抗蛇行減振器失效對地鐵運行平穩(wěn)性影響的試驗研究

摘要：為研究抗蛇行減振器失效對車輛運行平穩(wěn)性的影響，選擇尚未投入運營的地鐵車輛，通過拆除抗蛇行減振器的方式模擬其故障工況，對拆除抗蛇行減振器前后車輛的運行平穩(wěn)性和振動特性進行線路試驗研究。試驗結(jié)果表明：拆除抗蛇行減振器對車輛運行平穩(wěn)性有顯著的影響，對于橫向平穩(wěn)性尤其明顯。拆除的抗蛇行減振器越多，運行平穩(wěn)性指標(biāo)越大?？股咝袦p振器失效對車輛高速運行時以及通過直線或者大半徑曲線時的平穩(wěn)性影響較大。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；抗蛇行減振器；失效故障；運行平穩(wěn)性指標(biāo)

中圖分類號：U260.11+2文獻標(biāo)志碼：B文章編號：1671-5276（2024）06-0239-05

Abstract：This article chooses a metro yet for operation to investigate the effect of yaw damper failure on the ride quality of the metro. By removing the yaw damper to simulate its fault condition， the running stability and vibration characteristics of the vehicle before and after the removal of the yaw damper is studied. The experimental results show that the removal of the yaw damper has a significant impact on the ride quality of metro， especially on lateral stability. The more yaw dampers are removed， the more significant the increase in the stability indicators of vehicle operation. The failure of the yaw damper has a greater impact on the stability of the vehicle when it is running at high speed or passing through a straight line or a large radius curve.

Keywords：metro; yaw damper; failure fault; ride quality

0引言

隨著軌道交通線路的不斷增加，運行速度的日益提升，對列車運行的平穩(wěn)性、穩(wěn)定性以及舒適性也提出了更高的要求。蛇行運動是一種軌道車輛特有的現(xiàn)象，表現(xiàn)為輪對前進時發(fā)生橫移和搖頭的耦合運動。當(dāng)蛇行運動頻率和車體剛性模態(tài)或者彈性模態(tài)接近時，會導(dǎo)致車輛發(fā)生“晃車”或者“抖動”等現(xiàn)象，從而對車輛運行平穩(wěn)性以及乘客的乘坐舒適度產(chǎn)生惡劣的影響，嚴(yán)重時更會影響到車輛的運行安全性。

傳統(tǒng)的地鐵車輛由于運行速度較低，主要靠二系旁承的摩擦力來抑制蛇行運動。為了滿足較高速度的軌道交通車輛正常運行，需要加裝抗蛇行減振器來抑制蛇行運動?？股咝袦p振器的作用是控制和抑制車體和轉(zhuǎn)向架的橫向運動，其安裝在構(gòu)架與車體之間，提供二系懸掛需要的回轉(zhuǎn)阻尼力。在實際服役過程中，抗蛇行減振器容易產(chǎn)生諸如心閥或底閥彈簧剛度衰減、橡膠老化、漏油等故障，這些故障可能會使得減振器減振性能減弱甚至失效，進而影響車輛的動力學(xué)性能。因此，開展抗蛇行減振器失效工況對軌道車輛動力學(xué)性能影響的研究是非常有意義的。

國內(nèi)外學(xué)者針對抗蛇行減振器對動力學(xué)性能產(chǎn)生的影響開展了相關(guān)研究。時蕾等［1］仿真分析了抗蛇行減振器在失效故障下對高速列車動力學(xué)性能的影響。池長欣等［2］探究了仿真情況下抗蛇行減振器失效對高速列車橫向平穩(wěn)性的影響。明星宇等［3］利用仿真研究表明抗蛇行減振器失效時，車輛蛇行失穩(wěn)臨界速度顯著降低。ALONSO等［4］研究了抗蛇行減振器特性對穩(wěn)定性的影響，建立精確的抗蛇行減振器模型來進行車輛系統(tǒng)動力學(xué)仿真。

通過上文可以看出，相關(guān)研究人員主要采用動力學(xué)仿真計算的方法對抗蛇行減振器的動力學(xué)行為進行模擬，并得出很多重要結(jié)論。但是，由于受到車輛實際運營安全性的要求，目前還沒有相關(guān)線路試驗對其進行驗證。因此，本文在地鐵車輛生產(chǎn)商和地鐵線路運營部門的協(xié)助下，選擇尚未投入運營的地鐵車輛，通過拆除抗蛇行減振器的方式模擬其故障工況，對拆除抗蛇行減振器前后車輛的振動特性和運行平穩(wěn)性進行線路試驗研究。同時，對運行速度、線路與車輛運行平穩(wěn)性的關(guān)系進行研究，探明抗蛇行減振器失效對軌道交通車輛產(chǎn)生的影響。

