動(dòng)車(chē)組車(chē)輛低頻橫向晃動(dòng)分析及改進(jìn)措施

李曉峰 李國(guó)棟 宋春元 呂 義 崔利通

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司工程研究中心， 130062， 長(zhǎng)春//第一作者，工程師)

自2007年高速動(dòng)車(chē)組在我國(guó)投入運(yùn)行以來(lái)，總體運(yùn)行狀態(tài)良好，但在運(yùn)用中個(gè)別車(chē)輛在個(gè)別區(qū)段出現(xiàn)了不同程度的車(chē)輛低頻橫向晃動(dòng)問(wèn)題，影響了旅客的乘坐舒適性。工程師和學(xué)者們針對(duì)該問(wèn)題通過(guò)理論分析、仿真模擬、線路測(cè)試等方法進(jìn)行了深入的研究，研究方向主要集中在車(chē)輛穩(wěn)定性、懸掛參數(shù)優(yōu)化、輪軌匹配不良等[1-5]，但一般僅局限于某一類問(wèn)題，沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

本文首先對(duì)車(chē)輛晃動(dòng)的機(jī)理進(jìn)行分析，利用變參方法獲得了影響車(chē)輛晃動(dòng)因素的敏感度。在考慮實(shí)際運(yùn)用和敏感度情況下，對(duì)近年來(lái)在運(yùn)用過(guò)程中出現(xiàn)由車(chē)輪鏇修、鋼軌打磨、摩擦系數(shù)變化等輪軌關(guān)系引起的車(chē)輛晃動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行原因分析，提出相應(yīng)的解決措施，并對(duì)后續(xù)車(chē)輛設(shè)計(jì)和運(yùn)維管理提出建議。

1 車(chē)輛橫向晃動(dòng)

我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組自投入運(yùn)行以來(lái)，個(gè)別動(dòng)車(chē)組尤其是車(chē)輪新鏇修后的動(dòng)車(chē)組，在部分運(yùn)行區(qū)段出現(xiàn)車(chē)輛低頻橫向晃動(dòng)現(xiàn)象。車(chē)輛晃動(dòng)時(shí)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)大于2.5，車(chē)體橫向出現(xiàn)明顯的諧波振動(dòng)(見(jiàn)圖1)。

a) 平穩(wěn)性

b) 振動(dòng)加速度

通過(guò)對(duì)動(dòng)車(chē)組出現(xiàn)的車(chē)輛橫向低頻晃動(dòng)問(wèn)題歸納分析(見(jiàn)圖2)發(fā)現(xiàn)：車(chē)輛晃動(dòng)時(shí)主頻集中在1～3 Hz，晃動(dòng)形式以車(chē)體搖頭、側(cè)滾等為主；晃動(dòng)原因可能主要與輪軌型面維護(hù)、轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)選型、軌道狀態(tài)等輪軌關(guān)系有關(guān)。

圖2 車(chē)輛晃動(dòng)問(wèn)題歸納分析框圖

輪軌關(guān)系作為關(guān)鍵影響因素，既涉及輪軌型面的設(shè)計(jì)和維護(hù)，也包括輪軌間摩擦系數(shù)變化帶來(lái)的影響，且不同工況下引發(fā)的車(chē)輛晃動(dòng)也存在差異。

將輪軌關(guān)系作為車(chē)輛晃動(dòng)的激勵(lì)輸入，則可通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)選型來(lái)抑制車(chē)輛橫向低頻晃動(dòng)。

2 晃動(dòng)機(jī)理分析

車(chē)輛系統(tǒng)的蛇行運(yùn)動(dòng)一般表現(xiàn)為前后轉(zhuǎn)向架同相運(yùn)動(dòng)和反相蛇行運(yùn)動(dòng)兩種振型,這兩種運(yùn)動(dòng)的頻率相近,車(chē)體則表現(xiàn)為搖頭和滾擺運(yùn)動(dòng)。當(dāng)蛇行頻率較低時(shí)，與車(chē)體懸掛模態(tài)頻率(0.5～2.0 Hz)接近，當(dāng)蛇行運(yùn)動(dòng)阻尼不足時(shí)，則車(chē)體易發(fā)生明顯晃動(dòng)，通常稱為一次蛇行，也稱為車(chē)體蛇行[6]。當(dāng)蛇行頻率較低并與上心滾擺模態(tài)頻率接近時(shí)，會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛出現(xiàn)異常低頻橫向晃動(dòng)。動(dòng)車(chē)組出現(xiàn)的車(chē)輛低頻橫向晃動(dòng)問(wèn)題多數(shù)屬于一次蛇行問(wèn)題。圖3所示為車(chē)輛蛇行和車(chē)體懸掛模態(tài)的分布。

