劉永乾

（中鐵物總運(yùn)維科技有限公司，北京100036）

0 引言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展、動車組列車運(yùn)營速度的不斷提高，輪軌間作用力隨之增大，車體振動也隨之加劇，嚴(yán)重者表現(xiàn)為動車組失穩(wěn)（車體抖動、橫向晃車、構(gòu)架橫加報警等）、扣件彈條大面積折斷等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了乘坐舒適度、增加線路養(yǎng)護(hù)成本，甚至危及行車安全。

針對此問題，Orlova等［1］就嚴(yán)重車輪輪緣磨耗及車輛裝載工況下出現(xiàn)的振動加速度偏大等現(xiàn)象，通過優(yōu)化車輛計算模型提出較優(yōu)的車輛懸掛參數(shù)。喬紅剛等［2］通過抗蛇行減振器臺架性能測試及動力學(xué)仿真分析，對動車組車輛異常抖動原因進(jìn)行研究。許自強(qiáng)［3］、董孝卿［4］等采用理論計算方法分析了不同輪廓匹配時等效錐度對車輛蛇行頻率的影響，得出不同速度級下車輪踏面服役等效錐度建議限值。吳會超等［5］從車輪鏇修角度出發(fā)，改善轉(zhuǎn)向架運(yùn)行環(huán)境，解決車體異常振動問題。李凡松等［6］研究建議通過提升新設(shè)計高速動車組車體一階菱形模態(tài)頻率，提升動車組車體對磨耗車輪和異常線路的適應(yīng)性。王軍平等［7-9］通過對高速鐵路實(shí)施鋼軌廓形打磨以改善輪軌接觸關(guān)系，解決車體異常振動問題。郝宏志［10］通過對動車組車輪踏面、車輛平穩(wěn)性和振動測試方面的分析，在車輪鏇修、鋼軌打磨方面給出了整治動車組車體抖動的建議。根據(jù)既有研究，鋼軌打磨可以修正鋼軌廓形、提高線路平順性，有效改善輪軌接觸關(guān)系，提高列車平穩(wěn)性和乘坐舒適性［11-14］。然而，針對不同線路工況、不同磨耗輪軌匹配、實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的驗(yàn)證等研究仍相對不足。

針對某高速鐵路動車組車體抖動問題，對固定動車組車輛進(jìn)行跟蹤測試，定期采集隧道工況、坡道工況、曲線工況及普通工況下車體振動加速度，采集鏇輪后不同時期的車輪踏面和打磨前后鋼軌廓形，對不同線路工況下、不同輪軌匹配情況下的車體振動加速度特征進(jìn)行分析，通過建模仿真對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 不同線路工況實(shí)測車體振動加速度

某高速鐵路隧道占線路總長35%以上，最大坡度超過20‰。開通前進(jìn)行了鋼軌預(yù)打磨，開通一段時間后，部分動車組車體抖動明顯，主要體現(xiàn)為車體橫向、垂向復(fù)合異常振動。通過添乘定期采集隧道工況、坡道工況（坡度20‰以上）、曲線工況和普通工況（非隧道、坡度6‰以下、直線）下車體振動加速度，平穩(wěn)性測試儀放置為1車2位轉(zhuǎn)向架左側(cè)地板面（距離轉(zhuǎn)向架中心1 m）［15］。以普通工況為基準(zhǔn)，對比研究不同線路工況下動車組車體振動加速度數(shù)據(jù)。

1.1 隧道工況

隧道工況與普通工況車體振動加速度幅值見圖1。隧道工況下車體振動加速度幅值相對普通工況明顯增大，橫向、垂向振動加速度均方根值分別增大約68%和86%。

隧道工況與普通工況車體振動加速度頻譜見圖2。2種工況下車體振動加速度主頻基本吻合，橫向加速度主要為1～2 Hz，垂向加速度主要為8～12 Hz、隧道工況下在12 Hz集中分布。隧道工況下，二者頻譜幅值相比普通工況均顯著增大。

圖2 隧道工況與普通工況車體振動加速度頻譜

1.2 坡道工況

坡道工況與普通工況車體振動加速度幅值見圖3。坡道工況下車體振動加速度相對普通工況有少量增加，車體橫向、垂向振動加速度均方根值分別增大約8%和12%。

圖3 坡道工況與普通工況車體振動加速度幅值

坡道工況與普通工況車體振動加速度頻譜見圖4。2種工況下車體振動加速度主頻基本吻合，車體橫向加速度主頻為1～2Hz，垂向加速度主頻為1～2Hz與8～12Hz。坡道工況下車體振動加速度頻譜幅值明顯增大。

