龔繼軍， 孫建峰， 王軍平， 鐘浩， 胥夕明， 譚皓尹

（1. 中鐵物軌道科技服務集團有限公司，四川成都 610031；2. 西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031）

1 概述

近年來，隨著動車組運行速度持續(xù)提高，對車輛蛇行運動安全性和穩(wěn)定性提出了更高要求［1-5]。車輛蛇行運動穩(wěn)定性直接影響蛇行失穩(wěn)臨界速度［6]，動車組一旦失穩(wěn)或設計的穩(wěn)定性裕量不足，將嚴重影響車輛運行品質，引起車輛出現(xiàn)異常抖動。特別是越來越多的高速線路，由于長期未打磨或打磨質量不高，引起輪軌關系不良，極易出現(xiàn)動車組異常抖動問題［7-10]。

成貴客專自開通運營以來，彭山北站高速通過正線道岔時部分列車出現(xiàn)車體異常抖動現(xiàn)象，動車組異常抖動集中出現(xiàn)在道岔區(qū)域，且都是鏇輪后運行里程較長的車次。2019年4月對該區(qū)段鋼軌狀態(tài)進行了檢測。檢測發(fā)現(xiàn)：鋼軌廓形質量較低，測量廓形與標準廓形的偏差值均在0.7 mm 以上，最大偏差值達到1.5 mm，鋼軌光帶均在46 mm 以上，最寬可達55 mm，部分區(qū)段鋼軌同股前后及左右股光帶寬度差異可達9 mm；計算可知廓形打磨前實測鋼軌廓形與凹型磨耗較為嚴重的車輪踏面匹配以后，等效錐度偏大。

2 動車組異常抖動原因分析

2.1 鋼軌廓形及表面狀態(tài)

打磨前對異常抖動區(qū)段的鋼軌廓形進行采集，與打磨前標準60 軌的對比見圖1，可以看出，實測廓形比標準軌廓內側高1.5 mm左右。

圖1 鋼軌廓形對比

同時對異常抖動區(qū)段鋼軌光帶進行采集（見圖2），測量結果顯示異常抖動區(qū)段光帶寬度均在46 mm 以上，最大寬度達到55 mm。

圖2 鋼軌光帶

2.2 車體振動測試結果

2019年4 月鋼軌廓形打磨前對成貴客專動車組某車次（鏇輪后運行20萬km左右）進行了動態(tài)添乘跟蹤測試，分析車體振動性能。測試結果見圖3、圖4，可以看出，廓形打磨前成貴客專動車組車體在橫向、垂向確實存在振動幅值較大、車體異常振動現(xiàn)象，振動主頻為8～9 Hz。

圖3 實測車體橫向加速度STFT變化結果

2.3 輪軌關系分析

對發(fā)生異常抖動動車組的踏面進行了測量，發(fā)生異常抖動動車組新車車輪和異常抖動實測磨耗車輪踏面對比情況見圖5。

圖4 實測車體垂向加速度STFT變化結果

圖5 車輪踏面對比結果

成貴客專鋼軌打磨前實測鋼軌廓形分別與磨耗車輪、新輪匹配時的輪軌關系計算結果見圖6、圖7?？梢钥闯?，廓形打磨前成貴客專實測鋼軌廓形與磨耗車輪匹配時等效錐度高達0.456，輪對在較小橫移量時就會在軌肩位置接觸，極易導致車輛發(fā)生二次蛇形失穩(wěn)，車輛易產生嚴重異常抖動；廓形打磨前成貴客專實測鋼軌廓形與新輪匹配時等效錐度為0.198，不會導致轉向架產生二次蛇行失穩(wěn)。

圖6 輪軌接觸對匹配結果

2.4 小結

分析可知，成貴客專鋼軌廓形打磨前抖車區(qū)域特別是在彭山北站的抖車嚴重時刻，車體橫向、垂向加速度均存在8～9 Hz的振動主頻，據(jù)動車組廠家介紹該型車的一階菱形模態(tài)也在8～9 Hz，現(xiàn)場實測鋼軌廓形與凹型磨耗踏面匹配時等效錐度均在0.450 以上，動車組運行至此區(qū)段必然發(fā)生二次蛇行失穩(wěn)。

圖7 等效錐度計算結果

3 鋼軌廓形偏差值研究

現(xiàn)場測量結果表明，成貴客專動車組運行至彭山北站時，由于鋼軌廓形質量較差，急需通過打磨進行緩解，提高車輛通過時旅客的乘車舒適度。根據(jù)現(xiàn)場調查結果制定了個性化的鋼軌廓形打磨策略，對打磨后鋼軌的偏差值進行初步研究（主要針對抖動工況）。

3.1 研究方法

為了便于尋求成貴客專動車組異常抖動區(qū)段鋼軌廓形的打磨限值，采用線性差值方法分別將實測抖車區(qū)段鋼軌廓形欠打磨與標準廓形進行插值擬合（見圖8），研究鋼軌廓形偏差限值。

