多運行工況下高速動車組走行系統多位振動特性分析

摘 要：走行系統是影響高速動車組運行安全的關鍵系統構成，掌握走行系統不同工況下不同部位或設備的振動特性，對實現高速動車組走行系統安全狀態檢測、健康監測、故障診斷與在線預警具有重要意義。該文基于高速動車組運行實測數據，詳細地分析高速動車組車體及轉向架多個部件或部位在直線、曲線及道岔通過不同運行工況下振動特性演變規律。首先對數據來源、實驗方案及現有高速列車振動特性評價方法進行闡述，進一步分析車體振動特性及轉向架多位振動特性，重點涵蓋軸箱、構架、齒輪箱和電機關鍵部件。分析結果對于掌握高速動車組關鍵設備或部位動態響應及其變化規律具有指導與支撐作用，同時為高速列車關鍵部件振動性能評價、部件維護檢修等提供參考依據。

關鍵詞：高速動車組；振動；車體；轉向架；平穩性；舒適性

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）03-0139-06

Abstract： The running system is the most critical influential factor to the operation safety of high-speed train. To grasp vibration characteristics of different parts or equipment under different operating conditions of the running system is of great importance for the realization of the safe condition monitoring， health monitoring， fault diagnosis and online early warning of the running system of high-speed EMU. The vibration characteristics of multiple components or high speed train parts on vehicle-body and bogie were analyzed in straight lines， turns and switches， which were based on the measured data getting from running high speed train in this paper. Firstly， the data source， the experimental scheme and the evaluation method of the vibration characteristics of the high-speed trains were described. Then the vibration characteristics of the vehicle body and the bogie were analyzed， including the axle box， frame， gear box and motor. The analysis results can be used as a reference for mastering the dynamic response of the key parts and the position of the high-speed train and evaluation or maintenance of the key components of high-speed trains.

Keywords： high speed train； vibration； vehicle-body； bogie； stability； comfort

0 引 言

隨著我國高速動車組服役里程和數量的增加，保障高速列車服役期間運行安全成為目前鐵路工作者及科研人員研究與攻克的重點，并且考核與評估高速動車組各主要結構件的安全性能成為研究重點。列車運行中的振動是軌道不平順、車輛自身結構特點和缺陷、運營工況、環境等諸多安全因素共同作用的必然結果[1-2]，尤其是當列車運行速度超過200 km/h時運行阻力急劇增加、車輛振動及輪軌間動作用力加劇，列車脫軌傾覆危險性增大[3]，因此，確保車輛在各種運行工況下列車振動特性平穩與安全是高速動車組近年來研究的熱點。為了全面地掌握與評價列車振動特性，需要對列車各部件的振動特性進行分析與評估[4-6]。目前，現有的高速列車振動評價主要有圍繞車體振動的平穩性指標[7]，分別是對車體垂向振動和橫向振動加速度進行振動指標評價，而對于車輛其他部位或零部件的振動評價較少，更沒有形成專門的振動評價指標。隨著列車運行速度的提高，零部件的振動日益加劇，對零部件的疲勞強度要求越來越高，零部件振動評價的滯后性越來越明顯，高速列車平穩性性能評價應該考慮到更多影響全局的振動內容。

轉向架是高速動車組車輛借以在軌道上運行的重要組成，主要功能是保證車輛運行安全和平穩，是較于軌道車輛承載系統、制動裝置和公共系統等關乎列車運行安全更為關鍵的系統組成。因此，轉向架各項性能成為高速動車組性能評價的重要指標。國內外針對高速動車組轉向架關鍵零部件振動特性均有一定研究基礎，但大都基于仿真技術進行分析，且主要針對某一特定工況下特定的零部件或部位[8-10]。本文基于高速動車組跟蹤試驗實測數據對多種運行條件下轉向架多個部位的振動特性進行分析與比對，為掌握高速動車組長期服役動態行為、合理優化車輛關鍵部件檢修維護周期提供依據。

1 數據來源與試驗方案

實測數據均來自我國某型高速動車組跟蹤試驗。試驗檢測系統由采集器、交換機、車載電腦、3G路由和測速模塊構成，車載電腦通過車內局域網對整個采集系統進行控制。測點主要布置在第1車和第4車，其中1車為拖車，4車為動力車。本文主要從車體、軸箱、構架、齒輪箱、電機等多個部位進行高速動車組走行系統振動特性分析。8個測點振動信號采集均采用頻率響應為DC-1 000 Hz的加速度傳感器，采樣頻率均為2 000 Hz。

2 振動特性評價方法

列車在高速運行過程中，由于線路不平順、車載設備服役條件、曲線通過、空流等因素，車體將產生不可避免的振動。車體振動往往包含多種頻率成分、多個方向并隨著時間變化。若發生共振，將對車體及車上旅客產生各方面不利影響，嚴重時甚至對旅客身體健康造成危害[11]。對列車振動特性進行評定，是對高速動車組減振設計的必要工作。現有通用評定指標主要有[12]：平穩性指標、舒適度指標和運行品質。

1）運行平穩性指標

對于列車運行平穩性評價指標，國際上主要采用UIC sperling評價法和ISO2631標準（包括1/3倍頻法和總督加權評價法），而我國采用GB 5599——1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》評價車輛運行平穩性[13-14]。平穩性測量的每一個速度級至少采集10～20段18 s的時間。單一頻率下，車體振動的平穩性指標計算公式為