1.3 曲線工況

曲線工況與普通工況車體振動加速度幅值見圖5。坡道工況下車體振動加速度相對普通工況有少量增加，車體橫向、垂向振動加速度均方根值分別增大約9%與11%。車輛通過曲線時在離心力的作用下出現(xiàn)了未被平衡的橫向加速度，因此車體橫向振動加速度整體向負(fù)方向發(fā)生偏移。

圖4 坡道工況與普通工況車體振動加速度頻譜

圖5 曲線工況與普通工況車體振動加速度幅值

曲線工況與普通工況車體振動加速度頻譜見圖6。2種工況下車體振動加速度主頻基本吻合，車體橫向加速度主頻為1～2 Hz與10 Hz，垂向加速度主頻為1～2 Hz與8～14 Hz。曲線工況下車體振動加速度頻譜幅值明顯增大。

圖6 曲線工況與普通工況車體振動加速度頻譜

2 不同磨耗車輪踏面實(shí)測車體振動加速度

選取鏇輪后運(yùn)行8.69萬km和23.7萬km時車體振動加速度幅值進(jìn)行分析（見圖7，此時間段未進(jìn)行鋼軌打磨）。鏇輪后運(yùn)行23.7萬km時車體振動加速度幅值明顯增大，橫向、垂向加速度均方根值分別增大18%和21%。

2次采集數(shù)據(jù)車體振動加速度頻譜見圖8。車輪踏面不同磨耗階段車體振動加速度主頻基本吻合，車體橫向、垂向振動加速度主頻為1～2 Hz與8～14 Hz。鏇輪后運(yùn)行23.7萬km時車體振動加速度頻譜幅值相比8.69萬km時明顯增大。

圖7 不同磨耗車輪踏面車體振動加速度幅值

圖8 不同磨耗車輪踏面車體振動加速度頻譜

3 鋼軌打磨前后車體振動加速度

以實(shí)測車輪踏面和車輛線路參數(shù)為依據(jù)，充分考慮輪軌接觸關(guān)系、輪軌接觸應(yīng)力和輪軌蠕滑，設(shè)計得到適合該高速鐵路的最佳鋼軌廓形，按設(shè)計廓形對鋼軌進(jìn)行了打磨，打磨前后鋼軌廓形見圖9。

為研究鋼軌打磨對車體振動加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)的影響，采集了打磨前后同一動車組運(yùn)行至同一區(qū)間時車體振動加速度（見圖10）及平穩(wěn)性指標(biāo)（見圖11），65～95 s為隧道工況，其他為普通工況。

圖9 打磨前后實(shí)測鋼軌廓形

鋼軌打磨后動車組車體橫向、垂向加速度幅值以及橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均相比打磨前明顯減小?？梢婁撥壌蚰タ捎行д诬圀w抖動問題、提高動車組運(yùn)行平穩(wěn)性。

鋼軌打磨前后輪軌接觸光帶分布對比見圖12。打磨前左右股光帶顯著不對稱：左股光帶寬約45 mm且偏內(nèi)，右股光帶寬約25 mm且偏外；打磨后左右股光帶寬約30 mm、居中對稱。

圖12 鋼軌打磨前后輪軌接觸光帶分布

4 輪軌接觸關(guān)系及動力學(xué)分析

在定期添乘當(dāng)天分別采集同一動車組鏇輪后2.36、8.69、18.6、23.7萬km時的車輪踏面，踏面磨耗情況見圖13。車輪踏面磨耗主要發(fā)生在滾動圓位置附近，磨耗形式主要為踏面凹形磨耗伴隨輕微輪緣磨耗。鏇輪后運(yùn)行23.7萬km時，踏面最大磨耗值已達(dá)2.09 mm，踏面中間最低位置已低于踏面外側(cè)，形成“假輪緣”。最大輪緣磨耗約0.58 mm。

分析鏇輪后不同時期實(shí)測車輪踏面和打磨前后鋼軌廓形接觸關(guān)系及等效錐度（見圖14）。鋼軌打磨前等效錐度隨車輪磨耗逐漸增大，鏇輪后運(yùn)行18.6萬km后超過0.400，鏇輪后運(yùn)行23.7萬km后已經(jīng)達(dá)到0.413。鋼軌打磨后，等效錐度隨車輪磨耗增加基本維持在穩(wěn)定水平，最大不超過0.200。根據(jù)文獻(xiàn)［4］的研究，等效錐度超過0.400以后動車組極易出現(xiàn)車體抖動現(xiàn)象。因此鋼軌打磨可有效抑制等效錐度隨車輪踏面磨耗的不斷增大，從而減小車體抖動現(xiàn)象出現(xiàn)的可能。

