許自強(qiáng)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

基于動(dòng)車組橫向穩(wěn)定性的等效錐度限值研究

許自強(qiáng)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

輪軌接觸幾何匹配關(guān)系直接影響動(dòng)車組的振動(dòng)性能，輪軌接觸不匹配可造成動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度報(bào)警、車體晃車等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)鏇修后初始等效錐度和車體晃車進(jìn)行研究，提出鏇修后初始等效錐度限值，評(píng)價(jià)鏇修質(zhì)量。通過(guò)對(duì)服役動(dòng)車組等效錐度的跟蹤、鏇修到限等效錐度分布范圍與報(bào)警輪對(duì)等效錐度值的統(tǒng)計(jì)，提出LMA、LMB、LMC、LMD型4種車輪踏面不同速度級(jí)的服役等效錐度限值，評(píng)估動(dòng)車組橫向穩(wěn)定性。根據(jù)等效錐度限值對(duì)車輪進(jìn)行管理可以控制輪軌型面與接觸關(guān)系，有效緩解構(gòu)架橫向加速度報(bào)警與車體晃車問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)車輪狀態(tài)修，提高鏇修經(jīng)濟(jì)性。

橫向穩(wěn)定性；車體晃車；等效錐度限值；LMB型車輪踏面；輪軌接觸

1 概述

我國(guó)高速動(dòng)車組經(jīng)過(guò)多年服役，總體運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好，但部分動(dòng)車組于2010年開(kāi)始出現(xiàn)構(gòu)架橫向加速度報(bào)警問(wèn)題，至2014—2015年，構(gòu)架橫向加速度報(bào)警呈多發(fā)趨勢(shì)，造成動(dòng)車組降速運(yùn)行或停車，影響運(yùn)營(yíng)秩序。為分析原因，針對(duì)10條線路20多處報(bào)警區(qū)段開(kāi)展上線測(cè)試，同時(shí)對(duì)報(bào)警動(dòng)車組車輪狀態(tài)、懸掛特性進(jìn)行深度調(diào)研與優(yōu)化研究。通過(guò)調(diào)研、試驗(yàn)、仿真，針對(duì)構(gòu)架橫向加速度報(bào)警問(wèn)題提出以下控制措施：報(bào)警區(qū)段鋼軌打磨、推廣新的輪軌廓形、優(yōu)化車輪鏇修周期、調(diào)整車輛懸掛參數(shù)、提高車輪鏇修質(zhì)量。采取這些措施后構(gòu)架橫向加速度報(bào)警問(wèn)題顯著降低，2016年比2015年降低58%，2017年上半年僅發(fā)生1起構(gòu)架橫向加速度報(bào)警問(wèn)題[1]。構(gòu)架橫向加速度報(bào)警問(wèn)題研究過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 構(gòu)架橫向加速度報(bào)警問(wèn)題研究過(guò)程

隨著鋼軌打磨以及新輪軌廓形的推廣，降低了輪軌匹配等效錐度設(shè)計(jì)值，間接導(dǎo)致車輪鏇修初始輪軌匹配等效錐度降低，車體晃車（車體橫向平穩(wěn)性顯著變差，出現(xiàn)1～2 Hz的低頻晃動(dòng)）問(wèn)題越發(fā)明顯。雖然晃車發(fā)生在個(gè)別區(qū)段且持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，但是明顯影響乘客乘坐舒適性。

隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)輪軌匹配等效錐度可以較準(zhǔn)確地反映動(dòng)車組振動(dòng)性能，等效錐度過(guò)低將導(dǎo)致車體晃車，而等效錐度過(guò)高又會(huì)導(dǎo)致構(gòu)架橫向穩(wěn)定性下降甚至蛇行失穩(wěn)（見(jiàn)圖2）[2]。等效錐度作為輪軌關(guān)系的量化指標(biāo)之一，可以直接反映輪軌接觸狀態(tài)以及預(yù)測(cè)動(dòng)車組的運(yùn)行行為。我國(guó)對(duì)等效錐度的研究還較少，也未制定專門(mén)規(guī)范，急需進(jìn)行深入研究[3]。