圖8 鋼軌廓形插值結果

3.2 輪軌關系分析結果

將插值結果分別與成貴客專動車組實測車輪踏面進行匹配，計算各偏差廓形的等效錐度曲線（見圖9），圖中紅點對應每個插值廓形與磨耗車輪計算的等效錐度數(shù)值。由圖9可知，隨著鋼軌內側廓形欠打磨量的增大，等效錐度數(shù)值也逐漸變大。

3.3 打磨前構架加速度仿真計算結果

將插值結果分別與成貴客專動車組實測踏面進行匹配，在動力學仿真軟件中計算各偏差廓形對應的構架加速度振動情況（見圖10、圖11）?？梢钥闯?，成貴客專動車組在鋼軌廓形2 處與車輪匹配時，動力學仿真結果表明動車組處于臨界狀態(tài)，當鋼軌廓形欠打磨量大于廓形2 時，動車組就會發(fā)生抖車現(xiàn)象，初步可以得出成貴客專該型動車組輪軌匹配的等效錐度值最大不能超過0.380。因此，對成貴客專進行廓形打磨時必須對鋼軌廓形偏差值進行控制，避免與動車組進行匹配時出現(xiàn)由于等效錐度過大而抖車的情況。

4 廓形打磨分析治理效果

4.1 鋼軌廓形質量

以彭山北站下行9 號道岔鋼軌廓形質量指數(shù)（Grinding Quality Index，GQI）指標為例，9號道岔左右股廓形打磨前鋼軌GQI指標較低，平均分為38.8，鋼軌廓形與設計廓形存在明顯差異。打磨前、打磨后1周對成貴客專彭山北站9號道岔岔前鋼軌廓形進行測量（見圖12），廓形打磨后鋼軌GQI 指標得到極大提高，提升至90.0分以上。

圖10 構架橫向加速度計算結果

圖11 構架橫向加速度時頻計算結果

圖12 打磨前后鋼軌GQI指標

4.2 鋼軌表面狀態(tài)

打磨前、打磨后一周對彭山北站9號道岔鋼軌表面狀態(tài)進行記錄觀測，觀測結果見圖13。可以看出，打磨前軌面滿光帶，輪軌關系不良；打磨后接觸位置較為合理，光帶寬度分布居中，寬度為20～30 mm，輪軌關系得到較好改善。

4.3 輪軌匹配計算結果

打磨后鋼軌實測廓形與磨耗車輪、新輪匹配時的輪軌關系計算結果見圖14、圖15?？梢钥闯?，打磨后實測鋼軌廓形與新輪、磨耗車輪匹配時，按照UIC 519 規(guī)定算法計算出輪軌匹配等效錐度值分別為0.100、0.153，輪對在較小橫移量時不會在軌肩位置接觸，不會導致轉向架由于等效錐度過大引起二次蛇行失穩(wěn)。

4.4 振動測試結果

實測某車次動車組2019年4月和6月的打磨前后車體振動變化情況見圖16。

可以看出，廓形打磨前存在8～9 Hz 主頻；廓形打磨后，該車次高速通過彭山北站正線道岔時車體無明顯主頻，動態(tài)添乘效果良好。

圖13 打磨前后鋼軌表面狀態(tài)變化情況

圖14 打磨后輪軌接觸對匹配結果

圖15 打磨后等效錐度計算結果

圖16 車體橫向加速度頻譜

5 結論與展望

針對成貴客專動車組運行時存在車體異常抖動情況進行分析，現(xiàn)場針對動車組異常抖動區(qū)段的軌面狀態(tài)、鋼軌廓形結合車輪踏面狀態(tài)進行詳細調查，分析異常抖動產生的機理，對成貴客專廓形打磨的偏差限值進行研究。最后通過制定個性化的廓形打磨策略對異常抖動區(qū)段鋼軌進行了打磨。主要結論如下：

（1）成貴客專動車組異常抖動主要原因是動車組轉向架發(fā)生了二次蛇行失穩(wěn)。廓形打磨前實測鋼軌廓形與磨耗車輪匹配時等效錐度高達0.456，輪對在較小橫移量時就會在軌肩位置接觸，車輛易產生嚴重異常抖動。

（2）計算得出成貴客專運行該型動車組的等效錐度最大不能超過0.380。因此，打磨時必須對鋼軌廓形偏差值進行控制，避免與動車組進行匹配時出現(xiàn)由于等效錐度過大而引起晃車或抖車情況。

（3）廓形打磨后，岔區(qū)左右股鋼軌GQI 值較打磨前提升70%以上，鋼軌接觸光帶分布合理，表面狀態(tài)得到明顯改善。

（4）廓形打磨后實測廓形與新輪、磨耗車輪匹配時接觸位置均更為合理，等效錐度得到合理控制，輪軌關系得到較好改善。

（5）廓形打磨后，動車組高速通過彭山北站正線道岔時車體均無明顯主頻，動態(tài)添乘效果良好。

高速鐵路鋼軌打磨應嚴檢慎修，打磨前必須對打磨區(qū)段進行詳細、全方位調查，打磨過程中應嚴格盯控，確保打磨方案正確實施，使鋼軌打磨效果達到最優(yōu)。