動車組構(gòu)架橫向報警成因與控制措施研究*

許自強(qiáng)，朱韶光，劉保臣

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

動車組構(gòu)架橫向報警成因與控制措施研究*

許自強(qiáng)，朱韶光，劉保臣

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

動車組構(gòu)架橫向蛇行運動導(dǎo)致的報警問題呈多發(fā)趨勢，造成動車組降速運行或停車。本文以動車組橫向報警現(xiàn)象為研究對象，采用報警區(qū)段調(diào)研、報警動車組測量、動車組線路試驗等方法，研究造成構(gòu)架橫向報警的原因，并提出改善措施。調(diào)研與試驗表明：鋼軌寬光帶、軌距角磨耗以及車輪凹磨造成了輪軌匹配等效錐度顯著增大，是構(gòu)架橫向報警的主要原因。采用鋼軌打磨、車輪旋修的方法可以顯著提高構(gòu)架的橫向穩(wěn)定性；同時，對旋床工藝改進(jìn)、優(yōu)化鋼軌廓形與車輪型面、動車組懸掛參數(shù)合理匹配等措施同步進(jìn)行，才能最終改善構(gòu)架的橫向性能，消除構(gòu)架橫向報警。

構(gòu)架橫向失穩(wěn)；鋼軌調(diào)研；線路試驗；控制措施

早期構(gòu)架橫向穩(wěn)定性研究的主要目的是得到轉(zhuǎn)向架的臨界速度，從而驗證車輛是否滿足運行線路要求或制定車輛的限速標(biāo)準(zhǔn)。歐洲的Gasch R、A.F.D＇SOUZA等人應(yīng)用描述函數(shù)方法通過極限環(huán)研究了構(gòu)架的蛇行運用與穩(wěn)定性［1-2］。O Polach通過實例詳細(xì)分析研究了車輛的非線性穩(wěn)定性，特別是在不同輪軌接觸幾何條件下的輪對運動分叉以及抗蛇行減振器特性對輪對分叉的影響研究［3-4］。東京大學(xué)的S.Lin等認(rèn)為轉(zhuǎn)向架蛇形失穩(wěn)運動可以看成車輪軌道之間自激的自擺動現(xiàn)象。作者通過小比例試驗臺研究了單輪對系統(tǒng)與陀螺減振器，通過陀螺減振器吸收振動能量可以提高蛇行穩(wěn)定性［5］。張衛(wèi)華［6］、曾京［7］等對車輛的非線性穩(wěn)定性有大量的研究。

近些年動車組的運營中，由于車輪鋼軌的磨耗，動車組未達(dá)到臨界速度轉(zhuǎn)向架即出現(xiàn)了周期性橫向異常振動，加速度甚至超過了規(guī)范要求［8］。樸明偉［9］、周清躍［10］等對動車組構(gòu)架橫向失穩(wěn)問題與措施進(jìn)行了初步的研究，提出了提高動車組穩(wěn)定性的一些措施。董孝卿［11］建議通過等效錐度管理的方法提高構(gòu)架的穩(wěn)定性。本文針對動車組橫向異常振動問題，采用了鋼軌調(diào)研、動車組車輪磨耗測量、動車組線路試驗等方法，全面的分析了引起動車組的報警原因，通過鋼軌打磨、車輪旋修等措施可以降低動車組橫向報警問題。

1 橫向報警問題調(diào)研

我國于2010年開始出現(xiàn)動車組構(gòu)架橫向加速度報警，到了2014至2015年，構(gòu)架橫向報警呈多發(fā)趨勢，造成動車組降速運行或停車，影響運營次序。針對某線路動車組出現(xiàn)的構(gòu)架橫向振動偏大的現(xiàn)象，為分析原因，分別對動車組車輪踏面狀態(tài)、振動異常偏大的鋼軌區(qū)段進(jìn)行了調(diào)研。

1.1 報警區(qū)段鋼軌調(diào)研

圖1為報警區(qū)段鋼軌特征的調(diào)研照片，圖2為報警區(qū)段實測鋼軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對比。調(diào)研發(fā)現(xiàn)：報警區(qū)段部分鋼軌光帶較寬，光帶寬度達(dá)到40～50 mm，遠(yuǎn)高于正常寬度15～30 mm的范圍，其原因是線路開通至今鋼軌未打磨，鋼軌的磨耗達(dá)到限度。

在直線段發(fā)現(xiàn)兩處明顯軌距角磨耗，磨耗長度約10 m，該長度與構(gòu)架的蛇行運動頻率接近，可能是車輪輪緣貼靠鋼軌軌距角區(qū)域造成了軌距角的磨耗。

1.2 動車組車輪狀態(tài)

圖1 報警區(qū)段鋼軌特征

對報警構(gòu)架的兩個輪對進(jìn)行了測量，實測車輪踏面與標(biāo)準(zhǔn)踏面外形對比見圖3。從圖中發(fā)現(xiàn)4個車輪都出現(xiàn)了較明顯的凹磨現(xiàn)象，其中3軸左、右輪的凹磨深度分別為0.69 mm與0.72 mm，4軸左、右輪的凹磨深度都為0.58 mm。車輪凹磨將導(dǎo)致輪軌匹配等效錐度的增加，影響構(gòu)架的橫向運行穩(wěn)定性。（注：車輪采用了薄輪緣外形，即輪緣較薄與標(biāo)準(zhǔn)外形有一定差別）。