圖2 等效錐度與動(dòng)車組橫向穩(wěn)定性的關(guān)系

2 等效錐度現(xiàn)狀

等效錐度作為輪軌關(guān)系的線性化指標(biāo)，已被廣泛用于表征輪軌接觸幾何特征。國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC 519定義名義等效錐度是指在輪對(duì)橫移幅值為3 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的等效錐度，我國(guó)等效錐度采用該定義。歐盟鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范（TSI）和國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC 518都采用等效錐度指標(biāo)評(píng)估輪軌接觸幾何關(guān)系。表1為T(mén)SI規(guī)定的輪軌等效錐度設(shè)計(jì)限值，表2為UIC 518規(guī)定的服役動(dòng)車組輪軌等效錐度建議限值[4-5]。在等效錐度指標(biāo)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于歐洲各國(guó)的線路條件不一致（如軌距、軌底坡、廓形、運(yùn)行速度等），各國(guó)并沒(méi)有依照等效錐度標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，而是根據(jù)線路條件以及運(yùn)用情況靈活掌握，采用軌邊設(shè)備、人工測(cè)試等方法測(cè)試并計(jì)算等效錐度，對(duì)車輪實(shí)行狀態(tài)修。

表1 TSI規(guī)定的輪軌等效錐度設(shè)計(jì)限值

表2 UIC 518規(guī)定的服役動(dòng)車組輪軌等效錐度建議限值

3 車體晃車與初始等效錐度控制

車體晃車的主要原因是輪軌接觸幾何關(guān)系不佳，直接反映為等效錐度過(guò)低。等效錐度越低，輪對(duì)、構(gòu)架的橫向蛇行運(yùn)動(dòng)頻率也越低，如果與車體側(cè)滾、搖頭頻率接近就易激發(fā)車體的固有頻率，引起車體晃車。下面給出輪對(duì)、構(gòu)架橫向蛇行運(yùn)動(dòng)頻率的經(jīng)驗(yàn)公式。

輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)頻率公式：

構(gòu)架蛇行運(yùn)動(dòng)頻率公式：

式中：v為運(yùn)行速度，m/s；b為滾動(dòng)圓中心距的一半，m；r0為名義滾動(dòng)圓半徑，m；l1為轉(zhuǎn)向架固定軸距的一半，m；λ為蛇行運(yùn)動(dòng)波長(zhǎng)，m。

通過(guò)式（1）、式（2）可以發(fā)現(xiàn)：輪軌、構(gòu)架的蛇行運(yùn)動(dòng)頻率與等效錐度呈正比[6]。初期列車運(yùn)行速度不高時(shí)認(rèn)為車體晃車發(fā)生在列車低速運(yùn)行情況下，但隨著高速鐵路的發(fā)展，車體晃車有了新變化，一般發(fā)生于車輪鏇修后列車高速運(yùn)行時(shí)。由于鏇床精度、人為誤差等原因?qū)е骆浶藓筌囕喌牡刃уF度比設(shè)計(jì)值低，在運(yùn)行至某些區(qū)段時(shí)，蛇行運(yùn)動(dòng)頻率與車體固有側(cè)滾頻率耦合，發(fā)生1～2 Hz的車體晃車，車體橫向平穩(wěn)性顯著降低，影響列車舒適性。

由于車輪鏇修控制指標(biāo)并未包含等效錐度，無(wú)法有效區(qū)分鏇修等效錐度過(guò)低導(dǎo)致的車體晃車。所以以LMB型車輪踏面為例，提出鏇修后初始等效錐度限值的建議，通過(guò)等效錐度控制車輪鏇修質(zhì)量。

3.1 鏇修后初始等效錐度

選取不同型號(hào)、不同運(yùn)行速度、運(yùn)行在不同線路的動(dòng)車組進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算鏇修后初始等效錐度，研究其分布區(qū)間。采用LMB型車輪踏面的測(cè)試動(dòng)車組統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

（1）被測(cè)試動(dòng)車組車輪與60 kg/m標(biāo)準(zhǔn)鋼軌廓形（簡(jiǎn)稱TB60）匹配等效錐度均值為0.16，標(biāo)準(zhǔn)差0.02，等效錐度分布于0.08～0.24。

（2）LMB型車輪踏面與TB60匹配設(shè)計(jì)值為0.17，鏇修后統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)初始等效錐度在設(shè)計(jì)值±0.03范圍內(nèi)的占比為85%（見(jiàn)圖3）。測(cè)試數(shù)據(jù)直方圖統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖4。

表3 采用LMB型車輪踏面的測(cè)試動(dòng)車組統(tǒng)計(jì)

圖4 測(cè)試數(shù)據(jù)直方圖統(tǒng)計(jì)

3.2 等效錐度下限修正

通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到的初始等效錐度限值并不能完全代表實(shí)際情況，根據(jù)晃車動(dòng)車組車輪的測(cè)量與試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)初始等效錐度下限進(jìn)行修正。

