地鐵車輛異常抖動分析及監(jiān)測方法

摘要：針對某地鐵車輛運行時出現異常抖動的問題，首先結合車輛的檢修結果分析抖動原因，通過采集車體振動加速度對分析結果進行驗證。驗證結果表明，當存在踏面剝離故障的車輪轉動頻率與車體一階垂彎模態(tài)頻率接近時，會產生共振，車體振動會顯著加劇導致乘客感受到車輛異常抖動。然后提出了基于車體濾波后加速度均方根值的抖動監(jiān)測方法，通過線路測試數據驗證該指標可有效反映車體抖動狀態(tài)。最后基于測試結果提出了保障車輛穩(wěn)定安全運行的建議。

關鍵詞：地鐵車輛；異常抖動；踏面剝離；監(jiān)測

中圖分類號：U271；U231 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.08.006

文章編號：1006-0316 （2024） 08-0039-06

Analysis and Monitoring Method of Subway Vehicle Abnormal Jitter

FAN Yiwei，NIE Yunbin，DU Hongmei，LI Fenglin，YANG Yang，HU Xianze

（ Chengdu Yunda Technology Co.， Ltd.， Chengdu 611731， China ）

Abstract：To address the problem of abnormal jitter of a subway vehicle during operation， the causes of jitter are first analyzed based on the inspection results of the vehicle， and the analysis results are verified by collecting the vibration acceleration data of the vehicle body. The results show that the resonance occurs when the wheel rotation frequency with shelled tread is close to the first-order vertical bending mode frequency of the car body， and the vibration of the car body will be significantly intensified， causing the passengers to experience the abnormal jitter of the vehicle. Then the jitter monitoring method based on the root-mean-square acceleration of the car body is proposed， and the test data indicates that the index can effectively reflect the jitter state of the car body. Finally， suggestions are put forward to ensure the stable and safe operation of the vehicle.

Key words：subway vehicle；abnormal jitter；shelled tread；monitoring method

近年來，地鐵得到了快速發(fā)展。車輛在高速運行過程中如果突然出現較為劇烈的晃動或抖動，不僅影響乘坐舒適性，甚至會令乘客產生恐慌。因此，運量大、速度快的地鐵車輛的運行穩(wěn)定性及安全性引起了越來越多的關注。GB/T 5599－2019[1]采用平穩(wěn)性指標、舒適度指標來判定車輛運行的平穩(wěn)性。祁亞運等[2]對車輪損傷下的車輛平穩(wěn)性指標進行分析，發(fā)現隨著車輪磨耗兩項指標會逐漸增大，由于車體存在彈性模態(tài)，車輪磨耗會引起車體抖振現象。

平穩(wěn)性指標考慮車體橫向及垂向的振動，頻率范圍是0.5～40 Hz，但由于引起車輛異常振動的因素很多，僅按照平穩(wěn)性等指標難以準確反映列車車體真實的振動狀態(tài)，因此不少學者通過研究車輛部件振動頻率，對車輛的振動原因進行了區(qū)分[3-6]。干鋒等[7-8]通過等效錐度及輪軌關系判斷列車晃動、抖動問題，發(fā)現車體橫向晃動是由于等效錐度過低導致車輛蛇行運動，振動頻率主要在1～2 Hz，車體抖動是由于等效錐度過高導致車體模態(tài)共振，振動頻率在8 Hz左右。賈尚帥等[9]以高速動車組為研究對象，通過在多種測試工況下的對比驗證了車輪踏面磨耗對車體振動的影響，發(fā)現8～10 Hz的振動傳遞至車體后會激起車體、設備及座椅的共振。劉永強[10]針對地鐵車輛出現的橫向晃動現象，對實測的橫向加速度數據進行分析，發(fā)現車體、構架、輪對均存在2.5 Hz的振動主頻。陳迪來等[11]分析了地鐵車輛剛體模態(tài)，發(fā)現某個速度下，當轉向架的蛇行運動頻率與車體橫向振動的固有模態(tài)頻率接近時，會產生共振，導致車輛出現橫向低頻晃動。解婉茹等[12]提出一種以橫向加速度為對象的車體橫向晃動診斷方法，通過振動主頻和能量因子來監(jiān)測車體低頻晃動現象。目前的研究多是針對車體低頻橫向晃動問題，但車體在運行過程中的異常抖動也會嚴重影響乘坐舒適性。

因此，本文針對某地鐵車輛在運行中出現的車體異常振動問題，通過分析出現振動時車輛的運行工況，并結合檢修結果確定了振動問題來源于輪對踏面故障頻率與車體模態(tài)頻率接近引起的共振現象；然后進一步分析實測的車體振動加速度，提出車體異常振動的監(jiān)測指標及其閾值，可以對運行中的車輛異常振動狀態(tài)進行示警，也能夠為輪對的鏇修決策提供參考。