圖3 車(chē)輛蛇行頻率與車(chē)體模態(tài)頻率分布

2.1 晃動(dòng)因素的敏感度

車(chē)輛蛇行運(yùn)動(dòng)和車(chē)體懸掛模態(tài)的計(jì)算可以通過(guò)理論公式、仿真計(jì)算、臺(tái)架試驗(yàn)獲得，車(chē)體主要懸掛模態(tài)浮沉、點(diǎn)頭、搖頭等理論計(jì)算公式參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。一般引起動(dòng)車(chē)組橫向晃動(dòng)的懸掛模態(tài)包括車(chē)體搖頭模態(tài)(頻率0.9～1.0 Hz)和上心滾擺模態(tài)(頻率1.3～1.6 Hz)。

通過(guò)建立車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)模型，可對(duì)車(chē)輛晃動(dòng)進(jìn)行仿真模擬，得到引起車(chē)輛晃動(dòng)的主要因素及其敏感度。利用變參方法，可獲得影響因素在不同變化比例下車(chē)輛平穩(wěn)性的變化程度。

經(jīng)初步計(jì)算，發(fā)現(xiàn)因素的影響基本呈線性規(guī)律，故利用以下參數(shù)變化范圍內(nèi)的平穩(wěn)性變化率來(lái)描述敏感度。

式中：

Wsens——平穩(wěn)性隨參數(shù)變化敏感度；

Wbegin、Wend——開(kāi)始、結(jié)束時(shí)參數(shù)變化對(duì)應(yīng)的平穩(wěn)性變化比；

Pbegin、Pend——開(kāi)始、結(jié)束時(shí)參數(shù)變化比。

Wsens負(fù)值表示平穩(wěn)性變化與參數(shù)呈負(fù)相關(guān)，正值表示與參數(shù)呈正相關(guān)，絕對(duì)值值越大，表示敏感度越高。

根據(jù)圖4所示結(jié)果可知，輪軌匹配等效錐度對(duì)車(chē)輛晃動(dòng)影響較大，且與之呈負(fù)相關(guān)，即等效錐度偏小時(shí)，平穩(wěn)性指標(biāo)偏大，易引起車(chē)輛晃動(dòng)。由于其他與車(chē)體相關(guān)參數(shù)在車(chē)輛出廠后很難調(diào)整，因此，還是應(yīng)該從輪軌關(guān)系角度出發(fā)，分析并提出解決車(chē)輛晃動(dòng)問(wèn)題的措施。

圖4 車(chē)輛晃動(dòng)因素敏感度分布

2.2 輪軌摩擦系數(shù)的影響

動(dòng)車(chē)組在北方秋冬季節(jié)清晨或大霧天氣運(yùn)行時(shí)曾出現(xiàn)車(chē)輛晃動(dòng)現(xiàn)象，晃動(dòng)主頻約1～2 Hz，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)大于2.5，尤其在車(chē)輪新鏇修后發(fā)生的頻率較高。通過(guò)仿真計(jì)算，分析輪軌摩擦系數(shù)對(duì)輪軌蠕滑和車(chē)輛蛇行模態(tài)的影響，揭示摩擦系數(shù)對(duì)車(chē)輛晃動(dòng)影響的機(jī)理。