車體晃車和輪對(duì)等效錐度的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知某動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了車體晃車，車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)達(dá)2.75（見(jiàn)圖5（a））。同時(shí)，從測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分輪對(duì)的等效錐度較低，當(dāng)?shù)刃уF度低于0.12時(shí)車體發(fā)生晃車（見(jiàn)圖5（b））。

此外，還測(cè)試了京津城際[7]、衡柳客專等線路的車體晃車。研究結(jié)果顯示等效錐度小于0.12時(shí)車體容易發(fā)生晃車。

綜合初始等效錐度統(tǒng)計(jì)和晃車線路試驗(yàn)，LMB型車輪踏面的鏇修后初始等效錐度限值為0.12～0.20。對(duì)我國(guó)動(dòng)車組使用的LMA、LMC、LMD型車輪踏面也采用相同方法進(jìn)行研究，提出4種與TB60匹配的車輪踏面鏇修后初始等效錐度限值（見(jiàn)表4）。

以前等效錐度的測(cè)量、計(jì)算一直采用人工方法，耗時(shí)耗力而且誤差較大。通過(guò)對(duì)不落輪鏇床進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輪踏面與等效錐度的實(shí)時(shí)測(cè)量。該功能已在各鐵路局推廣運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鏇修車輪進(jìn)行實(shí)時(shí)等效錐度計(jì)算。所以鏇修后等效錐度限值已經(jīng)具備試用考核條件，后續(xù)可以通過(guò)鏇床的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、動(dòng)車組鏇修后運(yùn)行性能跟蹤，對(duì)初始等效錐度限值進(jìn)行考核與修正。

圖5 車體晃車和輪對(duì)等效錐度測(cè)試結(jié)果

表4 與TB60匹配的車輪踏面鏇修后初始等效錐度限值

4 構(gòu)架橫向加速度報(bào)警與服役等效錐度的限值研究

車輪鏇修后隨著運(yùn)行里程的增加，車輪磨耗持續(xù)加深，等效錐度與構(gòu)架橫向加速度也隨之增加。當(dāng)?shù)刃уF度達(dá)到一定值時(shí)，構(gòu)架容易出現(xiàn)蛇行失穩(wěn)[8]。以LMB型車輪踏面為例，通過(guò)鏇修到限等效錐度統(tǒng)計(jì)、不同運(yùn)行里程等效錐度分布以及早期報(bào)警等效錐度統(tǒng)計(jì)，研究LMB型車輪踏面的服役等效錐度限值。

滬昆、武廣高鐵的CRH3型系列動(dòng)車組不同運(yùn)行里程的車輪等效錐度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖6。由圖6可知，不同線路、不同動(dòng)車組的車輪等效錐度發(fā)展趨勢(shì)相同，均是隨運(yùn)行里程的增加而增大。共統(tǒng)計(jì)了431組數(shù)據(jù)，其中等效錐度超過(guò)0.40的數(shù)據(jù)有39組，占比9%。

鏇修到限動(dòng)車組車輪的等效錐度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖7。共測(cè)試了320組有效數(shù)據(jù)，車輪與TB60匹配等效錐度最大值為0.46，平均值為0.34。從圖7還發(fā)現(xiàn)整列動(dòng)車組等效錐度分布呈現(xiàn)一定的離散性，等效錐度較低的輪對(duì)蛇行穩(wěn)定性較好，但現(xiàn)階段都是整列進(jìn)行鏇修，鏇修經(jīng)濟(jì)性還有提升空間。

圖6 滬昆、武廣高鐵的CRH3型系列動(dòng)車組不同運(yùn)行里程的車輪等效錐度統(tǒng)計(jì)

圖7 鏇修到限動(dòng)車組車輪的等效錐度統(tǒng)計(jì)

2014—2015年部分構(gòu)架蛇行失穩(wěn)報(bào)警的輪對(duì)等效錐度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖8，報(bào)警等效錐度平均值為0.36，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.04。以前LMB型車輪踏面失穩(wěn)的經(jīng)驗(yàn)等效錐度限值為0.35，但從2015年下半年采用了鋼軌廓形優(yōu)化、鋼軌打磨、懸掛參數(shù)優(yōu)化、車輪踏面外形優(yōu)化與鏇修、鏇床升級(jí)等措施后，根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果等效錐度限值可以適當(dāng)提高。

圖8 2014—2015年部分構(gòu)架蛇行失穩(wěn)報(bào)警的輪對(duì)等效錐度統(tǒng)計(jì)

