地鐵車輛異常振動分析

甘敦文

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081)

振動異常是地鐵車輛動力學性能不良的重要標志，快速、準確定位并處理異常振動具有重要意義。要定位車輛故障，需要進行必要的試驗，具體情況不同試驗方案可能差別很大，但試驗分析的方法往往是相近、可借鑒的。

本文總結(jié)了車輛動力學響應異常分析的一般步驟和綜合方法，結(jié)合實例對分析過程進行了闡述。

1 車輛故障分析的一般步驟和方法

在動力學試驗及故障分析的實踐中，發(fā)現(xiàn)逐步進行的時間歷程分析、速度特性分析、基礎信息匹配、異常類分析、綜合關聯(lián)分析構(gòu)成了車輛動力學性能不良分析的有效過程。

其中:基礎信息一般包含速度、公里標(線況、不平順等)、操縱工況、運行方向、編組信息等，建議以時間為基準進行匹配及修正，詳細的列車監(jiān)控信息及線路信息有助于提供更加全面的分析視角;由于車輛動力學響應與速度關聯(lián)較強，一般可以按速度級進行異常類的劃分及分析;異常類與正常類(或總體)對應的輸出特性、輸入條件的統(tǒng)計結(jié)果，為綜合關聯(lián)的分析提供了依據(jù)和方向;綜合關聯(lián)一般從輸入、傳遞途徑、系統(tǒng)特性優(yōu)化幾個方面入手，綜合關聯(lián)方法以及經(jīng)驗的積累，有利于解決問題能力的持續(xù)提高。

2 地鐵車輛異常振動案例分析

為能更好地對地鐵異常振動問題的解決提供參考，以下結(jié)合實際案例進行詳述。

某類地鐵車輛長期發(fā)生異常垂向振動、人工添乘未能明確原因，采用中國鐵道科學研究院機車車輛研究所(機輛所)研制的平穩(wěn)性指標儀進行了簡易試驗［1］，連續(xù)監(jiān)測某運營車輛2位牽引銷附近的縱、橫、垂向振動情況，儀器依據(jù)GB 5599－85實時計算并存貯了平穩(wěn)性、最大值、有效值等參數(shù)［2-3］;運營公司提供了相應的列控文件及其圖形顯示軟件。在此基礎上，進行了以下分析，快速明確了異常振動來源、找到解決方向。

(1)振動參數(shù)時間歷程分析

目的:明確相關參數(shù)大小的分布情況，得到一個總體的結(jié)論;確認是否有明顯的時變因數(shù)，進而把握數(shù)據(jù)后續(xù)的分析方法。

由平穩(wěn)性指標儀的監(jiān)測結(jié)果，可以很容易地得到該異常振動車輛振動參數(shù)時間歷程分布情況:縱向加速度最大約為0.37g，一般不大于0.25g;橫向加速度最大約為0.38g，一般不大于 0.25g，橫向平穩(wěn)性最大約為3.25，一般不大于 3.0;垂向加速度最大約為 0.51g，垂向平穩(wěn)性最大約為3.2，一般不大于3.0。

總體結(jié)論:該異常振動車輛縱、橫、垂3向加速度最大值均超過0.25g(UIC 518)，特別是垂向振動超標明顯，甚至超過相對較大的機車標準0.36g;平穩(wěn)性為合格，說明超限振動頻率不在人體敏感范圍內(nèi);各項指標分布較均勻，未見明顯時變趨勢，如圖1。

(2)基礎信息匹配

目的:進一步確認振動的特征及來源，需要進行振動與速度、位置、牽引工況等關聯(lián)基礎信息的匹配。

該列車采用了日本東洋電機的監(jiān)控系統(tǒng)，運營部門可以看到列控文件中相關參數(shù)的圖形，但不清楚文件的定義，故此采用了圖像識別的方法提取所需的監(jiān)控信息，如圖2所示。需要強調(diào)的是，監(jiān)控信息的獲取雖然從技術上難度不大，但對動力學性能不良分析以及動車組監(jiān)控技術等的深入研究及運用至關重要。

圖1 垂向加速度最大值時間歷程圖

提取監(jiān)控信息后，根據(jù)時間進行了信息的匹配，時間起點依據(jù)速度、加速度有效值的互相關確定。

(3)振動參數(shù)關于速度的分布

目的:異常振動一般與速度關聯(lián)，通過與速度的關聯(lián)分析可以劃分異常類。

由該異常振動車輛關于速度分布特性，可以得到以下的結(jié)論:垂向加速度在50 km/h后有明顯分類特征(如圖3);縱向及垂向加速度有效值在速度50 km/h后有明顯的分類特征，異常類隨速度直線增加;各振動方向的平穩(wěn)性未見異常，橫向平穩(wěn)性在20 km/h時有局部峰值，垂向平穩(wěn)性在60 km/h時有局部變大。

圖2 監(jiān)控信息的圖像識別

圖3 垂向加速度最大值關于速度的散點圖

(4)振動異常類分析

由振動參數(shù)關于速度的分布，可知車輛縱、垂向加速度在50 km/h后有明顯的分類現(xiàn)象，由于垂向的振動較強烈，先對垂向振動異常類進行分析，以明確異常類對應的來源、工況、位置等信息，為進一步解決問題作準備;

