào)研出現(xiàn)動(dòng)車組晃車的線路，結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真，從鋼軌廓形方面對(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)性的打磨措施；陳經(jīng)緯等[13]通過將CN60與標(biāo)準(zhǔn)S1002CN匹配計(jì)算等效錐度及接觸點(diǎn)位置，分析等效錐度和接觸帶寬度隨鋼軌廓形的變化而變化的規(guī)律，并通過動(dòng)力學(xué)模型仿真得出鋼軌廓形的變化對(duì)于車體橫向振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律；周清躍等[14]根據(jù)高速線路上運(yùn)行車輛的車輪型面，設(shè)計(jì)了鋼軌的預(yù)打磨廓形，給出了適用于不同車輪型面的鋼軌預(yù)打磨深度理論值，有效改善了輪軌的接觸狀態(tài)。

為解決晃車問題，研究人員先后對(duì)鋼軌打磨技術(shù)[15-16]、鋼軌廓形進(jìn)行提升與優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出預(yù)打磨設(shè)計(jì)廓形(60D)及60N廓形[17-18]，優(yōu)化后的廓形在我國(guó)高速鐵路鋼軌打磨工作中取得了一定成效[19-20]。但以上研究未考慮實(shí)際線路上由于鋼軌打磨控制精度不夠，導(dǎo)致打磨后的鋼軌與目標(biāo)廓形有所偏差的問題，因此，找到合理的鋼軌打磨限值，降低晃車現(xiàn)象發(fā)生的幾率在行業(yè)內(nèi)備受關(guān)注。對(duì)部分晃車區(qū)段(打磨目標(biāo)為60N鋼軌的高速鐵路干線)展開跟蹤調(diào)研與測(cè)試工作，分析比較異常區(qū)段左右鋼軌，異常區(qū)段與正常區(qū)段鋼軌兩種情況下鋼軌廓形之間的差異；結(jié)合仿真軟件研究不同鋼軌廓形對(duì)于晃車現(xiàn)象的影響，提出60N鋼軌合理打磨限值及相應(yīng)的打磨措施。

1 動(dòng)車組偶發(fā)晃車現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

1.1 晃車現(xiàn)象

當(dāng)動(dòng)車組在部分線路區(qū)段車體橫向振動(dòng)加速度存在周期性諧波，諧波整體幅值較大，有明顯的晃動(dòng)主頻且主頻約為1 Hz時(shí)，可斷定車體出現(xiàn)晃車現(xiàn)象。以往研究表明，晃車的主要原因是車輪鏇修或鋼軌打磨精度控制不夠，導(dǎo)致輪軌匹配異常，即等效錐度過低激發(fā)了車體的一次蛇行失穩(wěn)(主要表現(xiàn)為車體側(cè)滾和搖頭的耦合振型)，車體橫向振動(dòng)加速度幅值顯著增加等問題。

1.2 線路情況

通過前期振動(dòng)測(cè)試分析，定位了某線晃車明顯的線路區(qū)段為研究對(duì)象，并對(duì)某線晃車區(qū)段鋼軌進(jìn)行了2次調(diào)研，調(diào)研發(fā)現(xiàn)某線鋼軌存在以下特征：①光帶寬窄突變，某線下行K84+877區(qū)段左右軌光帶寬度分別為30/18 mm，到K84+817區(qū)段左右軌光帶寬度分別為16/30 mm；②鋼軌廓形接近60N，軌距角位置突出且存在交替磨耗現(xiàn)象，如圖1所示。從軌道不平順的角度來看，晃車區(qū)段的軌道幾何幅值較小，基本無變化。

圖1 光帶交替變化

1.3 車輛情況

試驗(yàn)車型CRH2A于2006年7月31日下線，至試驗(yàn)期間二系橫向減振器，抗蛇形減振器等關(guān)鍵部件數(shù)值與初始設(shè)計(jì)一致，未進(jìn)行過任何變更；檢測(cè)所有懸掛部件性能參數(shù)均在檢修標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。此次試驗(yàn)選擇了鏇后12萬km的CRH2A的動(dòng)車組進(jìn)行添乘，此動(dòng)車組車輪型面為L(zhǎng)MA踏面，輪軌匹配的平均等效錐度為0.015。