圖2 實測廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形比較

圖3 實測車輪踏面外形

1.3 輪軌匹配等效錐度

將實測車車輪外形（旋修后運行19萬km）、標(biāo)準(zhǔn)XP55車輪外形與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌、實測鋼軌外形進(jìn)行匹配等效錐度計算，滾動圓3 mm處的等效錐度結(jié)果見表1。從結(jié)果可以看出：

（1）軌距角磨耗區(qū)段鋼軌的輪軌匹配等效錐度偏大，與新輪匹配為0.07，與實測車輪匹配等效錐度達(dá)到了0.41，過大的輪軌匹配等效錐度易造成構(gòu)架的失穩(wěn)。

（2）未打磨鋼軌（軌距角磨耗鋼軌除外）與實測車輪的匹配等效錐度0.31，與新輪匹配等效錐度0.05。

（3）打磨后鋼軌與實測車輪的輪軌匹配等效錐度0.25，與新輪匹配等效錐度0.05。

注：XP55標(biāo)準(zhǔn)外形與60軌、60N軌的設(shè)計輪軌匹配等效錐度為0.05。

表1 輪軌匹配等效錐度

2 線路試驗研究

在車輪旋修后運行19萬km的動車組構(gòu)架上安裝加速度傳感器，測量服役動車組的構(gòu)架橫向振動性能，構(gòu)架橫向加速度全程散點圖見圖4。結(jié)果顯示：在試驗過程中有1處構(gòu)架橫向加速度達(dá)到8 m／s2的限值，發(fā)生在下行線路，占統(tǒng)樣本數(shù)的0.06%。該區(qū)段構(gòu)架橫向加速度已形成不收斂的連續(xù)振動，幅值為7.5～8 m／s2，異常區(qū)段長度350 m，主頻率為6.7 Hz。

上行線公里標(biāo)K890～K920區(qū)段鋼軌打磨后，動車組以250 km／h速度通過該區(qū)段，上行線構(gòu)架振動加速度幅值由6 m／s2降低至2 m／s2，構(gòu)架橫向振動幅值顯 著降低。

圖4 全程散點圖

3 系統(tǒng)參數(shù)對響應(yīng)的影響

為了控制構(gòu)架的橫向振動，通過動車組的線路試驗驗證了車輪旋修、鋼軌打磨以及改變運行速度對構(gòu)架橫向振動的影響，下面對幾項措施及效果進(jìn)行說明。

3.1 鋼軌打磨與車輪旋修控制

通過實測振動數(shù)據(jù)的對比分析鋼軌打磨、車輪旋修對構(gòu)架橫向振動的影響。3個工況分別為：動車組構(gòu)架報警工況、鋼軌打磨后的工況以及車輪旋修且鋼軌狀態(tài)較好的工況，對比結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 不同工況實測波形對比分析

圖6 不同工況振動頻率對比分析

在車輪旋修后運行19萬km且鋼軌未打磨的情況下，轉(zhuǎn)向架的橫向振動呈明顯的周期性蛇形，構(gòu)架橫向振動幅值顯著增加且幅值達(dá)到了8 m／s2；當(dāng)鋼軌進(jìn)行打磨而車輪狀態(tài)不變的情況下，構(gòu)架橫向振動加速度幅值顯著降低，幅值在2.5 m／s2以內(nèi)，但是由于車輪凹磨，構(gòu)架橫向振動呈周期性；當(dāng)車輪進(jìn)行旋修且鋼軌狀態(tài)較好的情況下，構(gòu)架橫向振動加速度幅值小于1 m／s2，同時橫向振動呈隨機(jī)分布。

從3種工況的頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)，第1種工況構(gòu)架橫向振動的主頻為6.7 Hz，即構(gòu)架發(fā)生了明顯的周期性蛇形運動。第2種工況構(gòu)架的橫向振動在5～7 Hz范圍較其他頻率大，但是幅值較小。第3種工況構(gòu)架橫向振動沒有明顯主頻。

綜上所述，當(dāng)車輪出現(xiàn)明顯凹磨，構(gòu)架橫向振動將會增大，且呈周期性，在通過鋼軌狀態(tài)較差的區(qū)段將可能激起周期性的構(gòu)架異常蛇行運動。車輪旋修和鋼軌打磨可以明顯降低構(gòu)架的橫向振動幅值。

