多運行工況下高速動車組走行系統(tǒng)多位振動特性分析

摘 要：走行系統(tǒng)是影響高速動車組運行安全的關(guān)鍵系統(tǒng)構(gòu)成，掌握走行系統(tǒng)不同工況下不同部位或設(shè)備的振動特性，對實現(xiàn)高速動車組走行系統(tǒng)安全狀態(tài)檢測、健康監(jiān)測、故障診斷與在線預(yù)警具有重要意義。該文基于高速動車組運行實測數(shù)據(jù)，詳細地分析高速動車組車體及轉(zhuǎn)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(guī)律。首先對數(shù)據(jù)來源、實驗方案及現(xiàn)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(zhuǎn)向架多位振動特性，重點涵蓋軸箱、構(gòu)架、齒輪箱和電機關(guān)鍵部件。分析結(jié)果對于掌握高速動車組關(guān)鍵設(shè)備或部位動態(tài)響應(yīng)及其變化規(guī)律具有指導(dǎo)與支撐作用，同時為高速列車關(guān)鍵部件振動性能評價、部件維護檢修等提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速動車組；振動；車體；轉(zhuǎn)向架；平穩(wěn)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(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特點和缺陷、運營工況、環(huán)境等諸多安全因素共同作用的必然結(jié)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(wěn)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(xiàn)有的高速列車振動評價主要有圍繞車體振動的平穩(wěn)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(wěn)性性能評價應(yīng)該考慮到更多影響全局的振動內(nèi)容。

轉(zhuǎn)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(wěn)，是較于軌道車輛承載系統(tǒng)、制動裝置和公共系統(tǒng)等關(guān)乎列車運行安全更為關(guān)鍵的系統(tǒng)組成。因此，轉(zhuǎn)向架各項性能成為高速動車組性能評價的重要指標。國內(nèi)外針對高速動車組轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件振動特性均有一定研究基礎(chǔ)，但大都基于仿真技術(shù)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(shù)據(jù)對多種運行條件下轉(zhuǎn)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(tài)行為、合理優(yōu)化車輛關(guān)鍵部件檢修維護周期提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與試驗方案

實測數(shù)據(jù)均來自我國某型高速動車組跟蹤試驗。試驗檢測系統(tǒng)由采集器、交換機、車載電腦、3G路由和測速模塊構(gòu)成，車載電腦通過車內(nèi)局域網(wǎng)對整個采集系統(tǒng)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(gòu)架、齒輪箱、電機等多個部位進行高速動車組走行系統(tǒng)振動特性分析。8個測點振動信號采集均采用頻率響應(yīng)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(shè)備服役條件、曲線通過、空流等因素，車體將產(chǎn)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(fā)生共振，將對車體及車上旅客產(chǎn)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(shè)計的必要工作。現(xiàn)有通用評定指標主要有[12]：平穩(wěn)性指標、舒適度指標和運行品質(zhì)。

1）運行平穩(wěn)性指標

對于列車運行平穩(wěn)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(quán)評價法），而我國采用GB 5599——1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》評價車輛運行平穩(wěn)性[13-14]。平穩(wěn)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(wěn)性指標計算公式為

頻率修正系數(shù)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(quán)得到一個值，通過統(tǒng)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(zhì)

車輛的運行品質(zhì)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(shù)。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(guī)定。而評價測點振動特性，除了最大加速度值，還應(yīng)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(shù)在100萬運行公里數(shù)內(nèi)平均值。

依據(jù)標準GB 5599——1985與UIC513，該型高速動車組運行垂向、橫向平穩(wěn)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(yōu)。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(zhì)的要求。對比動車和拖車同部位振動特性可發(fā)現(xiàn)，動車的整體振動特性反而優(yōu)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(nèi)振動特性參數(shù)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(wěn)性指標及橫向平穩(wěn)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(wěn)定。

4 多運行工況下轉(zhuǎn)向架多位振動特性分析

選取300 km/h速度下4車轉(zhuǎn)向架上軸箱、構(gòu)架、齒輪箱、電機4個主要零部件及1車轉(zhuǎn)向架軸箱和構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向架各部位測點橫向振動特性參數(shù)在100萬運行公里數(shù)內(nèi)平均值。

