動車組車輛低頻橫向晃動分析及改進(jìn)措施

李曉峰 李國棟 宋春元 呂 義 崔利通

(中車長春軌道客車股份有限公司工程研究中心， 130062， 長春//第一作者，工程師)

自2007年高速動車組在我國投入運行以來，總體運行狀態(tài)良好，但在運用中個別車輛在個別區(qū)段出現(xiàn)了不同程度的車輛低頻橫向晃動問題，影響了旅客的乘坐舒適性。工程師和學(xué)者們針對該問題通過理論分析、仿真模擬、線路測試等方法進(jìn)行了深入的研究，研究方向主要集中在車輛穩(wěn)定性、懸掛參數(shù)優(yōu)化、輪軌匹配不良等[1-5]，但一般僅局限于某一類問題，沒有進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

本文首先對車輛晃動的機理進(jìn)行分析，利用變參方法獲得了影響車輛晃動因素的敏感度。在考慮實際運用和敏感度情況下，對近年來在運用過程中出現(xiàn)由車輪鏇修、鋼軌打磨、摩擦系數(shù)變化等輪軌關(guān)系引起的車輛晃動問題進(jìn)行原因分析，提出相應(yīng)的解決措施，并對后續(xù)車輛設(shè)計和運維管理提出建議。

1 車輛橫向晃動

我國高速動車組自投入運行以來，個別動車組尤其是車輪新鏇修后的動車組，在部分運行區(qū)段出現(xiàn)車輛低頻橫向晃動現(xiàn)象。車輛晃動時橫向平穩(wěn)性指標(biāo)大于2.5，車體橫向出現(xiàn)明顯的諧波振動(見圖1)。

a) 平穩(wěn)性

b) 振動加速度

通過對動車組出現(xiàn)的車輛橫向低頻晃動問題歸納分析(見圖2)發(fā)現(xiàn)：車輛晃動時主頻集中在1～3 Hz，晃動形式以車體搖頭、側(cè)滾等為主；晃動原因可能主要與輪軌型面維護(hù)、轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)選型、軌道狀態(tài)等輪軌關(guān)系有關(guān)。

圖2 車輛晃動問題歸納分析框圖

輪軌關(guān)系作為關(guān)鍵影響因素，既涉及輪軌型面的設(shè)計和維護(hù)，也包括輪軌間摩擦系數(shù)變化帶來的影響，且不同工況下引發(fā)的車輛晃動也存在差異。

將輪軌關(guān)系作為車輛晃動的激勵輸入，則可通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)選型來抑制車輛橫向低頻晃動。

2 晃動機理分析

車輛系統(tǒng)的蛇行運動一般表現(xiàn)為前后轉(zhuǎn)向架同相運動和反相蛇行運動兩種振型,這兩種運動的頻率相近,車體則表現(xiàn)為搖頭和滾擺運動。當(dāng)蛇行頻率較低時，與車體懸掛模態(tài)頻率(0.5～2.0 Hz)接近，當(dāng)蛇行運動阻尼不足時，則車體易發(fā)生明顯晃動，通常稱為一次蛇行，也稱為車體蛇行[6]。當(dāng)蛇行頻率較低并與上心滾擺模態(tài)頻率接近時，會導(dǎo)致車輛出現(xiàn)異常低頻橫向晃動。動車組出現(xiàn)的車輛低頻橫向晃動問題多數(shù)屬于一次蛇行問題。圖3所示為車輛蛇行和車體懸掛模態(tài)的分布。

圖3 車輛蛇行頻率與車體模態(tài)頻率分布

2.1 晃動因素的敏感度

車輛蛇行運動和車體懸掛模態(tài)的計算可以通過理論公式、仿真計算、臺架試驗獲得，車體主要懸掛模態(tài)浮沉、點頭、搖頭等理論計算公式參見文獻(xiàn)[6]。一般引起動車組橫向晃動的懸掛模態(tài)包括車體搖頭模態(tài)(頻率0.9～1.0 Hz)和上心滾擺模態(tài)(頻率1.3～1.6 Hz)。

通過建立車輛多體動力學(xué)模型，可對車輛晃動進(jìn)行仿真模擬，得到引起車輛晃動的主要因素及其敏感度。利用變參方法，可獲得影響因素在不同變化比例下車輛平穩(wěn)性的變化程度。

