鋼軌廓形偏差對動車組構架橫向振動的影響

楊光 侯茂銳 劉豐收 俞喆

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道科學技術研究發(fā)展中心，北京 100081

高速動車組服役性能與輪軌型面匹配狀態(tài)密切關聯(lián)［1-2］。鋼軌廓形作為輪軌型面匹配關系中的關鍵要素之一，其偏差狀態(tài)直接影響輪軌匹配狀態(tài)，進而影響動車組運行品質。文獻［3］研究表明，磨耗輪與軌距角突出的鋼軌匹配時等效錐度較大，易產生橫向加速度超限；新車輪與軌距角被過度打磨的鋼軌匹配時等效錐度較小，易產生晃車。文獻［4-5］分別研究了鋼軌打磨對動車組車體抖動和車體晃動的影響。文獻［6］指出動車組抖車是由于車輪與鋼軌匹配關系異常，導致轉向架蛇行運動頻率達到9 ～ 10 Hz，與動車組車體一階菱形模態(tài)頻率接近，引發(fā)車體產生異常振動。文獻［7-8］通過運營動車組跟蹤測試，明確了動車組車體出現(xiàn)晃動時的主頻為1～2 Hz。

目前關于鋼軌廓形偏差量細微變化對動車組運行性能影響的相關研究較少，也尚未明確不同鋼軌偏差量與動車組運行性能的量化關聯(lián)關系。由于抖車、晃車現(xiàn)象均與轉向架蛇行運動穩(wěn)定性相關，本文基于高速鐵路實測輪軌型面數(shù)據(jù)，仿真分析不同偏差的鋼軌廓形分別與新車輪、磨耗車輪匹配時的輪軌匹配狀態(tài)，以及鋼軌廓形偏差引起輪軌匹配狀態(tài)變化對動車組構架橫向振動的影響。

1 鋼軌廓形偏差

通過輪軌型面長期跟蹤測試得到的我國京滬、京廣等高速鐵路鋼軌廓形數(shù)據(jù)［9］，以Q/CR 681—2018《高速鐵路鋼軌與道岔大型機械打磨驗收技術規(guī)范》規(guī)定的設計廓形為基準廓形。計算工作邊側距離軌頂中心20 mm 位置實測鋼軌廓形與基準廓形的偏差d，選取d= -0.4、-0.2、+0.3、+0.6、+0.8 mm 的典型廓形（依次用d-0.4、d-0.2、d+0.3、d+0.6、d+0.8表示）進行動車組動力學性能分析。

將d-0.4、d+0.8廓形分別與基準廓形進行對比，結果見圖1。可知：①兩種實測廓形與基準廓形在距軌頂中心-35 ～ -10 mm 區(qū)域（非工作邊側）和10 ～ 35 mm區(qū)域（工作邊側）均存在明顯的差異。d-0.4廓形在距軌頂中心10～35 mm 區(qū)域明顯低于基準廓形，即與基準廓形存在負偏差；d+0.8廓形在距軌頂中心10 ～ 35 mm區(qū)域明顯高于基準廓形，即與基準廓形存在正偏差。②在工作邊側，隨著與軌頂中心橫向距離增大，兩種實測廓形與基準廓形的偏差均呈增大趨勢。其中，d+0.8廓形在與軌頂中心的距離超過25 mm 后，偏差大于1 mm。

圖1 鋼軌廓形及偏差分析

等效錐度是反映輪軌型面匹配狀態(tài)的關鍵指標之一。既有研究及現(xiàn)場運用經(jīng)驗表明［3］，鋼軌廓形偏差影響其與車輪匹配時的等效錐度，進而影響動車組運行品質。等效錐度較低可能出現(xiàn)晃車，等效錐度過大可能出現(xiàn)抖車或報警，均影響動車組運行時的橫向平穩(wěn)性。