3.2 降低運行速度

圖7為兩種運行速度下的構(gòu)架橫向振動加速度時域波形。由圖可知：

圖7 不同運行速度構(gòu)架橫向振動加速度波形

（1）構(gòu)架橫向加速度在恒速250 km／h時最大值為8.1 m／s2，在恒速200 km／h時最大值為4 m／s2。

（2）降速運行可以降低構(gòu)架橫向振動加速度幅值，但是構(gòu)架仍存在周期性的蛇行運動。所以調(diào)速不能從根本上解決構(gòu)架報警的問題。

4 結(jié) 論

通過對報警動車組、報警區(qū)段鋼軌狀態(tài)調(diào)研、線路試驗以及控制措施與效果的對比，可以得到以下結(jié)論：

（1）報警區(qū)段鋼軌出現(xiàn)了明顯的寬光帶現(xiàn)象，光帶寬度達(dá)到40～50 mm，同時部分區(qū)段發(fā)現(xiàn)了10 m左右的軌距角磨耗；報警轉(zhuǎn)向架的車輪出現(xiàn)明顯的凹磨，凹磨深度達(dá)到了0.5 mm及以上。當(dāng)以上幾種狀態(tài)的車輪、鋼軌匹配，輪軌等效錐度最大達(dá)到了0.41，遠(yuǎn)大于新輪新軌的0.06。輪軌匹配等效錐度增大易引起構(gòu)架的橫向報警。

（2）通過問題區(qū)段鋼軌打磨、車輪旋修可以改善輪軌匹配，顯著降低構(gòu)架橫向振動的幅值，避免構(gòu)架出現(xiàn)周期性異常蛇行甚至橫向報警。改變動車組運行速度可以降低構(gòu)架橫向振動幅值，但不能從根本上解決構(gòu)架橫向報警問題。

（3）此外，對旋床工藝改進(jìn)，提高旋修質(zhì)量；優(yōu)化鋼軌廓形與車輪型面，降低車輪、鋼軌的磨耗；動車組懸掛參數(shù)優(yōu)化等措施綜合作用，對提高構(gòu)架穩(wěn)定性，降低構(gòu)架報警問題有較好的效果。

［1］ Gasch R，Koelle D，Knothe K.The Effect of Nonlinearities on the Limit Cycles of Railway Vehicle［J］.Vehicle System Dynamics，1983，12（12）：64-67.

［2］ A.F.D＇SOUZA，P.CARVAVATNA，汪廷椿.轉(zhuǎn)向架蛇行運動的非線性分析［J］.國外鐵道車輛，1986，4.

［3］ O Polach.Comparability of the Non-linear and Linearized Stability Assessment during Railway Vehicle Design［J］.Vehicle System Dnamics，Supplement，2006，（44）：129-138.

［4］ O Polach.Methods for Running Stability Predietion and Their Sensitivity to wheel Rail Contact Geometry［C］.6th international Conference Railway Bogies and Running Gears，BUDAPEST，2006.

［5］ Lin S.Yoshino H.Yabuno H.et al.Stabilization of a Wheelset Hunting Motion by Utilizing the Rotating Device of the Running Gear as a Gyroscopic Damper［C］.International Conference on Railway Technology：Research，Development and Maintenance，2014.

［6］ 張衛(wèi)華，沈志云.車輛系統(tǒng)非線性運動穩(wěn)定性研究［J］.鐵道學(xué)報，1996，18（1）：29-34.

［7］ 曾 京，徐 濤.客車系統(tǒng)非線性橫向穩(wěn)定性的分叉方法研究［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，1994，29（3）：316-322.

［8］ 高速動車組整車試驗規(guī)范［S］.2010.

［9］ 樸明偉，孔維剛，劉 通，兆文忠.基于抗蛇行減振器失效工況的高速轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性分析［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報，2011，32（4）：1-5.

［10］ 周清躍，田常海，張銀花，常崇義，侯茂銳.CRH3型動車組構(gòu)架橫向失穩(wěn)成因分析［J］.中國鐵道科學(xué)，2014，35（6）：105-110.

［11］ 董孝卿，王悅明，倪純雙，吳 寧.服役動車組車輪踏面等效錐度運用管理研究［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015（2）：83-87.

Cause and Measures of Bogie Lateral Instability for EMU Train

XU Ziqiang，ZHU Shaoguang，LIU Baocheng
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Alarms caused by bogie lateral instability of EMU train are an upward trend，and caused the speed reduced or stop of EMU train.This paper aims at the bogie lateral alarm phenomenon，using the methods of alarm area investigation，alarm EMU train measurement and running test to analyze the cause of bogie lateral instability，and proposes the improvement measures.These investigation and test indicate that wide light band of rail，wear of rail corner and wheel tread hollow grind cause a distinct increase of wheel／rail matching equivalent conicity，which is the main reason for bogie lateral alarm.Using rail grinding and wheel re-profiling could observably improve lateral stability of bogie；meanwhile，lathe process improvement，rail profile and wheel tread optimizing，reasonable matching of suspension parameters of EMU train should be carried out simultaneously，so that the lateral performance of bogie can be improved eventually，and then bogie lateral alarms can be eliminated.

bogie lateral instability；rail investigation；running test；control measures

U266.2.5

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.05

1008－7842（2016）06－0018－04

*中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃（2015J007－L）；中國鐵道科學(xué)研究院科研專項（J2015G008）；中國鐵道科學(xué)研究院基金課題（2015YJ009）；

4—）男，助理研究員（

2016－07－21）