經(jīng)初步計算，發(fā)現(xiàn)因素的影響基本呈線性規(guī)律，故利用以下參數(shù)變化范圍內(nèi)的平穩(wěn)性變化率來描述敏感度。

式中：

Wsens——平穩(wěn)性隨參數(shù)變化敏感度；

Wbegin、Wend——開始、結(jié)束時參數(shù)變化對應(yīng)的平穩(wěn)性變化比；

Pbegin、Pend——開始、結(jié)束時參數(shù)變化比。

Wsens負(fù)值表示平穩(wěn)性變化與參數(shù)呈負(fù)相關(guān)，正值表示與參數(shù)呈正相關(guān)，絕對值值越大，表示敏感度越高。

根據(jù)圖4所示結(jié)果可知，輪軌匹配等效錐度對車輛晃動影響較大，且與之呈負(fù)相關(guān)，即等效錐度偏小時，平穩(wěn)性指標(biāo)偏大，易引起車輛晃動。由于其他與車體相關(guān)參數(shù)在車輛出廠后很難調(diào)整，因此，還是應(yīng)該從輪軌關(guān)系角度出發(fā)，分析并提出解決車輛晃動問題的措施。

圖4 車輛晃動因素敏感度分布

2.2 輪軌摩擦系數(shù)的影響

動車組在北方秋冬季節(jié)清晨或大霧天氣運行時曾出現(xiàn)車輛晃動現(xiàn)象，晃動主頻約1～2 Hz，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)大于2.5，尤其在車輪新鏇修后發(fā)生的頻率較高。通過仿真計算，分析輪軌摩擦系數(shù)對輪軌蠕滑和車輛蛇行模態(tài)的影響，揭示摩擦系數(shù)對車輛晃動影響的機理。

2.2.1 輪軌蠕滑

隨著輪軌摩擦系數(shù)的增加，蠕滑飽和對應(yīng)的蠕滑率顯著增大，而且在線性段的蠕滑力斜率增大。當(dāng)輪軌摩擦系數(shù)較低時，輪軌間不能提供足夠的蠕滑力來約束輪對的運動行為，從而在激擾條件下輪對容易發(fā)生蛇行運動。當(dāng)摩擦系數(shù)增大后，由于運行速度遠(yuǎn)低于車輛臨界速度，蠕滑力增加起到保持動車組穩(wěn)定運行的作用，車輛晃動現(xiàn)象也隨之消失。實際運用中也證實，隨著摩擦系數(shù)的提高，車輛晃動也隨之消失。

2.2.2 車輛蛇行模態(tài)

仿真結(jié)果表明(見圖5)，車輛在200 km/h左右的蛇行運動阻尼比最小，且隨著摩擦系數(shù)的增加，阻尼比增大。當(dāng)摩擦系數(shù)較低時，車輛蛇行運動阻尼比不足，容易發(fā)生橫向晃動，這已被實際出現(xiàn)的問題所驗證。

a) 三維面圖b) 等值線圖

圖5 輪軌摩擦系數(shù)對車輛蛇行運動阻尼比的影響

3 改進(jìn)措施

3.1 經(jīng)濟性鏇修改進(jìn)

隨著車輛運行里程增加，輪緣厚度因磨耗不斷減小。如果在車輪鏇修時采用踏面原型，則直徑鏇修量較大，會直接影響車輪的使用壽命，導(dǎo)致部分車輪在動車組一個高級修周期內(nèi)不能滿足運用年限要求。目前動車組鏇修時一般采用薄輪緣經(jīng)濟性鏇修方案，即針對不同輪緣厚度提出一系列踏面常工作區(qū)域相同、僅輪緣區(qū)域不同的車輪鏇修方案。

國內(nèi)某動車組在鏇修后的試運行期，發(fā)現(xiàn)部分車輛存在橫向晃動(以滾擺形式為主)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)約為2.50～2.75，直接影響乘客的乘坐舒適性。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，車輪鏇修時按照鏇床程序自帶經(jīng)濟性鏇修程序，參照EN 13715標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鏇修，通過將踏面區(qū)域向輪緣減薄方向平移實現(xiàn)薄輪緣方案[1]，使踏面實際接觸區(qū)域發(fā)生了一定變化，導(dǎo)致等效錐度較原型踏面低約0.06。根據(jù)前述分析可知，等效錐度過低易引起車輛低頻橫向晃動。

