動車組車輛低頻橫向晃動分析及改進措施

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，總體運行狀態良好，但在運用中個別車輛在個別區段出現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、線路測試等方法進行了深入的研究，研究方向主要集中在車輛穩定性、懸掛參數優化、輪軌匹配不良等[1-5]，但一般僅局限于某一類問題，沒有進行系統的分析。

本文首先對車輛晃動的機理進行分析，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由車輪鏇修、鋼軌打磨、摩擦系數變化等輪軌關系引起的車輛晃動問題進行原因分析，提出相應的解決措施，并對后續車輛設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，在部分運行區段出現車輛低頻橫向晃動現象。車輛晃動時橫向平穩性指標大于2.5，車體橫向出現明顯的諧波振動(見圖1)。

a) 平穩性

b) 振動加速度

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

圖2 車輛晃動問題歸納分析框圖

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

將輪軌關系作為車輛晃動的激勵輸入，則可通過優化轉向架懸掛參數選型來抑制車輛橫向低頻晃動。

2 晃動機理分析

車輛系統的蛇行運動一般表現為前后轉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,車體則表現為搖頭和滾擺運動。當蛇行頻率較低時，與車體懸掛模態頻率(0.5～2.0 Hz)接近，當蛇行運動阻尼不足時，則車體易發生明顯晃動，通常稱為一次蛇行，也稱為車體蛇行[6]。當蛇行頻率較低并與上心滾擺模態頻率接近時，會導致車輛出現異常低頻橫向晃動。動車組出現的車輛低頻橫向晃動問題多數屬于一次蛇行問題。圖3所示為車輛蛇行和車體懸掛模態的分布。

圖3 車輛蛇行頻率與車體模態頻率分布

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，車體主要懸掛模態浮沉、點頭、搖頭等理論計算公式參見文獻[6]。一般引起動車組橫向晃動的懸掛模態包括車體搖頭模態(頻率0.9～1.0 Hz)和上心滾擺模態(頻率1.3～1.6 Hz)。

通過建立車輛多體動力學模型，可對車輛晃動進行仿真模擬，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性的變化程度。

經初步計算，發現因素的影響基本呈線性規律，故利用以下參數變化范圍內的平穩性變化率來描述敏感度。

式中：

Wsens——平穩性隨參數變化敏感度；

Wbegin、Wend——開始、結束時參數變化對應的平穩性變化比；

Pbegin、Pend——開始、結束時參數變化比。

Wsens負值表示平穩性變化與參數呈負相關，正值表示與參數呈正相關，絕對值值越大，表示敏感度越高。

根據圖4所示結果可知，輪軌匹配等效錐度對車輛晃動影響較大，且與之呈負相關，即等效錐度偏小時，平穩性指標偏大，易引起車輛晃動。由于其他與車體相關參數在車輛出廠后很難調整，因此，還是應該從輪軌關系角度出發，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 輪軌摩擦系數的影響

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

2.2.1 輪軌蠕滑

隨著輪軌摩擦系數的增加，蠕滑飽和對應的蠕滑率顯著增大，而且在線性段的蠕滑力斜率增大。當輪軌摩擦系數較低時，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生蛇行運動。當摩擦系數增大后，由于運行速度遠低于車輛臨界速度，蠕滑力增加起到保持動車組穩定運行的作用，車輛晃動現象也隨之消失。實際運用中也證實，隨著摩擦系數的提高，車輛晃動也隨之消失。

2.2.2 車輛蛇行模態

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

a) 三維面圖b) 等值線圖

圖5 輪軌摩擦系數對車輛蛇行運動阻尼比的影響

3 改進措施

3.1 經濟性鏇修改進

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，導致部分車輪在動車組一個高級修周期內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域相同、僅輪緣區域不同的車輪鏇修方案。

國內某動車組在鏇修后的試運行期，發現部分車輛存在橫向晃動(以滾擺形式為主)，橫向平穩性指標約為2.50～2.75，直接影響乘客的乘坐舒適性。經調查發現，車輪鏇修時按照鏇床程序自帶經濟性鏇修程序，參照EN 13715標準進行鏇修，通過將踏面區域向輪緣減薄方向平移實現薄輪緣方案[1]，使踏面實際接觸區域發生了一定變化，導致等效錐度較原型踏面低約0.06。根據前述分析可知，等效錐度過低易引起車輛低頻橫向晃動。

動車組在引進消化過程中，國內有關單位聯合研制了薄輪緣經濟性踏面外形(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，可有效避免踏面區域平移帶來的影響。在采用自主設計的薄輪緣外形后，與標準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) 標準軌匹配等效錐度

3.2 線路適應性改進

高速鐵路一般根據運用周期和通過總重對鋼軌進行定期打磨，通過打磨修復減輕軌面損傷，預防接觸疲勞、波磨等傷害產生，改善輪軌匹配關系，提高列車運行品質[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性要求。

國內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。經測試發現，該晃動形式為滾擺與橫移的耦合，橫向平穩性指標最大超過3.0，嚴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車輛的線路適應性，采取了以下改進措施：

(1) 檢查車輪踏面外形、減振器、抗側滾扭桿等轉向架關鍵部件的狀態，均未發現異常。

(2) 對晃動區段的線路進行排查，發現鋼軌接觸光帶較窄，僅10～15 mm，且集中在軌頂部位，與標準軌形相比，軌距角側打磨量偏大(見圖7 a))。經實測車輪與鋼軌廓形匹配分析發現，實際匹配等效錐度約0.06，小于車輛設計允許的下限0.08。

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

通過線路試驗驗證，采用改進措施進行鋼軌打磨后，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) 平穩性指標

4 結論

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

(1) 當蛇行頻率較低時，與車輛懸掛模態頻率接近，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系進行機理分析，提出通過自主設計的薄輪緣經濟鏇修方案、車輪踏面線路適應性改進等措施，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，降低因摩擦系數較低引發的車輛橫向晃動。

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