2.2.1 輪軌蠕滑

隨著輪軌摩擦系數(shù)的增加，蠕滑飽和對(duì)應(yīng)的蠕滑率顯著增大，而且在線性段的蠕滑力斜率增大。當(dāng)輪軌摩擦系數(shù)較低時(shí)，輪軌間不能提供足夠的蠕滑力來(lái)約束輪對(duì)的運(yùn)動(dòng)行為，從而在激擾條件下輪對(duì)容易發(fā)生蛇行運(yùn)動(dòng)。當(dāng)摩擦系數(shù)增大后，由于運(yùn)行速度遠(yuǎn)低于車(chē)輛臨界速度，蠕滑力增加起到保持動(dòng)車(chē)組穩(wěn)定運(yùn)行的作用，車(chē)輛晃動(dòng)現(xiàn)象也隨之消失。實(shí)際運(yùn)用中也證實(shí)，隨著摩擦系數(shù)的提高，車(chē)輛晃動(dòng)也隨之消失。

2.2.2 車(chē)輛蛇行模態(tài)

仿真結(jié)果表明(見(jiàn)圖5)，車(chē)輛在200 km/h左右的蛇行運(yùn)動(dòng)阻尼比最小，且隨著摩擦系數(shù)的增加，阻尼比增大。當(dāng)摩擦系數(shù)較低時(shí)，車(chē)輛蛇行運(yùn)動(dòng)阻尼比不足，容易發(fā)生橫向晃動(dòng)，這已被實(shí)際出現(xiàn)的問(wèn)題所驗(yàn)證。

a) 三維面圖b) 等值線圖

圖5 輪軌摩擦系數(shù)對(duì)車(chē)輛蛇行運(yùn)動(dòng)阻尼比的影響

3 改進(jìn)措施

3.1 經(jīng)濟(jì)性鏇修改進(jìn)

隨著車(chē)輛運(yùn)行里程增加，輪緣厚度因磨耗不斷減小。如果在車(chē)輪鏇修時(shí)采用踏面原型，則直徑鏇修量較大，會(huì)直接影響車(chē)輪的使用壽命，導(dǎo)致部分車(chē)輪在動(dòng)車(chē)組一個(gè)高級(jí)修周期內(nèi)不能滿足運(yùn)用年限要求。目前動(dòng)車(chē)組鏇修時(shí)一般采用薄輪緣經(jīng)濟(jì)性鏇修方案，即針對(duì)不同輪緣厚度提出一系列踏面常工作區(qū)域相同、僅輪緣區(qū)域不同的車(chē)輪鏇修方案。

國(guó)內(nèi)某動(dòng)車(chē)組在鏇修后的試運(yùn)行期，發(fā)現(xiàn)部分車(chē)輛存在橫向晃動(dòng)(以滾擺形式為主)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)約為2.50～2.75，直接影響乘客的乘坐舒適性。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，車(chē)輪鏇修時(shí)按照鏇床程序自帶經(jīng)濟(jì)性鏇修程序，參照EN 13715標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鏇修，通過(guò)將踏面區(qū)域向輪緣減薄方向平移實(shí)現(xiàn)薄輪緣方案[1]，使踏面實(shí)際接觸區(qū)域發(fā)生了一定變化，導(dǎo)致等效錐度較原型踏面低約0.06。根據(jù)前述分析可知，等效錐度過(guò)低易引起車(chē)輛低頻橫向晃動(dòng)。

動(dòng)車(chē)組在引進(jìn)消化過(guò)程中，國(guó)內(nèi)有關(guān)單位聯(lián)合研制了薄輪緣經(jīng)濟(jì)性踏面外形(見(jiàn)圖6)[1]。該踏面部分保持不變，輪緣過(guò)渡部分利用高次曲線連接，可有效避免踏面區(qū)域平移帶來(lái)的影響。在采用自主設(shè)計(jì)的薄輪緣外形后，與標(biāo)準(zhǔn)軌匹配的效果與原型基本一致，再次試驗(yàn)時(shí)車(chē)輛晃動(dòng)消失。

a) 不同方案踏面外形對(duì)比

b) 標(biāo)準(zhǔn)軌匹配等效錐度

3.2 線路適應(yīng)性改進(jìn)