綜上，動(dòng)車組高級(jí)修、軌道不平順、懸掛參數(shù)正常，不作為晃車的關(guān)鍵影響因素，暫不進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2 鋼軌廓形實(shí)測(cè)分析與廓形偏差擬合

2.1 異常區(qū)段左右鋼軌分析

異常區(qū)段左右軌在橫坐標(biāo)-5～+20 mm范圍內(nèi)廓形不一致。與60N鋼軌相比，左側(cè)鋼軌在-5～+16 mm范圍為負(fù)偏差；右側(cè)鋼軌在-5～+7 mm范圍為負(fù)偏差，在+7～+16 mm為正偏差，右側(cè)鋼軌工作邊正負(fù)偏差交替不利于輪軌接觸，如圖2所示。

圖2 晃車區(qū)段左右股鋼軌廓形與60N鋼軌廓形對(duì)比

2.2 異常區(qū)段與正常區(qū)段鋼軌分析

標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的接觸區(qū)域在橫坐標(biāo)-5～+10 mm范圍內(nèi)，異常鋼軌接觸區(qū)域在橫坐標(biāo)-10～+25 mm范圍內(nèi)。在橫坐標(biāo)-5～+10 mm范圍內(nèi)，未發(fā)生晃車區(qū)段的鋼軌廓形與60N鋼軌廓形基本一致。在橫坐標(biāo)+10～+35 mm范圍內(nèi)，異常區(qū)段鋼軌廓形相比60N鋼軌廓形形成了正負(fù)偏差交替；+0～+20 mm范圍內(nèi)為負(fù)偏差，+20～+35 mm范圍內(nèi)為正偏差，如圖3所示。

圖3 異常、正常區(qū)段左股鋼軌廓形與60N鋼軌廓性對(duì)比

2.3 異常區(qū)段輪軌等效錐度統(tǒng)計(jì)

從鋼軌廓形角度看，在橫坐標(biāo)+0～+15 mm范圍內(nèi)，某線測(cè)試的28個(gè)直線段鋼軌廓形，其中，23個(gè)鋼軌廓形低于打磨廓形60N鋼軌，占比82%，同時(shí)廓形在±25 mm范圍偏差超過0.2 mm，鋼軌廓形存在過打磨現(xiàn)象。從輪軌匹配關(guān)系看，某線測(cè)試的14處直線段鋼軌斷面，3 mm處名義等效錐度全部低于TB60鋼軌，其中12處等效錐度低于60N鋼軌。將TB60鋼軌標(biāo)記為第1組，60N鋼軌為第2組，測(cè)試14處鋼軌廓形為1～14組，如圖4所示。

圖4 鋼軌等效錐度對(duì)比

2.4 廓形偏差擬合

為研究打磨目標(biāo)為60N鋼軌廓形在打磨周期內(nèi)對(duì)晃車現(xiàn)象的影響，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)要求，擬合出不同偏差值的鋼軌廓形用于仿真分析。按照鐵總運(yùn)〔2014〕357號(hào)《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》，鋼軌打磨廓形由TB60逐步向60N以及預(yù)打磨設(shè)計(jì)廓形過渡，故基準(zhǔn)廓形設(shè)定為60N鋼軌廓形。以打磨角度+10°為基準(zhǔn)角度(約為鋼軌橫向+15 mm處)，偏差量范圍設(shè)定為-0.2～0 mm，以基準(zhǔn)角度處做偏差擬合時(shí)，打磨角度小于-10°與大于50°的區(qū)域鋼軌廓形均未改變，0°～50°區(qū)域根據(jù)打磨角度處的偏差量及曲線擬合相關(guān)方法進(jìn)行擬合，-10°～0°廓形旋轉(zhuǎn)了一定的角度但廓形沒有改變[13-14]，最終擬合得到負(fù)偏差0.2 mm鋼軌廓形如圖5所示，其余偏差擬合廓形均采用此方法進(jìn)行擬合。