圖2給出了不同偏差實測鋼軌廓形與某型動車組新車輪和臨近鏇修的磨耗車輪匹配時的名義等效錐度。可知：①對于新輪和磨耗車輪，鋼軌廓形偏差對等效錐度均有顯著影響。負偏差越大則等效錐度越小，負偏差大于0.2 mm 時名義等效錐度小于0.08；正偏差越大則名義等效錐度越大，正偏差達到0.6 mm時名義等效錐度超過0.45。②不同偏差實測鋼軌廓形與磨耗車輪匹配對應的名義等效錐度均明顯大于新車輪踏面，兩種車輪踏面對應名義等效錐度的差異隨負偏差減小而增大，隨正偏差增大而增大。

圖2 輪軌匹配等效錐度

新車輪分別與d-0.4、d+0.8廓形匹配時，左股輪軌接觸分布及現(xiàn)場光帶情況見圖3。可知：d-0.4廓形對應的輪軌接觸點相對集中，且偏向非工作邊，這與圖3（b）中現(xiàn)場光帶情況一致，光帶中心偏非工作邊，寬度約為25 mm；d+0.8廓形對應的輪軌接觸點分布相對分散，在軌頂中心至軌距角區(qū)域均有分布，與圖3（c）中現(xiàn)場光帶情況接近，光帶中心偏工作邊，寬度約為40 mm。

圖3 輪軌接觸范圍及鋼軌光帶

2 構架橫向振動加速度

構架橫向振動加速度是評判車輛運行穩(wěn)定性的關鍵指標之一。基于實際動車組和線路參數(shù)建立輪軌系統(tǒng)耦合動力學模型，仿真分析不同偏差鋼軌廓形與新車輪、磨耗車輪匹配狀態(tài)下的構架橫向振動加速度，計算結果見圖4。可知：不同偏差的鋼軌廓形與磨耗車輪匹配時橫向變化更明顯，車輪磨耗后，隨著d由-0.4 mm 增至+0.8 mm，構架橫向振動加速度呈現(xiàn)明顯增大趨勢，尤其是鋼軌存在較大正偏差后，d+0.8廓形對應的構架橫向振動加速度較d+0.6廓形增大近80%，較基準廓形增大近2 倍；與新車輪匹配時，負偏差鋼軌廓形對應的構架橫向振動加速度相對較大，但與基準廓形的差異不超過20%。

圖4 不同偏差鋼軌廓形的構架橫向振動加速度

為了分析鋼軌正偏差增大后構架橫向振動加速度明顯增大的原因，截取d+0.8廓形和基準廓形與磨耗車輪匹配時的仿真計算結果（圖5），對比分析構架橫向振動加速度時頻特征差異。

由圖5（a）可知：與磨耗車輪匹配時，d+0.8廓形對應的構架橫向振動加速度最大值達5.80 m/s2，有效值為2.76 m/s2，而基準廓形對應值分別為1.90、0.65 m/s2。可見d+0.8廓形對應的構架橫向振動加速度振動幅度和振動劇烈程度均明顯大于基準廓形。同時，d+0.8廓形對應的構架橫向振動加速度時域變化已表現(xiàn)出明顯的周期性振蕩特征，這說明該匹配關系下構架已出現(xiàn)蛇行失穩(wěn)。

圖5 與磨耗車輪匹配時構架橫向振動加速度時頻曲線

由圖5（b）可知：基準廓形對應的構架橫向振動加速度主頻特征不明顯，在2～3 Hz振動幅值相對較大；d+0.8廓形對應的構架橫向振動加速度出現(xiàn)了明顯8 ～10 Hz 的頻域特征，這與運營動車組發(fā)生抖車時的構架橫向振動加速度頻率特征［6］十分接近，且該頻域范圍構架橫向振動幅值明顯大于基準廓形。

綜上，較大正偏差的鋼軌廓形與磨耗車輪匹配時，構架已出現(xiàn)明顯二次蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象，構架橫向振動幅值和振動劇烈程度相對基準廓形均明顯增大。