1 地鐵車輛車體異常抖動現象及分析

1.1 車體異常抖動現象及檢修結果

某地鐵在一個月內多次出現車輛異常振動的現象，車室內的乘客感覺到明顯的上下抖動，持續(xù)幾秒后抖動消失。對每次出現的情況進行統(tǒng)計發(fā)現，異常抖動時車速均在90～95 km/h，當車速離開該范圍，車室內的抖動消失。

對該車輛進行檢查，未發(fā)現車體及懸掛系統(tǒng)問題，但在檢查輪對外觀時，發(fā)現多個車輪存在踏面剝離故障，最嚴重的長度超過20 mm；對車輪不圓度進行測試，多數車輪徑向圓跳動超過0.5 mm的車輪鏇修限值，最嚴重的車輪徑向圓跳動達到了1.1 mm。

1.2 抖動原因分析

首先計算：

（1）

式中：f為車輪的轉動頻率；v為車輛運行速度；D為車輪直徑。

該地鐵車輛新輪的直徑為0.86 m，車輪鏇修后輪徑減小約1.5 mm，當v在90～95 km/h時，計算可得f≈9.2～9.7 Hz。其中車輪鏇修對

轉頻計算結果影響較小。

分析車體結構的模態(tài)發(fā)現，車體一階垂彎模態(tài)頻率為9.27 Hz，與上述車輪轉動頻率非常接近。正因如此，車輪踏面剝離產生了較大的轉頻激勵傳遞到車體，在90～95 km/h速度下，轉動頻率與車體的一階垂彎模態(tài)頻率接近引起了共振[13-14]，由此產生的劇烈垂向振動致使乘客感受到車體出現明顯的上下抖動。而當速度增高或降低，遠離90～95 km/h速度后，車體抖動不再明顯。

2 車體抖動數據分析

2.1 數據采集

選擇存在踏面剝離的車輛進行線路測試，連續(xù)采集車體垂向振動加速度數據，采樣頻率為1000 Hz。按照GB/T 5599－2019[1]中監(jiān)測點的布置方法，如圖2所示，在車輛客室的地板上、距離車體中心線1000 mm處布置車體加速度傳感器，測得車體垂向振動加速度。傳感器參數如表1所示。

2.2 數據分析

通過采集的車體垂向振動加速度數據計算得到垂向平穩(wěn)性指標與車輛運行速度的變化關系，如圖3所示?？梢钥闯?，垂向平穩(wěn)性指標總體隨著速度的增加而增加，第750 s當車速在90 km/h左右時，垂向平穩(wěn)性指標處于較高水平，當車速增至100 km/h時，垂向平穩(wěn)性指標反而降低；隨后當車速降至95 km/h時，垂向平穩(wěn)性指標再次升高，直到車速降至90 km/h以下，垂向平穩(wěn)性指標降低。驗證了當車速在90～95 km/h時車體垂向振動較大。

對90～95 km/h速度下的垂向振動加速度樣本進行分析，數據時頻圖如圖4所示?？梢钥闯?，頻譜中存在非常明顯的9.3 Hz的振動主頻，與車輪的轉動頻率一致。即踏面剝離后，車輪的轉動頻率與車體一階垂彎模態(tài)頻率接近，激起共振使車室內的乘客感受到車體出現了垂向抖動。

80 km/h車速時，車體的垂向振動加速度時頻圖如圖5所示。可以看出，頻譜中沒有明顯的車輪轉頻特征，這證明了當發(fā)生車體抖動時，車輪的轉動頻率會和車體固有模態(tài)頻率接近，而當車輪轉動頻率遠離模態(tài)頻率時，車體不會出現因共振導致的垂向抖動現象。

對故障車輪進行鏇修處理后，再次進行線路測試采集線路數據，此次測試在90 km/h速度左右時未發(fā)生車體抖動。對采集的車體垂向振動加速度進一步分析，如圖6所示?？梢钥闯?，加速度時域峰值較車輪鏇修前有了明顯減小，頻譜中已沒有幅值明顯的振動主頻，且車輪轉頻對應的幅值相比圖4也在較低水平。由此可知，鏇輪后消除了車輪故障對車體的振動激勵，因此即使在90 km/h速度時，由于已沒有車輪轉動頻率的激勵，車體不會再出現垂向抖動現象。

2.3 車體抖動監(jiān)測指標分析

由圖3還可以看出，車體出現抖動時，平穩(wěn)性指標雖有所增高，但最大值僅為2.48，按照GB/T 5599－2019等級評定為優(yōu)，距離不合格等級閾值3.0較遠[1，15-16]，因此在對運行中的車輛狀態(tài)進行監(jiān)測時，很難僅依靠平穩(wěn)性指標對車體的狀態(tài)進行準確評判。