高速鐵路一般根據(jù)運(yùn)用周期和通過(guò)總重對(duì)鋼軌進(jìn)行定期打磨，通過(guò)打磨修復(fù)減輕軌面損傷，預(yù)防接觸疲勞、波磨等傷害產(chǎn)生，改善輪軌匹配關(guān)系，提高列車(chē)運(yùn)行品質(zhì)[2]。但由于鋼軌打磨方式的限制，其精度略低于車(chē)輪鏇修，打磨后鋼軌廓形與基準(zhǔn)型面仍存在一定的偏差，因此，鋼軌打磨時(shí)需要提出線路適應(yīng)性要求。

國(guó)內(nèi)某客運(yùn)專線鋼軌打磨后，多列動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)均反映在某固定路段存在明顯晃動(dòng)。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該晃動(dòng)形式為滾擺與橫移的耦合，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大超過(guò)3.0，嚴(yán)重影響乘客的乘坐的舒適性。為查明該車(chē)輛橫向晃動(dòng)的原因并改進(jìn)車(chē)輛的線路適應(yīng)性，采取了以下改進(jìn)措施：

(1) 檢查車(chē)輪踏面外形、減振器、抗側(cè)滾扭桿等轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的狀態(tài)，均未發(fā)現(xiàn)異常。

(2) 對(duì)晃動(dòng)區(qū)段的線路進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)鋼軌接觸光帶較窄，僅10～15 mm，且集中在軌頂部位，與標(biāo)準(zhǔn)軌形相比，軌距角側(cè)打磨量偏大(見(jiàn)圖7 a))。經(jīng)實(shí)測(cè)車(chē)輪與鋼軌廓形匹配分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)際匹配等效錐度約0.06，小于車(chē)輛設(shè)計(jì)允許的下限0.08。

(3) 從車(chē)輛適應(yīng)線路的角度出發(fā)，基于實(shí)測(cè)鋼軌打磨后廓形，對(duì)車(chē)輪踏面外形進(jìn)行局部改進(jìn)(見(jiàn)圖7 b))。改進(jìn)后的鋼軌廓形實(shí)際匹配等效錐度約0.09，較改進(jìn)前略有提升，但又不會(huì)因提升較大導(dǎo)致鏇修后期等效錐度增長(zhǎng)較快影響車(chē)輛穩(wěn)定性(見(jiàn)圖7c))。

通過(guò)線路試驗(yàn)驗(yàn)證，采用改進(jìn)措施進(jìn)行鋼軌打磨后，可有效降低車(chē)輛晃動(dòng)(見(jiàn)圖7d))。

a) 鋼軌廓形

b) 車(chē)輪踏面

c) 等效錐度

d) 平穩(wěn)性指標(biāo)

4 結(jié)論

本文針對(duì)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行以來(lái)出現(xiàn)的車(chē)輛橫向低頻晃動(dòng)問(wèn)題，從晃動(dòng)機(jī)理、影響因素、實(shí)際運(yùn)用等方面進(jìn)行機(jī)理分析與仿真分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

(1) 當(dāng)蛇行頻率較低時(shí)，與車(chē)輛懸掛模態(tài)頻率接近，且蛇行運(yùn)動(dòng)阻尼比不足時(shí)，易引起車(chē)輛低頻橫向晃動(dòng)。

(2) 考慮實(shí)際可行性，選擇影響車(chē)輛橫向晃動(dòng)敏感度較高的輪軌關(guān)系進(jìn)行機(jī)理分析，提出通過(guò)自主設(shè)計(jì)的薄輪緣經(jīng)濟(jì)鏇修方案、車(chē)輪踏面線路適應(yīng)性改進(jìn)等措施，可解決車(chē)輪踏面外形變化對(duì)車(chē)輛橫向晃動(dòng)帶來(lái)的影響。另外，也可通合理安排車(chē)輛運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，降低因摩擦系數(shù)較低引發(fā)的車(chē)輛橫向晃動(dòng)。

(3) 建議車(chē)輛和線路維護(hù)部門(mén)控制并提高車(chē)輪和鋼軌修形質(zhì)量；運(yùn)營(yíng)部門(mén)合理安排運(yùn)行車(chē)輛，避免新鏇修車(chē)輛在摩擦系數(shù)較低時(shí)的運(yùn)行；車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從整車(chē)角度重點(diǎn)關(guān)注一次蛇行運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。