王宏謀

(北京縱橫機(jī)電科技有限公司, 北京 100094)

伴隨車輛和軌道運(yùn)用時(shí)間的增加，輪軌磨耗現(xiàn)象和特征在不斷變化，車輛異常振動(dòng)現(xiàn)象也出現(xiàn)明顯變化，從最初的車體低頻晃動(dòng)到構(gòu)架蛇行失穩(wěn)，發(fā)展到近兩年問題較突出的螺栓松動(dòng)、裂紋、脫落等高頻異常振動(dòng)問題。國外對(duì)輪軌高頻振動(dòng)研究較早，J.Kalousek[1-3]等在1992年已開始對(duì)車輪多邊形現(xiàn)象進(jìn)行研究，我國對(duì)高頻振動(dòng)研究起步雖然較晚，但金學(xué)松[4-6]等近年對(duì)車輪多邊形現(xiàn)象開展了大量研究，中國鐵道科學(xué)研究院對(duì)輪軌高頻振動(dòng)開展了大量調(diào)查研究工作[7-8]。

研究車輛異常振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理固然重要，但通過現(xiàn)象找到影響其振動(dòng)的原因，分析其內(nèi)在規(guī)律，采取一定措施使得問題得以盡快解決，消除安全隱患保證鐵路安全平穩(wěn)運(yùn)營是首要任務(wù)。以蘭新高速鐵路某型動(dòng)車組在運(yùn)營時(shí)的制動(dòng)盤異常振動(dòng)為例，研究緩解高頻異常振動(dòng)的方法。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

某型動(dòng)車組在蘭新高速鐵路運(yùn)營過程中部分車輛出現(xiàn)制動(dòng)盤螺栓異常斷裂現(xiàn)象。為盡快消除安全隱患，首先對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行了線路振動(dòng)測試和整備狀態(tài)模態(tài)測試與分析，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)盤存在固定主頻的異常振動(dòng)現(xiàn)象，該頻率與其固有頻率相似，即制動(dòng)盤在車輛運(yùn)營過程中出現(xiàn)了共振現(xiàn)象。隨后對(duì)輪軌幾何狀態(tài)進(jìn)行了測試和分析，尋找引起制動(dòng)盤出現(xiàn)共振的原因，最后給出了解決方法和建議，并進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證。

2 車輛振動(dòng)測試分析

2.1 振動(dòng)測試分析

對(duì)存在異常振動(dòng)的車輛進(jìn)行線路振動(dòng)測試，分別在車輪、軸箱、車軸、制動(dòng)盤等位置布置加速度傳感器。如圖1和圖2所示，制動(dòng)盤在514 Hz和843 Hz附近存在明顯的頻率峰值，同時(shí)由車輪到制動(dòng)盤的傳遞過程中在514 Hz附近制動(dòng)盤存在明顯放大現(xiàn)象。

圖1 制動(dòng)盤頻譜

圖2 制動(dòng)盤頻譜對(duì)比

如圖3和圖4所示，當(dāng)車輛經(jīng)過某些特殊區(qū)段時(shí)，制動(dòng)盤頻譜在850～900 Hz幅值迅速增加，同時(shí)車輪、車軸幅值在該頻段也迅速增加。

圖3 特定區(qū)段頻譜對(duì)比

圖4 特定區(qū)段不同測點(diǎn)頻譜對(duì)比

2.2 模態(tài)測試分析

如圖5和圖6所示，采用錘擊法對(duì)整備狀態(tài)下的制動(dòng)盤和車輪進(jìn)行了模態(tài)測試，其結(jié)果見表1。測試結(jié)果可知制動(dòng)盤在530 Hz和850 Hz附近，車輪在850 Hz附近均存在明顯模態(tài)頻率。該頻率成分與線路振動(dòng)頻譜主頻相似，初步推斷制動(dòng)盤在上述兩個(gè)頻率附近出現(xiàn)了共振現(xiàn)象。

圖5 制動(dòng)盤模態(tài)試驗(yàn)

圖6 制動(dòng)盤模態(tài)穩(wěn)態(tài)圖

部件階數(shù)1234制動(dòng)盤頻率/Hz528.2631.9667.4852.2阻尼比/%2.453.2811.5250.549車輪頻率/Hz345.5 383.8 648.1 844.5 阻尼比/%1.357 0.083 1.395 0.875