1試驗簡介

對實際運營條件下車輛系統(tǒng)的動力學(xué)特性開展試驗研究。試驗方法參考GB/T 5599—2019《機車車輛動力學(xué)性能評定及試驗鑒定規(guī)范》進行。運行平穩(wěn)性主要是針對客車上旅客的舒適度、貨車上裝運貨物的完整性而制定的評價車體隨機振動的指標(biāo)。主要評價參數(shù)是車體上規(guī)定位置的各方向振動加速度，將其統(tǒng)計處理后得到評價指標(biāo)值。車輛運行平穩(wěn)性主要用來評價車輛的運行性能。因此，本文主要通過車輛的運行平穩(wěn)性來分析相關(guān)問題。具體的評定限值如表1所示。

平穩(wěn)性指標(biāo)分別為垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)。二者在計算中采用不同的頻率修正系數(shù)，但采取相同的評定等級，平穩(wěn)性指標(biāo)值計算公式如下：

式中：W為平穩(wěn)性指標(biāo)；A為車體振動加速度；f為振動頻率；F（f）為頻率修正系數(shù)。

車體振動加速度通過安裝加速度傳感器來獲取。根據(jù)GB/T 5599—2019《機車車輛動力學(xué)性能評定及試驗鑒定規(guī)范》中車體振動加速度的測試方法，車體垂向、橫向振動加速度測點對角布置在1、2位轉(zhuǎn)向架中心偏向車體一側(cè)1 000mm的車內(nèi)地板上，如圖1所示，并在軸箱和構(gòu)架等轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部位安裝振動加速度傳感器，測試轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的振動特性以實現(xiàn)振動加速度信號的采集。

該試驗主要研究抗蛇行減振器失效對車輛運行平穩(wěn)性的影響。通過拆除抗蛇行減振器對其故障工況進行模擬，對比分析拆除抗蛇行減振器前后車輛系統(tǒng)的動力學(xué)行為和特征，研究抗蛇行減振器失效對車輛運行平穩(wěn)性的影響程度并分析平穩(wěn)性變化的原因。圖2為抗蛇行減振器拆除前后對比圖。在同一線路的不同速度條件下，進行模擬故障與正常試驗。

2失效故障對運行平穩(wěn)性的影響研究

由于實際線路上環(huán)境較復(fù)雜，測得數(shù)據(jù)受到不同曲線半徑、速度和軌道表面等多因素影響。因此，在進行對比分析試驗時，需要選擇不同工況下，列車以相同速度運行通過相同軌道區(qū)段時的振動數(shù)據(jù)進行分析。用于數(shù)據(jù)對比分析的區(qū)間選取如圖3所示，此區(qū)段速度穩(wěn)定在120km/h。在此條件下，分析試驗在3種工況下對車輛運行平穩(wěn)性的影響。

2.1不同失效工況下平穩(wěn)性對比

該地鐵車輛上有兩個抗蛇行減振器，分別分布在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)。進行拆除一個抗蛇行減振器、拆除兩個抗蛇行減振器和正常情況下的動力學(xué)試驗。圖4—圖5為不同工況下車輛的運行平穩(wěn)性測試結(jié)果。由圖可知：拆除抗蛇行減振器對車輛運行平穩(wěn)性有顯著的影響，尤其表現(xiàn)在車輛的橫向運行平穩(wěn)性上。拆除抗蛇行減振器越多，其運行平穩(wěn)性指標(biāo)顯著增大。對于垂向運行平穩(wěn)性，拆除抗蛇行減振器對其影響雖不如橫向平穩(wěn)性明顯，但是整體上也會導(dǎo)致垂向運行平穩(wěn)性增大。

2.2不同失效工況振動特性對比

為分析導(dǎo)致不同工況下車輛運行平穩(wěn)性惡化的原因，需要結(jié)合轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)關(guān)鍵部件（輪對和構(gòu)架）的振動特性展開分析。

由前文可知，平穩(wěn)性指標(biāo)計算與車體振動加速度有關(guān)。圖6給出了車體橫向振動加速度時域信號（本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者）。由圖可知：拆除抗蛇行減載器后，車體橫向振動加速度明顯增大，且隨著拆除抗蛇行減振器個數(shù)的增加，車體振動加速度也呈增大的趨勢。為了更加清晰地觀察車體橫向振動加速度的波形特征，對116～120s的數(shù)據(jù)進行放大，結(jié)果如圖7所示。在正常工況下，車體橫向振動表現(xiàn)出隨機信號的特征，但是拆除抗蛇行減振器后，車體橫向振動出現(xiàn)諧波。

為進一步研究車輛振動特性，對車輛振動信號開展頻譜特性分析。圖8為車體橫向振動的頻譜圖，可以看出抗蛇行減振器的失效主要影響0～10Hz的頻率幅值，因此選取頻率小于10Hz的能量分布進行頻譜分析。

3種工況的振動傳遞特性的主要差異集中在1～3Hz低頻區(qū)段。拆除的抗蛇行減振器越多，此區(qū)段的車體振動的幅值越高，且3種工況的能量最大值均出現(xiàn)在此低頻區(qū)段，符合車輛的蛇行運動特征［5］。蛇行運動會引起10Hz以下的低頻晃動。在運行過程中，車體上心滾擺和搖頭振動與車體自身固有的上心滾擺和搖頭振動可能會耦合在一起，從而引起共振，惡化車輛的橫向平穩(wěn)性。