圖5 不同偏差下擬合鋼軌廓形

3 60N鋼軌廓形限值研究

3.1 動(dòng)力學(xué)模型建立

采用大型動(dòng)力學(xué)軟件建立CRH2A的車輛模型。以CRH2型車拖車結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，建立多體動(dòng)力學(xué)車輛模型，如圖6所示。即先分析與建立車輛多體間的拓?fù)潢P(guān)系，再根據(jù)實(shí)際情況建立各部件之間所需的參照坐標(biāo)系、鉸接、力元及測(cè)試所需的傳感器。然后，建立車輛各實(shí)體部件，其中包括1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架、4條輪對(duì)，8個(gè)軸箱共計(jì)15個(gè)剛體。自由度方面：車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)均包含側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭、橫向、垂向、縱向6個(gè)自由度，軸箱包含點(diǎn)頭1個(gè)自由度。仿真過程中將車體、輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架等部分均視為剛體，懸掛部分中的空氣彈簧和減振器等元件視為彈性體，建模過程中充分考慮橫向止擋等非線性特性元件，忽略車體伸縮變形，軌道激勵(lì)選取美國(guó)五級(jí)譜，令車輛以200 km/h速度在直線上運(yùn)行20 s，將試驗(yàn)測(cè)得的車輪踏面數(shù)據(jù)和鋼軌型面數(shù)據(jù)導(dǎo)入車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)比仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的正確性。

圖6 高速列車車輛動(dòng)力學(xué)模型

3.2 動(dòng)力學(xué)計(jì)算及結(jié)果分析

將擬合得到的鋼軌廓形導(dǎo)入上述車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中，車輪踏面采用LMA標(biāo)準(zhǔn)踏面，按照改為GB/T5599—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》中關(guān)于傳感器布置的相關(guān)要求，采集不同情況下測(cè)點(diǎn)處車體橫向振動(dòng)加速度信號(hào)，圖7為負(fù)偏差為0.2 mm情況下，進(jìn)行過平滑處理后車體橫向振動(dòng)的時(shí)域波形。對(duì)不同負(fù)偏差情況下的車體橫向振動(dòng)加速度信號(hào)做頻譜分析，得到不同負(fù)偏差下的主頻，如圖8所示。

圖7 負(fù)偏差0.2 mm情況下時(shí)域波形

圖8 不同負(fù)偏差下主頻對(duì)比

由圖7、圖8可知，車體橫向振動(dòng)加速度存在周期性諧波，諧波幅值偏大且主頻為0.8 Hz左右，符合試驗(yàn)初期掌握晃車現(xiàn)象的特征。當(dāng)負(fù)偏差從0.2 mm減小到0.1 mm時(shí)，車體橫向晃動(dòng)主頻仍然存在并穩(wěn)定在0.8 Hz左右，主頻對(duì)應(yīng)的幅值明顯減小，表明車體仍存在低頻橫向晃動(dòng)現(xiàn)象，但晃動(dòng)幅度已明顯減小。當(dāng)負(fù)偏差從0.1 mm減小到0.05 mm時(shí)，車體橫向晃動(dòng)主頻消失且整體幅值明顯減小，表明車體低頻橫向晃動(dòng)現(xiàn)象已經(jīng)消失。即存在某個(gè)負(fù)偏差值是鋼軌過打磨情況下的限值，一旦超過此值便會(huì)誘發(fā)晃車現(xiàn)象。