3 輪軌幾何測試分析

對(duì)于鐵路車輛，輪軌是其主要的激勵(lì)源之一，為尋找引起制動(dòng)盤共振的原因，對(duì)制動(dòng)盤所在轉(zhuǎn)向架車輪進(jìn)行了多邊形測試，同時(shí)對(duì)線路某些特殊區(qū)段進(jìn)行了鋼軌粗糙度測量。

如圖7和圖8所示，被測車輛存在車輪多邊形現(xiàn)象，主要為26～28階多邊形，幅值為0.06 mm，鋼軌特定區(qū)段存在明顯波磨現(xiàn)象，其波長為60～70 mm,幅值為0.05 mm。

圖7 車輪測試結(jié)果

圖8 鋼軌波磨測試結(jié)果

如圖9所示，車輪多邊形和鋼軌波磨隨速度增加，其激擾頻率不斷增大，但列車在線路上大部分以某一固定速度級(jí)運(yùn)行，經(jīng)調(diào)研，該型動(dòng)車組在高速鐵路主要以193 km/h速度運(yùn)行，此時(shí)車輪多邊形激擾頻率為510～549 Hz，與制動(dòng)盤的固有頻率528 Hz基本吻合，鋼軌波磨激擾頻率為766～894 Hz,與制動(dòng)盤852 Hz車輪845 Hz基本吻合。該現(xiàn)象與實(shí)測振動(dòng)數(shù)據(jù)相同，因此初步推斷制動(dòng)盤異常振動(dòng)是由于車輪多邊形和鋼軌波磨頻率與制動(dòng)盤固有頻率耦合引起的。

圖9 車輪多邊形和鋼軌波磨頻率與速度關(guān)系

4 緩解措施與驗(yàn)證

緩解車輪多邊形和鋼軌波磨引起的高頻振動(dòng)可從消除激擾源和破壞輪軌系統(tǒng)耦合兩種方式實(shí)現(xiàn)。

4.1 消除激擾源

消除激擾源，可通過車輪旋修和鋼軌打磨來實(shí)現(xiàn)。為驗(yàn)證上述分析和推斷，對(duì)被試車輛車輪進(jìn)行了旋修，隨后又進(jìn)行了線路振動(dòng)測試，如圖10和圖11所示，旋修后在514 Hz附近頻譜幅值明顯降低，加速度幅值明顯減小。圖12為車輛經(jīng)過波磨區(qū)段和正常區(qū)段加速度波形圖，從圖中可知鋼軌不存在波磨時(shí)加速度幅值明顯降低。

4.2 破壞輪軌系統(tǒng)耦合

破壞輪軌系統(tǒng)耦合現(xiàn)象，可通過換線運(yùn)行、變速運(yùn)行、改變結(jié)構(gòu)固有頻率等方式實(shí)現(xiàn)。

換線運(yùn)行即車輛調(diào)離原發(fā)生高頻振動(dòng)的線路，從而避免原線路軌道激擾引起的車輪固有參數(shù)耦合，文中采取措施可避開制動(dòng)盤852 Hz與原線路鋼軌波磨頻率耦合。變速運(yùn)行可使車輪多邊形頻率與鋼軌波磨頻率隨之變化，從而避開制動(dòng)盤固有頻率。改變結(jié)構(gòu)固有頻率，即更改制動(dòng)盤模態(tài)頻率，使其與原激擾頻率不發(fā)生耦合。

圖10 旋修前后頻譜圖對(duì)比

圖11 旋修前后振動(dòng)加速度數(shù)值對(duì)比

5 結(jié) 論

車輛出現(xiàn)明顯異常振動(dòng)，大部分是由于結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率與系統(tǒng)激勵(lì)頻率耦合引起的，鋼軌波磨與車輪多邊形尤其是兩者相互作用形成的耦合激勵(lì)會(huì)引起較大的高頻沖擊。沖擊頻率若與零部件模態(tài)頻率重合將顯著降低軌道、動(dòng)車組零部件使用壽命，造成安全隱患。為預(yù)防安全事故的發(fā)生，鐵路車輛管理部門應(yīng)建立車輛異常振動(dòng)預(yù)防措施，通過消除激擾源或破壞輪軌系統(tǒng)頻率耦合等方式抑制高頻異常振動(dòng)現(xiàn)象，確保車輛運(yùn)營安全。

圖12 鋼軌正常區(qū)段與存在波磨區(qū)段加速度波形對(duì)比