頻率修正系數表如表1所示。

2）舒適度指標

采用UIC513定義的舒適度指標，UIC513指標將時域加速度信號分成多段，對每段加權得到一個值，通過統計處理得到舒適度指標。乘坐舒適度指標按下式計算：

3）運行品質

車輛的運行品質用車體垂向振動加速度進行評價，作為車輛振動的客觀度量參數。我國針對一定速度級的高速列車，對最大振動加速度作了專門規定。而評價測點振動特性，除了最大加速度值，還應考量測點振動有效值。

3 多運行工況下車體振動特性分析

選取300 km/h速度下1車和4車車體振動測點加速度信號進行多運行工況下高速動車組車體振動特性分析。表2所示為直線、曲線運行條件下1車和4車車體振動測點各項參數在100萬運行公里數內平均值。

依據標準GB 5599——1985與UIC513，該型高速動車組運行垂向、橫向平穩性指標均小于2.5，舒適度指標均小于2，特性或性能均為優。同時，垂向振動最大值均小于2.5 m/s2，該高速動車組滿足運行品質的要求。對比動車和拖車同部位振動特性可發現，動車的整體振動特性反而優于拖車，舒適度也更好。表2中直線條件下各項振動特性指標與曲線條件下相差不大，可見該高速動車組曲線通過能力較好。

為了進一步掌握高速動車組動車車體振動特性隨速度變化情況，繪制高速動車組27萬運行公里內振動特性參數散點圖如圖1～圖4所示。

隨著列車運行速度的提高，動車車體垂向振動最大值、垂向平穩性指標及橫向平穩性指標均緩慢增大，而列車乘坐舒適度指標并未受列車運行速度的影響，可見該型高速動車組舒適度性能穩定。

4 多運行工況下轉向架多位振動特性分析

選取300 km/h速度下4車轉向架上軸箱、構架、齒輪箱、電機4個主要零部件及1車轉向架軸箱和構架共6個振動測點加速度信號進行多運行工況下高速動車組轉向架振動特性分析。表3所示為直線、曲線、道岔運行條件下1車和4車轉向架各部位測點橫向振動特性參數在100萬運行公里數內平均值。

依據軸箱與構架上振動情況，比較動車與拖車振動整體性能。由表3可知，在3種運行條件下，動車軸箱振動始終要大于拖車軸箱振動；構架振動則需視運行條件而言，直線和曲線條件下，拖車構架振動要大于動車構架振動，這種差異與列車系統參數有關，同時拖車受到氣流影響，因此振動較大，從另一方面也可見轉向架平穩性較好，但在道岔條件下，動車構架的振動遠遠大于拖車構架振動，可見過道岔時會引起動車轉向架較大振動，從動車電機的振動特性值也可看出，道岔對動車轉向架的振動激勵作用非常明顯。直線與曲線條件下，動車齒輪箱振動要大于電機振動，而在過道岔這樣特殊運行條件下，電機振動遠大于齒輪箱。

縱觀3種運行工況，轉向架各個部位的振動情況均表現出一致性，即過道岔時，各部位橫向振動加速度大于過曲線段，而通過曲線段的振動加速度又大于直線段。

如圖5～圖12所示為高速動車組走行系統不同部位振動有效值在直線、曲線、道岔通過條件下隨運行里程的變化情況。由于統計的是60萬公里內的振動特性，各測點振動趨勢變化不是非常明顯，但是各個部位振動規律卻有所體現。對于軸箱，在直線條件下拖車軸箱振動隨運行里程的增加變化不大，特性表現穩定，而曲線與道岔通過時，與動車軸箱振動一樣，均在30萬公里處發生波動，振動有所增大，特別是動車軸箱在過道岔處的振動特性急劇增大，對轉向架性能穩定性有所沖擊。對于構架，在3種運行條件下其振動特性相對穩定，但可明顯看出，過道岔時構架振動明顯大于曲線通過時，而過曲線時振動又大于直線運行工況。對于動車轉向架才有的齒輪箱和電機，在60萬公里內齒輪箱的振動要遠大于電機振動，但波動比較平穩，變化不大。對于車體，除波動較平穩外，其最大的特征是列車曲線通過時車體振動達到最大，遠大于過道岔及直線運行條件，可見，曲線通過對車體振動的影響遠遠大于對轉向架的振動作用，而過道岔時由于一系、二系懸掛系統作用，大大減小了道岔對車體振動的影響。

5 結束語

針對高速動車組走行系統，詳細地分析了在直線通過、曲線通過及道岔通過3種運行工況下高速動車組車體及轉向架多個部件或部位振動特性演變規律。所用試驗數據均為高速動車組運行過程中實際測試數據，因此對于掌握高速列車關鍵部件或部位動態響應及其變化規律具有借鑒作用，同時為高速列車關鍵部件振動性能評價、部件維護檢修等提供參考依據。探討高速動車組關鍵部件在故障或其他運行工況下的動態響應特性，為高速動車組關鍵部件隱患或故障挖掘提供依據將是下一步研究的重點和難點。

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（編輯：李妮）