針對50 km/h以上速度級的動力學參數(shù)，使用kmeans法對最大值及有效值進行了分類處理，對最大值得到異常類對應的中心及邊界值為:0.286 7g及0.166 0g，對有效值得到異常類對應的中心及邊界值為0.059 3g 及 0.037 3g。

分別以垂向加速度最大值及有效值類為中心，最大值及有效值類邊界為門檻的樣本劃分如圖4所示，可以看到:kmeans法得到的類中心及類邊界較為合理;加速度最大值及有效值基本對應，說明垂向加速度最大值不是一個短時的突變而是具有一定的持續(xù)時間。

為突出問題的特征，以下采用了垂向最大值及有效值類中心，作為異常類劃分的依據(jù)。圖5～圖9是相關參數(shù)的全樣本及異常類樣本關于速度的散點圖。

通過垂向異常類基本參數(shù)分布的分析，可以得到以下結(jié)論:垂向異常類速度一般大于50 km/h;垂向異常類同時伴隨橫向及縱向振動最大值與有效值的增加，相對而言，垂向異常對縱向的影響更大，如圖5、圖6;垂向異常類對應的各向平穩(wěn)性略大，但影響不明顯，如圖7;垂向異常類一般對應手柄位置為零，如圖8;垂向異常類在某些運行區(qū)段發(fā)生相對較多，如圖9。

從以上可以看到，通過基于國標GB 5599－85的異常類分析已經(jīng)基本明確了發(fā)生異常的相關條件及響應間的關系，由于手柄位不可能一直置為非零，以上分析還未能得到解決響應異常的明確技術方向。

圖4 分類限值比較圖

圖5 縱、橫、垂向加速度最大值及垂向異常類樣本散點圖

圖6 縱、橫、垂向加速度有效值及垂向異常類樣本散點圖

圖7 縱、橫、垂向平穩(wěn)性指標及垂向異常類樣本散點圖

圖8 列車加速度、手柄位置及垂向異常類樣本散點圖

圖9 列車位置及垂向異常類樣本散點圖

考慮到車輛特性分析，JL－W系列平穩(wěn)性指標儀在國標GB 5599－85要求的基礎上還實時計算并記錄了加速度主頻［1］，圖10是試驗得到的縱、橫、垂向加速度主頻及垂向異常類樣本散點圖，其中細虛線是根據(jù)車輛輪徑及速度得到的輪對各階滾動頻率線，可以看到縱、垂向加速度主頻均有圓頻率線聚集的現(xiàn)象;人為畫出的粗虛線與速度無關，可以看到橫向及垂向加速度主頻均有粗虛線聚集的現(xiàn)象，根據(jù)動力學的相關知識可以初步認為，粗虛線對應的頻率是系統(tǒng)固有頻率;垂向振動異常類主頻(圖中圈點)位于輪對2階滾動頻率線與垂向固有頻率線的相交處。

圖10 縱、橫、垂向加速度主頻及垂向異常類樣本散點及分析圖

這樣，針對測試數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論:系統(tǒng)橫向共振頻率約為1.75 Hz及16 Hz左右;垂向振動除有1.25 Hz及13 Hz左右不隨速度變化的主頻外，還有明顯隨速度線性變化的成分，集中在1、2、3倍圓頻率;垂向異常對應垂向主頻線與輪對2倍滾動頻率線的交點，此時在縱向表現(xiàn)為3倍圓頻振動大;系統(tǒng)的垂向異常振動是在某些工況下，輪對的激勵(偏心、不圓等)被異常傳遞且與車輛系統(tǒng)發(fā)生垂向共振所致。

(5)綜合關聯(lián)分析，找到解決方向

①考慮到系統(tǒng)的響應由激勵及系統(tǒng)特性共同決定，異常振動的激勵主要來源于輪對，可以先對輪對進行檢查及修復;

②分析轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，明確不同工況下垂向振動傳遞途徑，得到結(jié)構(gòu)上的解決方案;

③車輛參數(shù)分析以及局部結(jié)構(gòu)的加強及減振。

3 結(jié)束語

要快速、準確分析地鐵車輛異常振動，需要一定的試驗及工程方法支持。本文依據(jù)大量的實測數(shù)據(jù)分別進行了時間歷程分析、速度特性分析、基礎信息匹配、異常類分析、綜合關聯(lián)分析，準確獲得異常振動來源并提供了解決建議，證明這些分析是地鐵車輛動力學性能不良分析的有效過程，這一過程和方法也可有效推廣到其他軌道車輛，對實際問題的解決具有重要參考價值。

［1］ 甘敦文，宮相太，倪純雙.三維加速度及平穩(wěn)性指標儀研制［J］.鐵道機車車輛，2000，(03):35-37.

［2］ GB 5599－85.鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范［S］.

［3］ 倪純雙，黃 強，王悅明，等.機車車輛動力學試驗數(shù)據(jù)分析處理軟件DASO［J］.中國鐵道科學，2004，2(01):28-32.