某型動車組制動盤異常振動分析及緩解措施研究*

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，車輛異常振動現(xiàn)象也出現(xiàn)明顯變化，從最初的車體低頻晃動到構(gòu)架蛇行失穩(wěn)，發(fā)展到近兩年問題較突出的螺栓松動、裂紋、脫落等高頻異常振動問題。國外對輪軌高頻振動研究較早，J.Kalousek[1-3]等在1992年已開始對車輪多邊形現(xiàn)象進(jìn)行研究，我國對高頻振動研究起步雖然較晚，但金學(xué)松[4-6]等近年對車輪多邊形現(xiàn)象開展了大量研究，中國鐵道科學(xué)研究院對輪軌高頻振動開展了大量調(diào)查研究工作[7-8]。

研究車輛異常振動產(chǎn)生機(jī)理固然重要，但通過現(xiàn)象找到影響其振動的原因，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車組在運(yùn)營時的制動盤異常振動為例，研究緩解高頻異常振動的方法。

1 試驗(yàn)設(shè)計

某型動車組在蘭新高速鐵路運(yùn)營過程中部分車輛出現(xiàn)制動盤螺栓異常斷裂現(xiàn)象。為盡快消除安全隱患，首先對制動盤進(jìn)行了線路振動測試和整備狀態(tài)模態(tài)測試與分析，發(fā)現(xiàn)制動盤存在固定主頻的異常振動現(xiàn)象，該頻率與其固有頻率相似，即制動盤在車輛運(yùn)營過程中出現(xiàn)了共振現(xiàn)象。隨后對輪軌幾何狀態(tài)進(jìn)行了測試和分析，尋找引起制動盤出現(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 車輛振動測試分析

2.1 振動測試分析

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

圖1 制動盤頻譜

圖2 制動盤頻譜對比

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

圖3 特定區(qū)段頻譜對比

圖4 特定區(qū)段不同測點(diǎn)頻譜對比

2.2 模態(tài)測試分析

如圖5和圖6所示，采用錘擊法對整備狀態(tài)下的制動盤和車輪進(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頻譜主頻相似，初步推斷制動盤在上述兩個頻率附近出現(xiàn)了共振現(xiàn)象。

圖5 制動盤模態(tài)試驗(yàn)

圖6 制動盤模態(tài)穩(wěn)態(tài)圖

部件階數(shù)1234制動盤頻率/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

對于鐵路車輛，輪軌是其主要的激勵源之一，為尋找引起制動盤共振的原因，對制動盤所在轉(zhuǎn)向架車輪進(jìn)行了多邊形測試，同時對線路某些特殊區(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運(yùn)行，經(jīng)調(diào)研，該型動車組在高速鐵路主要以193 km/h速度運(yùn)行，此時車輪多邊形激擾頻率為510～549 Hz，與制動盤的固有頻率528 Hz基本吻合，鋼軌波磨激擾頻率為766～894 Hz,與制動盤852 Hz車輪845 Hz基本吻合。該現(xiàn)象與實(shí)測振動數(shù)據(jù)相同，因此初步推斷制動盤異常振動是由于車輪多邊形和鋼軌波磨頻率與制動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，對被試車輛車輪進(jìn)行了旋修，隨后又進(jìn)行了線路振動測試，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，從而避開制動盤固有頻率。改變結(jié)構(gòu)固有頻率，即更改制動盤模態(tài)頻率，使其與原激擾頻率不發(fā)生耦合。

圖10 旋修前后頻譜圖對比

圖11 旋修前后振動加速度數(shù)值對比

5 結(jié) 論

車輛出現(xiàn)明顯異常振動，大部分是由于結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率與系統(tǒng)激勵頻率耦合引起的，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會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)段加速度波形對比