為更精確地確定鋼軌的打磨量限值，再次擬合4組新的負(fù)偏差量分別為0.09，0.08，0.07，0.06 mm的鋼軌廓形，并將4組新的鋼軌廓形與LMA踏面匹配得到不同情況下3 mm處名義等效錐度值與晃動(dòng)主頻幅值，如圖9所示。由圖9可知，隨著鋼軌廓形負(fù)偏差量的不斷減小，3 mm處名義等效錐度值不斷增大，但數(shù)值卻普遍偏小，這一規(guī)律也符合試驗(yàn)對(duì)于統(tǒng)計(jì)晃車區(qū)段鋼軌廓形與LMA踏面匹配的等效錐度偏小(平均值<0.033)的結(jié)論。當(dāng)負(fù)偏差量由0.05 mm增加到0.09 mm時(shí)，晃動(dòng)主頻的幅值緩慢增大；當(dāng)負(fù)偏差量由0.09 mm變?yōu)?.1 mm時(shí)，晃動(dòng)主頻幅值由0.075 m/s2激增到0.13 m/s2，表明鋼軌打磨量由-0.09 mm變?yōu)?0.1 mm時(shí)會(huì)誘發(fā)晃車現(xiàn)象。可以確定當(dāng)鋼軌在橫坐標(biāo)+15 mm處打磨限值為0.09 mm，即超過此限值會(huì)誘發(fā)晃車現(xiàn)象。

圖9 車體主頻幅值及等效錐度對(duì)比

圖10為不同正偏差下主頻對(duì)比，由圖可知，當(dāng)偏差量由0 mm分別增加到+0.1 mm和+0.2 mm時(shí)，兩種工況下均未出現(xiàn)晃動(dòng)主頻且整體幅值在0.02～0.03 m·s-2，相較于負(fù)偏差情況下幅值整體偏小，可以判斷這兩種情況下車體均未出現(xiàn)低頻橫向晃動(dòng)現(xiàn)象，即若打磨后的實(shí)際廓形相較于60N標(biāo)準(zhǔn)鋼軌在工作邊出現(xiàn)了正偏差且偏差在0.10 mm左右，均不會(huì)出現(xiàn)晃車現(xiàn)象。

圖10 不同正偏差下主頻對(duì)比

4 結(jié)論

通過對(duì)部分線路進(jìn)行車體振動(dòng)測(cè)試，確定晃車的具體區(qū)段，并對(duì)此區(qū)段進(jìn)行軌道調(diào)研。結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真軟件，提出了LMA車輪與60N鋼軌匹配下，鋼軌的打磨限值與建議。得出主要結(jié)論如下。

(1)調(diào)研異?；诬噮^(qū)段發(fā)現(xiàn)，左右軌在橫坐標(biāo)-5～+20 mm范圍內(nèi)廓形不一致。與60N鋼軌相比，左側(cè)鋼軌在-5～+16 mm范圍為負(fù)偏差；右側(cè)鋼軌在-5～+7 mm范圍為負(fù)偏差，在+7～+16 mm為正偏差，鋼軌軌距角處過打磨是導(dǎo)致輪軌接觸關(guān)系惡化，形成正負(fù)偏差交替，誘發(fā)晃車現(xiàn)象的主要原因。

(2)動(dòng)力學(xué)仿真分析表明，當(dāng)偏差鋼軌與60N鋼軌相比在橫坐標(biāo)+15 mm處偏差值達(dá)到-0.1 mm時(shí)會(huì)發(fā)生晃車現(xiàn)象。建議工務(wù)系統(tǒng)在進(jìn)行鋼軌打磨時(shí)以60N為目標(biāo)廓形時(shí)，按照正偏差打磨，打磨值宜按照+0.1 mm控制。

(3)鋼軌打磨主要目的是為防止等效錐度過大，但不利于抑制動(dòng)車組晃車現(xiàn)象的發(fā)生，建議針對(duì)運(yùn)行動(dòng)車組型號(hào)固定的線路進(jìn)行差異化打磨。

本文將不同偏差值的鋼軌廓形與LMA踏面進(jìn)行匹配仿真，建議下一步深入研究不同偏差值的車輪對(duì)于晃車現(xiàn)象的影響。