付政波

(中國鐵路總公司 機輛部, 北京 100844)

由于動車組車輪踏面具有一定錐度，在軌道不平順的作用下車輛的運動實際上是一個不斷對中的周期運動，我們稱之為蛇行運動。蛇行運動為轉(zhuǎn)向架自激振動，一般分為一次蛇行運動和二次蛇行運動[1]。如圖1所示，當輪軌匹配的等效錐度處于一個較高范圍內(nèi)時，車輛的極限模式為轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)(二次蛇行失穩(wěn))；輪軌匹配的等效錐度在低錐度范圍內(nèi)，車輛的極限模式為車體失穩(wěn)或轉(zhuǎn)向架-車體失穩(wěn)(一次蛇行失穩(wěn))[2]。轉(zhuǎn)向架的失穩(wěn)會引起車輛安全問題，而車體的失穩(wěn)則會導(dǎo)致車輛橫向平穩(wěn)性惡化，影響乘客的乘坐舒適度。

圖1 典型穩(wěn)定性圖

我國部分高速動車組在服役過程中出現(xiàn)車體晃動現(xiàn)象，表現(xiàn)特征為新旋修的動車組運行至某些線路區(qū)段車體發(fā)生小幅晃動，為一次蛇行運動。由于車體橫向晃動頻率接近人體的敏感區(qū)域，大大降低了旅客乘坐舒適度，導(dǎo)致旅客投訴影響列車的運營質(zhì)量[3-4]。

我國高速動車組運營過程中，曾出現(xiàn)過一些因構(gòu)架橫向失穩(wěn)報警(構(gòu)架橫向加速度連續(xù)6次大于8.0 m/s2)的問題，很多學(xué)者針對此問題進行了大量的研究[5-6]。而關(guān)于車體失穩(wěn)的研究則較少。針對衡柳線上運營動車組出現(xiàn)的晃車問題，對晃車動車組車輪踏面、晃車區(qū)段鋼軌狀態(tài)進行了調(diào)研測試，通過輪軌匹配分析與動力學(xué)仿真分析研究衡柳線晃車的原因，并提出整治措施，以期為動車組的運維提供參考。

1 晃車調(diào)研分析

部分旅客反映動車組在衡柳線運行出現(xiàn)明顯的晃動，為了查找晃車動車組與晃車線路區(qū)段，對衡柳線運行的動車組進行了多次的添乘。添乘發(fā)現(xiàn)：衡柳線下行線車輛運行正常，未出現(xiàn)明顯的車體晃動；而在上行線時，添乘的兩列動車組在部分區(qū)段運行時，車體發(fā)生明顯左右搖擺，持續(xù)1～2 min，動車組運行速度194～200 km/h。此處對發(fā)生晃車的動車組車輪踏面和晃車區(qū)段鋼軌進行現(xiàn)場測量與分析。

1.1 晃車動車組車輪踏面分析

觀察晃車動車組車輪踏面，動車組車輪踏面外形未見異常。利用旋修車床測量晃車動車組車輪的磨耗和徑跳，測量結(jié)果表明，兩列動車組車輪磨耗狀態(tài)正常，徑跳值在0.018～0.073，小于限值0.10。晃車動車組車輪踏面與標準踏面對比見圖2，對比發(fā)現(xiàn)實測的車輪踏面與標準輪在滾動圓70 mm附近的廓型接近，車輪踏面狀態(tài)正常。

1.2 晃車區(qū)段鋼軌廓型分析

衡柳線上鋼軌采用的是我國研制的60N鋼軌，同一車輪踏面與該鋼軌廓型匹配的等效錐度小于與CHN60鋼軌廓型匹配的等效錐度。利用天窗時間段，項目組對晃車線路區(qū)段的鋼軌進行檢查，測試和分析。

圖2 實測車輪踏面與標準踏面外形對比

圖3為下行線典型的鋼軌光帶。下行鋼軌軌頭廓型左右股對稱，未出現(xiàn)過打磨情況，鋼軌光帶約40 mm，直道線路上，鋼軌軌頭側(cè)面輪軌接觸痕跡不明顯，說明車輪未與鋼軌發(fā)生輪緣接觸。

圖3 下行線鋼軌光帶

通過檢查發(fā)現(xiàn)，上行線部分鋼軌異常，主要表現(xiàn)為鋼軌軌距角處磨耗與雙光帶。

(1)該段線路幾何尺寸無超限，但是鋼軌軌頭廓型存在左右股不對稱、軌距角處明顯磨耗，如圖4所示，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)該區(qū)段鋼軌存在過打磨的情況，最大過打磨量達到0.7 mm；

圖4 上行鋼軌軌距角磨磨耗

(2)上行線部分區(qū)段鋼軌存在明顯的雙光帶，即軌頂區(qū)域光帶明顯，但軌頂至軌頭區(qū)域光帶較輕，兩種光帶呈現(xiàn)明顯的分界，如圖5所示；同時，直線鋼軌軌頭側(cè)面輪軌接觸痕跡明顯，且左右股交替，交替間隔約10～20 m；