依據(jù)軸箱與構(gòu)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(gòu)架振動則需視運行條件而言，直線和曲線條件下，拖車構(gòu)架振動要大于動車構(gòu)架振動，這種差異與列車系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)，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(zhuǎn)向架平穩(wěn)性較好，但在道岔條件下，動車構(gòu)架的振動遠遠大于拖車構(gòu)架振動，可見過道岔時會引起動車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向架各個部位的振動情況均表現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)計的是60萬公里內(nèi)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(guī)律卻有所體現(xiàn)。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(xiàn)穩(wěn)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(fā)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(zhuǎn)向架性能穩(wěn)定性有所沖擊。對于構(gòu)架，在3種運行條件下其振動特性相對穩(wěn)定，但可明顯看出，過道岔時構(gòu)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(zhuǎn)向架才有的齒輪箱和電機，在60萬公里內(nèi)齒輪箱的振動要遠大于電機振動，但波動比較平穩(wěn)，變化不大。對于車體，除波動較平穩(wěn)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(zhuǎn)向架的振動作用，而過道岔時由于一系、二系懸掛系統(tǒng)作用，大大減小了道岔對車體振動的影響。

5 結(jié)束語

針對高速動車組走行系統(tǒng)，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(zhuǎn)向架多個部件或部位振動特性演變規(guī)律。所用試驗數(shù)據(jù)均為高速動車組運行過程中實際測試數(shù)據(jù)，因此對于掌握高速列車關(guān)鍵部件或部位動態(tài)響應(yīng)及其變化規(guī)律具有借鑒作用，同時為高速列車關(guān)鍵部件振動性能評價、部件維護檢修等提供參考依據(jù)。探討高速動車組關(guān)鍵部件在故障或其他運行工況下的動態(tài)響應(yīng)特性，為高速動車組關(guān)鍵部件隱患或故障挖掘提供依據(jù)將是下一步研究的重點和難點。

參考文獻

[1] 崔利通. 高速列車牽引傳動系統(tǒng)振動特性分析[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2014.

[2] 左曙光，段向雷，楊憲武. 從動輪-懸架系統(tǒng)側(cè)向自激振動影響因素分析[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報，2013，41（7）：1088-1093.

[3] YAO Y， ZHANG H J， LI Y M， et al. The dynamic study of locomotives under saturated adhesion[J]. Vehicle System Dynamics，2011，49（8）：1321-1338.

[4] 金思勤，趙永強，李楓，等. 高速動車組齒輪箱加載試驗及故障診斷研究[J]. 機車車輛工藝，2014（4）：1-3.

[5] 魏靜，孫清朝，孫偉，等. 高速機車牽引齒輪傳動系統(tǒng)動態(tài)特性及非線性因素影響研究[J]. 振動與沖擊，2012，31（17）：38-43.

[6] 周建星，劉更，馬尚君. 內(nèi)激勵作用下齒輪箱動態(tài)響應(yīng)與振動噪聲分析[J]. 振動與沖擊，2011，30（6）：234-238.

[7] 張衛(wèi)華. 高速列車耦合大系統(tǒng)動力學(xué)理論與實踐[M]. 北京：科學(xué)出版社，2013：137-148.

[8] 張?zhí)炫e. 高速鐵路軸承潤滑劑的拖動特性及其試驗機的設(shè)計研究[D]. 洛陽：河南科技大學(xué)，2010.

[9] ANDONI Z， ARTURO F， TARAWNEH C M， et al. Experimentally validated finite element analysis of railroad bearing adapter operating temperature[C]∥ASME 2012 Intermational Mechanical Engineering Congress and Exposition. New York：ASME，2012：9-15.

[10] YAN K， WANG N， ZHAI Q， et al. Theoretical and experimental investigation on the thermal characteristics of double-row tapered roller bearings of high speed locomotive[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2015（84）：1119-1130.

[11] Mechinacal vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration-Part 1：General requirements： ISO 2631-1[S]. 1997.

[12] 張曙光. 高速列車設(shè)計方法研究[M]. 北京：中國鐵道出版社，2009：71-82.

[13] 萬里翔，許明恒. 鐵道車輛運行平穩(wěn)性方法的研究[J]. 鐵道機車車輛，2001（1）：8-10.

[14] 鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范：GB/T 5599—1985[S]. 北京：中國標準出版社，1985.

（編輯：李妮）