動車組在引進(jìn)消化過程中，國內(nèi)有關(guān)單位聯(lián)合研制了薄輪緣經(jīng)濟性踏面外形(見圖6)[1]。該踏面部分保持不變，輪緣過渡部分利用高次曲線連接，可有效避免踏面區(qū)域平移帶來的影響。在采用自主設(shè)計的薄輪緣外形后，與標(biāo)準(zhǔn)軌匹配的效果與原型基本一致，再次試驗時車輛晃動消失。

a) 不同方案踏面外形對比

b) 標(biāo)準(zhǔn)軌匹配等效錐度

3.2 線路適應(yīng)性改進(jìn)

高速鐵路一般根據(jù)運用周期和通過總重對鋼軌進(jìn)行定期打磨，通過打磨修復(fù)減輕軌面損傷，預(yù)防接觸疲勞、波磨等傷害產(chǎn)生，改善輪軌匹配關(guān)系，提高列車運行品質(zhì)[2]。但由于鋼軌打磨方式的限制，其精度略低于車輪鏇修，打磨后鋼軌廓形與基準(zhǔn)型面仍存在一定的偏差，因此，鋼軌打磨時需要提出線路適應(yīng)性要求。

國內(nèi)某客運專線鋼軌打磨后，多列動車組運行時均反映在某固定路段存在明顯晃動。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，該晃動形式為滾擺與橫移的耦合，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大超過3.0，嚴(yán)重影響乘客的乘坐的舒適性。為查明該車輛橫向晃動的原因并改進(jìn)車輛的線路適應(yīng)性，采取了以下改進(jìn)措施：

(1) 檢查車輪踏面外形、減振器、抗側(cè)滾扭桿等轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的狀態(tài)，均未發(fā)現(xiàn)異常。

(2) 對晃動區(qū)段的線路進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)鋼軌接觸光帶較窄，僅10～15 mm，且集中在軌頂部位，與標(biāo)準(zhǔn)軌形相比，軌距角側(cè)打磨量偏大(見圖7 a))。經(jīng)實測車輪與鋼軌廓形匹配分析發(fā)現(xiàn)，實際匹配等效錐度約0.06，小于車輛設(shè)計允許的下限0.08。

(3) 從車輛適應(yīng)線路的角度出發(fā)，基于實測鋼軌打磨后廓形，對車輪踏面外形進(jìn)行局部改進(jìn)(見圖7 b))。改進(jìn)后的鋼軌廓形實際匹配等效錐度約0.09，較改進(jìn)前略有提升，但又不會因提升較大導(dǎo)致鏇修后期等效錐度增長較快影響車輛穩(wěn)定性(見圖7c))。

通過線路試驗驗證，采用改進(jìn)措施進(jìn)行鋼軌打磨后，可有效降低車輛晃動(見圖7d))。

a) 鋼軌廓形

b) 車輪踏面

c) 等效錐度

d) 平穩(wěn)性指標(biāo)

4 結(jié)論

本文針對動車組運行以來出現(xiàn)的車輛橫向低頻晃動問題，從晃動機理、影響因素、實際運用等方面進(jìn)行機理分析與仿真分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

(1) 當(dāng)蛇行頻率較低時，與車輛懸掛模態(tài)頻率接近，且蛇行運動阻尼比不足時，易引起車輛低頻橫向晃動。

(2) 考慮實際可行性，選擇影響車輛橫向晃動敏感度較高的輪軌關(guān)系進(jìn)行機理分析，提出通過自主設(shè)計的薄輪緣經(jīng)濟鏇修方案、車輪踏面線路適應(yīng)性改進(jìn)等措施，可解決車輪踏面外形變化對車輛橫向晃動帶來的影響。另外，也可通合理安排車輛運營計劃，降低因摩擦系數(shù)較低引發(fā)的車輛橫向晃動。

(3) 建議車輛和線路維護(hù)部門控制并提高車輪和鋼軌修形質(zhì)量；運營部門合理安排運行車輛，避免新鏇修車輛在摩擦系數(shù)較低時的運行；車輛設(shè)計時應(yīng)從整車角度重點關(guān)注一次蛇行運動問題。