衡柳線動車組車體異?；蝿訂栴}研究

2019-05-16 05:52:22付政波

鐵道機車車輛 2019年2期

付政波

(中國鐵路總公司機輛部, 北京 100844)

由于動車組車輪踏面具有一定錐度，在軌道不平順的作用下車輛的運動實際上是一個不斷對中的周期運動，我們稱之為蛇行運動。蛇行運動為轉向架自激振動，一般分為一次蛇行運動和二次蛇行運動[1]。如圖1所示，當輪軌匹配的等效錐度處于一個較高范圍內時，車輛的極限模式為轉向架失穩(二次蛇行失穩)；輪軌匹配的等效錐度在低錐度范圍內，車輛的極限模式為車體失穩或轉向架-車體失穩(一次蛇行失穩)[2]。轉向架的失穩會引起車輛安全問題，而車體的失穩則會導致車輛橫向平穩性惡化，影響乘客的乘坐舒適度。

圖1 典型穩定性圖

我國部分高速動車組在服役過程中出現車體晃動現象，表現特征為新旋修的動車組運行至某些線路區段車體發生小幅晃動，為一次蛇行運動。由于車體橫向晃動頻率接近人體的敏感區域，大大降低了旅客乘坐舒適度，導致旅客投訴影響列車的運營質量[3-4]。

我國高速動車組運營過程中，曾出現過一些因構架橫向失穩報警(構架橫向加速度連續6次大于8.0 m/s2)的問題，很多學者針對此問題進行了大量的研究[5-6]。而關于車體失穩的研究則較少。針對衡柳線上運營動車組出現的晃車問題，對晃車動車組車輪踏面、晃車區段鋼軌狀態進行了調研測試，通過輪軌匹配分析與動力學仿真分析研究衡柳線晃車的原因，并提出整治措施，以期為動車組的運維提供參考。

1 晃車調研分析

部分旅客反映動車組在衡柳線運行出現明顯的晃動，為了查找晃車動車組與晃車線路區段，對衡柳線運行的動車組進行了多次的添乘。添乘發現：衡柳線下行線車輛運行正常，未出現明顯的車體晃動；而在上行線時，添乘的兩列動車組在部分區段運行時，車體發生明顯左右搖擺，持續1～2 min，動車組運行速度194～200 km/h。此處對發生晃車的動車組車輪踏面和晃車區段鋼軌進行現場測量與分析。

1.1 晃車動車組車輪踏面分析

觀察晃車動車組車輪踏面，動車組車輪踏面外形未見異常。利用旋修車床測量晃車動車組車輪的磨耗和徑跳，測量結果表明，兩列動車組車輪磨耗狀態正常，徑跳值在0.018～0.073，小于限值0.10?；诬噭榆嚱M車輪踏面與標準踏面對比見圖2，對比發現實測的車輪踏面與標準輪在滾動圓70 mm附近的廓型接近，車輪踏面狀態正常。

1.2 晃車區段鋼軌廓型分析

衡柳線上鋼軌采用的是我國研制的60N鋼軌，同一車輪踏面與該鋼軌廓型匹配的等效錐度小于與CHN60鋼軌廓型匹配的等效錐度。利用天窗時間段，項目組對晃車線路區段的鋼軌進行檢查，測試和分析。

圖2 實測車輪踏面與標準踏面外形對比

圖3為下行線典型的鋼軌光帶。下行鋼軌軌頭廓型左右股對稱，未出現過打磨情況，鋼軌光帶約40 mm，直道線路上，鋼軌軌頭側面輪軌接觸痕跡不明顯，說明車輪未與鋼軌發生輪緣接觸。

圖3 下行線鋼軌光帶

通過檢查發現，上行線部分鋼軌異常，主要表現為鋼軌軌距角處磨耗與雙光帶。

(1)該段線路幾何尺寸無超限，但是鋼軌軌頭廓型存在左右股不對稱、軌距角處明顯磨耗，如圖4所示，經測量發現該區段鋼軌存在過打磨的情況，最大過打磨量達到0.7 mm；

圖4 上行鋼軌軌距角磨磨耗

(2)上行線部分區段鋼軌存在明顯的雙光帶，即軌頂區域光帶明顯，但軌頂至軌頭區域光帶較輕，兩種光帶呈現明顯的分界，如圖5所示；同時，直線鋼軌軌頭側面輪軌接觸痕跡明顯，且左右股交替，交替間隔約10～20 m；

圖5 上行軌距角磨耗及雙光帶

晃車區段鋼軌廓型與標準廓型對比見圖6。軌頂位置實測廓型與標準廓型接近，但是在軌距角處的廓型存在明顯差異，實測鋼軌存在過打磨問題。

圖6 晃車區段鋼軌廓型與標準廓型對比

1.3 輪軌匹配分析

輪軌接觸系統比較復雜，國內外一般用等效錐度作為輪軌接觸線性化指標表征輪軌接觸幾何特征[5]。采用衡柳線實測鋼軌廓型與實測車輪踏面、標準車輪踏面進行了等效錐度計算與對比，結果見表1，表中晃車區段鋼軌廓型1為圖4中實測廓型，晃車區段鋼軌廓型2為圖5中實測廓型。由表可知：

(1)實測車輪踏面與實測晃車區段鋼軌廓型匹配等效錐度在0.06～0.102之間，等效錐度小于設計值(設計值0.112)；

(2)實測車輪踏面與60N鋼軌廓型匹配的等效錐度降幅小于實測車輪踏面與實測晃車區段鋼軌廓型匹配的等效錐度降幅，鋼軌廓型對等效錐度的影響較大；

(3)實測車輪與晃車區段鋼軌匹配等效錐度普遍小于與打磨標準廓型60N的結果。

表1 等效錐度計算結果統計

將實測的車輪踏面和鋼軌數據進行匹配，得到不同輪軌匹配的接觸分布情況如圖7所示。從輪軌接觸關系發現：(1)晃車區段實測車輪踏面和實測鋼軌廓型匹配的接觸區域集中在軌頂和軌距角位置，接觸斑分布不均勻；(2)實測車輪與標準60 N鋼軌接觸均勻，接觸區域也較寬；(3)實測車輪和實測鋼軌匹配軌距角接觸較大，易造成鋼軌軌距角磨耗，形成大的輪軌低頻激擾，更加劇了車體晃動。

圖7 輪軌接觸關系對比

2 等效錐度影響仿真分析

為了驗證輪軌匹配對動車組晃車的影響，建立動車組動力學模型，仿真分析實測車輪踏面與標準鋼軌廓型、晃車區段鋼軌匹配下的車體振動性能，得到了不同等效錐度值對車體橫向振動的影響。

晃車動車組頭車第1轉向架的車輪踏面與不同鋼軌廓型匹配的車體橫向振動加速、振動加速度頻率以及等效錐度與車體橫向平穩性關系見圖8～圖10。由圖可知：(1)當等效錐度為0.06，車體振動加速度達到了1.5 m/s2，車體橫向平穩性達到3.6，遠超3.0的限值；(2)輪軌匹配等效錐度過小將引起車體橫向周期振動，振動主頻率為1.6 Hz；(3)當等效錐度增加，車體橫向振動幅值降低，等效錐度為0.11時，車體平穩性為2.8，為合格標志；(3)當等效錐度達到1.8，車體平穩性為1.6，車體橫向平穩性非常好。