圖5 上行軌距角磨耗及雙光帶

晃車區(qū)段鋼軌廓型與標準廓型對比見圖6。軌頂位置實測廓型與標準廓型接近，但是在軌距角處的廓型存在明顯差異，實測鋼軌存在過打磨問題。

圖6 晃車區(qū)段鋼軌廓型與標準廓型對比

1.3 輪軌匹配分析

輪軌接觸系統(tǒng)比較復(fù)雜，國內(nèi)外一般用等效錐度作為輪軌接觸線性化指標表征輪軌接觸幾何特征[5]。采用衡柳線實測鋼軌廓型與實測車輪踏面、標準車輪踏面進行了等效錐度計算與對比，結(jié)果見表1，表中晃車區(qū)段鋼軌廓型1為圖4中實測廓型，晃車區(qū)段鋼軌廓型2為圖5中實測廓型。由表可知：

(1)實測車輪踏面與實測晃車區(qū)段鋼軌廓型匹配等效錐度在0.06～0.102之間，等效錐度小于設(shè)計值(設(shè)計值0.112)；

(2)實測車輪踏面與60N鋼軌廓型匹配的等效錐度降幅小于實測車輪踏面與實測晃車區(qū)段鋼軌廓型匹配的等效錐度降幅，鋼軌廓型對等效錐度的影響較大；

(3)實測車輪與晃車區(qū)段鋼軌匹配等效錐度普遍小于與打磨標準廓型60N的結(jié)果。

表1 等效錐度計算結(jié)果統(tǒng)計

將實測的車輪踏面和鋼軌數(shù)據(jù)進行匹配，得到不同輪軌匹配的接觸分布情況如圖7所示。從輪軌接觸關(guān)系發(fā)現(xiàn)：(1)晃車區(qū)段實測車輪踏面和實測鋼軌廓型匹配的接觸區(qū)域集中在軌頂和軌距角位置，接觸斑分布不均勻；(2)實測車輪與標準60 N鋼軌接觸均勻，接觸區(qū)域也較寬；(3)實測車輪和實測鋼軌匹配軌距角接觸較大，易造成鋼軌軌距角磨耗，形成大的輪軌低頻激擾，更加劇了車體晃動。

圖7 輪軌接觸關(guān)系對比

2 等效錐度影響仿真分析

為了驗證輪軌匹配對動車組晃車的影響，建立動車組動力學(xué)模型，仿真分析實測車輪踏面與標準鋼軌廓型、晃車區(qū)段鋼軌匹配下的車體振動性能，得到了不同等效錐度值對車體橫向振動的影響。

晃車動車組頭車第1轉(zhuǎn)向架的車輪踏面與不同鋼軌廓型匹配的車體橫向振動加速、振動加速度頻率以及等效錐度與車體橫向平穩(wěn)性關(guān)系見圖8～圖10。由圖可知：(1)當?shù)刃уF度為0.06，車體振動加速度達到了1.5 m/s2，車體橫向平穩(wěn)性達到3.6，遠超3.0的限值；(2)輪軌匹配等效錐度過小將引起車體橫向周期振動，振動主頻率為1.6 Hz；(3)當?shù)刃уF度增加，車體橫向振動幅值降低，等效錐度為0.11時，車體平穩(wěn)性為2.8，為合格標志；(3)當?shù)刃уF度達到1.8，車體平穩(wěn)性為1.6，車體橫向平穩(wěn)性非常好。

圖8 車體加速度

圖9 頻率特性

圖10 橫向平穩(wěn)性

3 結(jié) 論

通過車輛與線路調(diào)研測試、輪軌匹配分析與仿真驗證，衡柳線晃車的主要原因為鋼軌過打磨導(dǎo)致旋修后車輪踏面與鋼軌接觸關(guān)系較差，輪軌匹配等效錐度過小(達到0.06)引起了車體1.6 Hz的低頻晃車。為了解決晃車問題，提出了以下改進措施：

(1)修正問題鋼軌廓型。通過鋼軌大機打磨的整治措施修正晃車區(qū)段的鋼軌上行軌頭廓型，使輪軌匹配等效錐度達到合理范圍，改善輪軌接觸關(guān)系。在鋼軌打磨后進行了添乘驗證，晃車問題消失。

(2)建立聯(lián)合溝通機制。路局建立工務(wù)、車輛等多專業(yè)的溝通機制，針對發(fā)生的晃車情況盡快組織對鋼軌和車輛狀態(tài)進行深入分析，發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施，減少影響。

由于隨著動車組車輪磨耗，輪軌匹配等效錐度逐漸增加，晃車問題會慢慢消失，晃車問題的研究不夠深入。后續(xù)將圍繞著晃車振動特征與影響，研究建立晃車的檢測方法與更為準確的評價指標。