鏇輪后2.36萬km車輪踏面和打磨前后鋼軌廓形匹配時接觸關(guān)系見圖15。打磨前軌頂接觸位置較為分散并存在交叉跳躍，有可能引起車輛抖動；打磨后輪軌接觸分布集中在軌頂位置，接觸關(guān)系明顯改善。

圖13 動車組車輪踏面磨耗情況

圖14 鏇輪后不同時期車輪踏面和打磨前后鋼軌匹配等效錐度

圖15 鏇輪后2.36萬km車輪與打磨前后鋼軌廓形匹配

鏇輪后23.7萬km車輪踏面和打磨前后鋼軌廓形匹配時接觸關(guān)系見圖16。此時車輪踏面凹形磨耗量約2.09 mm，與打磨前后鋼軌匹配等效錐度分別為0.413和0.142。鋼軌打磨前等效錐度過大，且軌頂接觸位置極為分散并存在明顯的跳躍情況，在凹型磨耗的車輪兩側(cè)會出現(xiàn)2個不同的接觸帶，極有可能引起車輛抖動；打磨后等效錐度顯著降低，輪軌接觸關(guān)系明顯改善，但接觸位置仍相對分散。

圖16 鏇輪后23.7萬km車輪與打磨前后鋼軌廓形匹配時接觸關(guān)系

4種輪軌匹配情況下，鏇輪后運(yùn)行23.7萬km車輪踏面和打磨前鋼軌廓形匹配時接觸關(guān)系最差，該情況下不同橫移量x下輪軌接觸位置見圖17（向左移動為負(fù)）。在很小的橫移量下，右股輪軌接觸位置即發(fā)生顯著跳躍，變化最大可達(dá)20 mm，導(dǎo)致車輪相對于鋼軌有一個較大的橫移量和加速度，極可能導(dǎo)致車輛出現(xiàn)異常振動，甚至發(fā)生蛇行失穩(wěn)。

以該高速鐵路運(yùn)營動車組為原型，在多體動力學(xué)軟件Simpack中建立車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型。模型中主要部件包括1個車體、2個構(gòu)架、8個軸箱以及4個輪對。各部件間約束關(guān)系（自由度）、聯(lián)結(jié)關(guān)系（懸掛力）以及各種線性與非線性因素等均在模型中有完整體現(xiàn)。模型中車輪踏面為鏇輪后2.36萬km和23.7萬km后實(shí)測踏面，鋼軌廓形為打磨前后實(shí)測廓形。

圖17 鏇輪后23.7萬km車輪踏面與打磨前鋼軌匹配接觸位置

計算不同車輪踏面影響時，鋼軌廓形統(tǒng)一選擇打磨前實(shí)測廓形。由仿真計算結(jié)果可知，鏇輪后23.7萬km時車體振動加速度相比鏇輪后2.36萬km時明顯增大（見圖18），加速度主頻基本吻合、頻譜幅值明顯增大（見圖19）。

圖18 不同車輪踏面車體振動加速度

圖19 不同車輪踏面車體振動加速度頻譜幅值

計算鋼軌打磨的影響時，車輪踏面統(tǒng)一選擇鏇輪后23.7萬km時實(shí)測踏面。由仿真計算結(jié)果可知，鋼軌打磨后，車體振動加速度明顯減?。ㄒ妶D20），加速度主頻基本吻合、12.6 Hz振動主頻基本消除（見圖21）。

根據(jù)輪軌接觸關(guān)系及動力學(xué)分析結(jié)果可知，車輪鏇修及鋼軌打磨均可提高動車組運(yùn)行平穩(wěn)性、改善動車組運(yùn)行動力學(xué)指標(biāo)。

圖20 鋼軌打磨前后車體振動加速度

圖21 鋼軌打磨前后車體振動加速度頻譜幅值

5 結(jié)論

（1）該高速鐵路動車組車體橫向、垂向振動加速度主頻分布在1～2 Hz與8～14 Hz，在隧道工況下幅值明顯大于其他工況且體感抖動明顯，坡道工況和曲線工況下幅值相比普通工況增加10%左右。具體原因和整治措施研究應(yīng)在后續(xù)工作中繼續(xù)開展。

（2）鏇輪后23.7萬km時車輪踏面磨耗達(dá)到2.09 mm。隨車輪踏面磨耗逐漸增大，實(shí)測車體振動加速度逐漸增大，輪軌接觸關(guān)系逐漸惡化，與未廓形打磨鋼軌匹配時尤為明顯。

（3）鋼軌廓形打磨可改善輪軌接觸關(guān)系，減小動車組車體振動加速度，提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性，改善輪軌接觸光帶。

（4）車輪鏇修和鋼軌廓形打磨均可降低等效錐度、有效改善輪軌接觸關(guān)系，對整治高速鐵路動車組抖動問題均有顯著作用。