根據(jù)現(xiàn)場應用情況，不同運行速度的車輛運行性能對于輪軌匹配狀態(tài)的敏感性也存在差異。因此，需進一步分析不同車速下，不同偏差鋼軌廓形與新車輪、磨耗車輪匹配時的構架橫向振動加速度情況。車速分別為300、350、400 km/h 時，各輪軌匹配工況下構架橫向振動加速度最大值仿真計算結果見圖6。

圖6 不同車速下構架橫向振動加速度

由圖6可知：①不同輪軌匹配工況下，構架橫向振動加速度隨車速提升而增大。②新車輪與負偏差鋼軌廓形匹配對應的構架橫向振動加速度受車速影響更為明顯，如d-0.4廓形與新車輪匹配工況下，車速350、400 km/h時構架橫向振動加速度分別比車速300 km/h時增大38%、65%。d+0.8廓形與磨耗車輪匹配工況下，車速400 km/h時構架橫向振動加速度比車速350 km/h時僅增大10%，這是由于較大正偏差車輪與磨耗車輪匹配工況下，以350 km/h 運行時已處于構架蛇行失穩(wěn)狀態(tài)，車速對于構架橫向振動加速度的影響作用不及正常運行狀態(tài)下明顯。

選擇構架橫向振動加速度變化更為明顯的d-0.4廓形與新車輪匹配工況，分析不同速度條件下構架橫向振動加速度的時頻特征。仿真計算結果見圖7。

圖7 d-0.4廓形與新車輪匹配時構架橫向振動加速度

由圖7 可知：①d-0.4廓形與新車輪匹配工況下，隨著速度提高，構架橫向振動更加劇烈。車速300、350、400 km/h 對應的構架橫向振動加速度有效值分別為0.62、0.69、0.77 m/s2，車速400 km/h 對應的構架橫向振動加速度有效值比車速300 km/h 增加24%。②三種速度對應的構架橫向振動加速度主頻均為1.5 Hz，該頻率特征與現(xiàn)場出現(xiàn)低錐度晃車時的頻率特征［7］十分接近，且隨速度提高，1.5 Hz 頻率對應的振動幅值明顯增大。可見，較大負偏差鋼軌廓形與新車輪匹配時，速度提高將增大構架橫向振動加速度低頻振動幅值，加劇構架橫向振動，增加車輛低頻失穩(wěn)風險。

3 結論

1）不同偏差實測鋼軌廓形與磨耗車輪匹配對應的名義等效錐度均明顯大于新車輪，名義等效錐度隨負偏差減小而增大，隨正偏差增大而增大。

2）不同偏差鋼軌廓形對應輪軌接觸點分布與現(xiàn)場鋼軌光帶分布特征對應。負偏差鋼軌廓形對應輪軌接觸范圍相對集中，正偏差鋼軌廓形對應的輪軌接觸范圍相對分散。

3）不同偏差鋼軌廓形與磨耗車輪匹配時的橫向振動加速度變化更明顯，鋼軌廓形偏差由-0.4 mm到+0.8 mm，構架橫向振動加速度呈現(xiàn)明顯增大趨勢。較大正偏差鋼軌廓形與磨耗車輪匹配時，構架橫向振動幅值和振動劇烈程度相對基準廓形均會明顯增大，偏差+0.8 mm廓形對應的構架橫向振動加速度幅值較基準廓形增大近2 倍，已出現(xiàn)了明顯的構架蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象，且存在8～10 Hz的抖車頻率特征。

4）不同輪軌型面匹配組合下，構架橫向振動加速度幅值均隨速度提高而增大。較大負偏差鋼軌廓形與新車輪匹配時，速度提高將增大構架1.5 Hz 低頻振動幅值，加劇構架橫向振動，增加車輛低頻失穩(wěn)風險。