綜合以上研究，LMB型車輪踏面的服役等效錐度（與TB60標(biāo)準(zhǔn)鋼軌廓形匹配）建議限值為0.40。針對(duì)LMA、LMC、LMD型3種動(dòng)車組服役車輪踏面也進(jìn)行了全面研究，得出不同速度級(jí)的4種車輪踏面服役等效錐度建議限值（見(jiàn)表5）。

表5 服役等效錐度建議限值

5 結(jié)束語(yǔ)

等效錐度指標(biāo)可以較準(zhǔn)確反映動(dòng)車組的橫向性能。等效錐度應(yīng)在合理范圍內(nèi)取值，過(guò)高會(huì)導(dǎo)致構(gòu)架發(fā)生蛇行運(yùn)動(dòng)，過(guò)低會(huì)導(dǎo)致車體晃車。通過(guò)調(diào)研與試驗(yàn)提出鏇修后初始等效錐度限值，避免鏇修后輪軌匹配等效錐度過(guò)低導(dǎo)致車體晃車。通過(guò)對(duì)服役動(dòng)車組等效錐度的跟蹤、鏇修到限等效錐度分布范圍與報(bào)警輪對(duì)等效錐度值統(tǒng)計(jì)，提出LMA、LMB、LMC、LMD型4種車輪踏面不同速度級(jí)的服役等效錐度限值，進(jìn)而評(píng)估動(dòng)車組橫向穩(wěn)定性。提出等效錐度限值只是第一步，以后還將通過(guò)不斷進(jìn)行測(cè)試與分析，進(jìn)一步完善、修正等效錐度限值，以實(shí)現(xiàn)工程推廣應(yīng)用。

[1]許自強(qiáng)，董孝卿，朱韶光，等．高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架 橫向穩(wěn)定性研究[R]．北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī) 車車輛研究所，2016．

[2]OLDRICH POLACH．Characteristic parameters of nonlinear wheel/rail contact geometry[C]. Vehicle System Dynamics, 2010.

[3]董孝卿，王悅明，倪純雙，等．服役動(dòng)車組車 輪踏面等效錐度運(yùn)用管理研究[J]．鐵路技術(shù)創(chuàng)新， 2015(2)：83-87.

[4]Rolling Stock Subsystem TSI，2008／232／EC[S].

[5]International Union of Railways．UIC 518：2005 Testing and approval of railway vehicles from point of view of their dynamic behavior-safety-track fatigue-ride quality[S].

[6]王福天．車輪動(dòng)力學(xué)[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，1981.

[7]董孝卿．京津城際鐵路動(dòng)車組車輪運(yùn)用情況深入研 究[R]．北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究 所，2010．

[8]周清躍，俞喆，劉豐收，等．動(dòng)車組構(gòu)架報(bào)警效果 研究[J]．中國(guó)鐵路，2016(9)：35-39．

Research on Limit Value of Equivalent Conicity Based on Lateral Stability of EMU Trains

XU Ziqiang
（Locomotive & Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The geometric matching of wheel-rail contact directly affects the vibration performance of EMU trains. Wheel-rail mismatching may cause several problems such as EMU structure’s lateral acceleration alarm and train shaking. Based on the research on the initial equivalent conicity and train shaking after lathing, the limit value of initial equivalent conicity after lathing was proposed and the lathing quality was evaluated in this paper. Based on tracking of equivalent conicity of EMU trains in operation, distribution range of equivalent conicity and statistics of equivalent conicity value of wheel sets in alarm, this paper proposed the limit value of equivalent conicity at diferent speed levels regarding four types of wheel treads, LMA, LMB, LMC and LMD respectively. The paper also evaluated the lateral stability of EMU trains. Wheel management based on limit value of equivalent conicity could be utilized to control the wheel-rail relationship in terms of profle and contact,relieving the problems of lateral acceleration alarm and train shaking. Repairing depending on track condition could be carried out, which makes lathing more economical.

lateral stability；train shaking；limit value of equivalent conicity；LMB-type wheel tread；wheel-rail contact

U270.1+1

A

1001-683X（2017）12-0029-06

10.19549/j.is sn.1001-683x.2017.12.029

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016G008-E、2016J007-H）；中國(guó)鐵道科學(xué)研究院科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2015YJ047）

許自強(qiáng)（1984—），男，助理研究員，博士。E-mail：87602193@163.com

責(zé)任編輯 李鳳玲

2017-08-11