由于車體垂向平穩(wěn)性指標是在0.5～40 Hz內對頻率進行加權計算，且數據樣本時長需要5 s，采用平穩(wěn)性指標不能較為靈敏地體現9 Hz左右的車體振動程度，并且當真實的振動持續(xù)時間較短時，指標還會因為數據樣本時間較長而被拉低。因此，將車體的垂向振動加速度按照8～10 Hz的頻率范圍進行帶通濾波，著重分析車體抖動頻率9 Hz附近較窄的范圍，計算為：

（2）

式中：為計算濾波后垂向加速度的RMS（Root Mean Square，均方根）值；x為車體垂向加速度樣本數據；N為樣本數據長度，由采樣時長和采樣頻率決定。

以該RMS指標反映車體抖動的程度，并對比鏇輪前后的該指標與垂向平穩(wěn)性指標的變化趨勢。

根據車輪鏇修前后共一個月時間內采集的車體垂向振動加速度線路數據，選取每天在90～95 km/h速度區(qū)間內的垂向平穩(wěn)性指標結果的最大值繪制變化趨勢曲線，如圖7所示；選取8～10 Hz帶通濾波后的加速度均方根值的最大值繪制變化趨勢曲線，其中按照式（2）分別計算數據樣本時長1 s和5 s時的加速度均方根值，如圖8所示。

由圖7、圖8可以看出：

（1）垂向平穩(wěn)性指標隨著車輪的磨耗持續(xù)增長，在鏇輪前持續(xù)增長至2.48，鏇輪后降低至1.8左右。

（2）垂向加速度均方根值也隨著車輪的磨耗持續(xù)增長，兩種計算方式得到的加速度均方根值變化趨勢基本一致，鏇輪后則均明顯減??；每1 s計算的結果比每5 s計算的結果更大，說明車體較為劇烈的振動更多是發(fā)生在短時間內，每秒計算的結果更為靈敏。

（3）相比垂向平穩(wěn)性指標的變化趨勢，垂向加速度均方根值在出現車體抖動時的增幅更為明顯；車輪鏇修后由0.034g減小至0.005g。因此，使用基于抖動頻率區(qū)間的車體振動加速度均方根值來監(jiān)測及評判車體是否存在異常振動狀態(tài)更為合適。

3 車輛抖動評判指標閾值及監(jiān)測流程

結合前文對比結果，地鐵車輛抖動狀態(tài)監(jiān)測選用8～10 Hz帶通濾波后的垂向加速度均方根值作為監(jiān)測指標。如圖9所示，具體流程為：

（1）采集數據樣本。以1000 Hz的采樣頻率連續(xù)采集車體垂向振動加速度，以每1 s的時間長度生成一條數據樣本。

（2）數據處理。對采集的垂向加速度數據樣本進行8～10 Hz的帶通濾波后計算加速度均方根值。

（3）閾值判定。當車體垂向加速度均方根值超過閾值時，判定指標超限；根據多次線路測試數據的分析結果，閾值參考值取0.03g。

（4）抖動狀態(tài)判定。當連續(xù)數次判定指標超限時，發(fā)出車輛抖動報警結果。此處連續(xù)次數取值為5。

（5）檢修建議。當出現抖動報警時，建議對抖動車輛輪對進行檢查，結合前文的分析結果，當加速度均方根值超過0.03g時，車輪的徑向圓跳動值基本都在0.5 mm以上，已達到鏇修標準。

4 結論

針對地鐵車輛運營時出現的異常抖動問題，通過采集車體振動加速度數據，結合車輛檢修結果，定位了問題原因。進一步分析比較提出的車體抖動監(jiān)測指標，得到以下結論：

（1）車輪存在踏面剝離故障，當車輪的轉動頻率與車體一階垂彎模態(tài)頻率接近時，激起了共振，導致了車體垂向的抖動。

（2）平穩(wěn)性指標的頻率加權范圍為0.5～40 Hz，且計算樣本時長為5 s，難以準確反映車體抖動的真實程度，對比發(fā)現，8～10 Hz帶通濾波后的加速度均方根值作為監(jiān)測指標效更合適，在車體抖動時刻該指標的變化更靈敏。

（3）結合監(jiān)測指標長期的跟蹤結果、車輪的檢修結果以及故障車輪鏇修后的指標變化趨勢，加速度均方根值的閾值建議取0.03g；當監(jiān)測發(fā)現指標連續(xù)5次超過閾值時，建議對車輪進行檢查。

隨著運行里程的增加，車輪的磨耗甚至發(fā)展為失圓故障是無法避免的，盡量減少車體抖動現象、保障地鐵車輛平穩(wěn)安全運行非常重要，因此可考慮以下幾點改善建議：

（1）優(yōu)化車體結構及懸掛系統(tǒng)，盡可能降低車輪振動對車體的影響，同時也能減輕共振現象對車輛各部件的危害。

（2）車輛盡可能避免在會導致車體抖動的速度區(qū)間內運行，以保障車輛運行穩(wěn)定。

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