3影響因素

在實際線路上的運行過程中，線路的曲線半徑、速度等因素也會導(dǎo)致平穩(wěn)性的差異。本章通過線路動力學(xué)試驗，探究抗蛇行減振器失效故障對不同曲線半徑、不同速度級的影響。

3.1速度影響

選取動力學(xué)試驗在相同線路條件下、不同行駛速度的工況進行分析。將60km/h、80km/h、100km/h、120km/h速度級作為研究對象。圖9—圖10給出了抗蛇行減振器在失效一個、失效兩個和正常3種不同工作狀態(tài)，車輛在不同速度級條件下平穩(wěn)性指標(biāo)的變化情況。觀察發(fā)現(xiàn)，隨著速度的不斷提升，車體的橫向與垂向平穩(wěn)性指標(biāo)都呈現(xiàn)上升趨勢。

對于垂向平穩(wěn)性指標(biāo)，不同工況下平穩(wěn)性增長的速率基本相同，速度作為垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的增加的主要原因。對于橫向平穩(wěn)性指標(biāo)，在低速段（60km/h和80km/h）3種工況下增長的速率仍基本相同，一旦進入高速區(qū)段（100km/h和120km/h）抗蛇行減振器隨著失效數(shù)目的增多，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)呈現(xiàn)出不同的增長速率。失效數(shù)目越多，平穩(wěn)性指標(biāo)增長得越快。這是由于列車運行速度接近臨界速度所致。

3.2線路影響

為了研究線路條件下抗蛇行減振器失效對平穩(wěn)性指標(biāo)的影響，選取在試驗中相同軌道區(qū)段相同速度下的數(shù)據(jù)進行研究。此段線路中包含R450、R1400的曲線線路與直線線路。討論在3種線路條件下抗蛇行減振器失效對平穩(wěn)性的影響。由于限速原因，R450線路速度必須小于80km/h，則R450選擇80km/h速度級進行分析，R1400與直線線路段選擇120km/h速度級進行分析，結(jié)果如圖11—圖12所示。

由圖11—圖12可知，較小半徑曲線R450的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著抗蛇行減振器失效的增多呈現(xiàn)下降趨勢，R1400與直線段則與之相反，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)逐漸上升。垂向平穩(wěn)性指標(biāo)輕微浮動，3種工況下差別不大?？股咝袦p振器的失效主要影響的是大半徑曲線與直線平穩(wěn)性指標(biāo)。這是由于小半徑曲線上，輪軌匹配錐度較大，車輛反而不易產(chǎn)生蛇行運動。為了不影響車輛的線路運行，要重點關(guān)注直線區(qū)段與大半徑曲線平穩(wěn)性指標(biāo)的變化。

4結(jié)語

1）每輛車失效一個抗蛇行減振器、失效兩個抗蛇行減振器，對車輛的垂向平穩(wěn)性影響較小，橫向平穩(wěn)性顯著變差。

2）抗蛇行減振器失效引發(fā)車輛蛇行運動，產(chǎn)生橫向低頻振動，從而導(dǎo)致了橫向平穩(wěn)性的惡化。

3）抗蛇行減振器失效主要影響的是橫向高速段的平穩(wěn)性指標(biāo)。為了在高速區(qū)段不影響車輛運行，高速條件下所有抗蛇行減振器都必須保持正常工作。

4）較小半徑曲線橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著抗蛇行減振器失效的增多呈現(xiàn)下降趨勢，大曲線半徑與直線段則與之相反，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)逐漸上升。為了不影響車輛的線路運行，要重點關(guān)注直線區(qū)段與大半徑曲線平穩(wěn)性指標(biāo)的變化。

參考文獻：

［1］ 時蕾，宋慧娟. 高速列車抗蛇行減振器故障分析［J］. 中國工程機械學(xué)報，2019，17（4）：350-355.

［2］ 池長欣，梁樹林，池茂儒，等. 抗蛇行減振器動態(tài)模型對高速列車橫向平穩(wěn)性影響［J］. 鐵道機車車輛，2022，42（2）：8-14.

［3］ 明星宇，傅茂海，賀文錦，等. 基于抗蛇行減振器實時特性的車輛動力學(xué)性能分析［J］. 機械工程與自動化，2016（6）：8-10.

［4］ ALONSO A，GIMNEZ J G，GOMEZ E. Yaw damper modelling and its influence on railway dynamic stability［J］. Vehicle System Dynamics，2011，49（9）：1367-1387.

［5］ 羅仁，石懷龍. 高速列車系統(tǒng)動力學(xué)［M］. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2019.

收稿日期：20230421

第一作者簡介：王丹蕾（1995—），女，河南洛陽人，碩士研究生，研究方向為機車車輛測控技術(shù)及故障診斷，392990316@qq.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.047