高速鐵路動車組異常振動與鋼軌打磨研究

張曉陽，單巍

(中國鐵路總公司運輸局，北京100844)

高速鐵路動車組異常振動與鋼軌打磨研究

張曉陽，單巍

(中國鐵路總公司運輸局，北京100844)

針對高速鐵路在運營中出現的動車組構架橫向加速度超限和車體異常抖動現象，采取跟蹤調查、軌道狀態測試、臺架試驗和懸掛參數對比等方法研究得出，輪軌匹配關系不良是出現該現象的主要原因。通過理論分析和現場試驗證明，采取鋼軌打磨和車輪鏇修等措施可改善輪軌匹配關系，有效緩解動車組異常振動現象。本文重點介紹了鋼軌打磨的作用和方法，指出應按60N廓形或設計廓形打磨鋼軌，使輪軌匹配具有合理的等效錐度，并對鋼軌打磨的時機、周期、作業要求及驗收提出了具體建議。

高速鐵路 動車組 異常振動 輪軌匹配 打磨

2013年底，我國高速鐵路的營業里程已經達到11 028 km。高速鐵路運輸快捷方便，不僅緩解了我國長途客運壓力，也改變了人們選擇工作地和居住地的傳統觀念。動車組在運營過程中，出現了構架橫向加速度超限和車體異常抖動等動車組異常振動現象，為及時采取措施，保證高速鐵路乘坐的舒適性，應準確分析異常振動產生的原因。由于在線路上運行的動車組型號較多，動車組跨線運行的數量也逐漸增加，而且我國高速鐵路分布廣、氣候條件及運營條件差異較大，導致動車組異常振動原因分析較為困難。本文分析了動車組異常振動產生原因，研究了解決異常振動的措施，并重點提出了通過打磨改善輪軌匹配關系的具體方法。

1 動車組產生異常振動原因分析

針對動車組構架橫向加速度超限和車體異常抖動兩種典型異常振動情況，采取跟蹤調查、軌道狀態測試、臺架試驗和懸掛參數對比等方法進行研究。

1.1 構架橫向加速度超限原因

動車組構架橫向加速度是轉向架蛇形運動穩定性評價指標，CRH3系列動車組構架橫向加速度超限評判標準:如果連續10次加速度值＞0.8g(濾波3～9 Hz)，就觸發車載報警系統。而綜合檢測車所檢查的車體橫向加速度則是人體舒適度評價指標，是車廂經過減振后的橫向加速度，當某處橫向加速度超過Ⅲ級偏差管理值(0.15g)時，人體會感覺很不舒服［1］。但是，對出現動車組構架橫向加速度超限的車輛進行輪軌力測試，發現出現報警時車輛的輪軸橫向力、脫軌系數和輪重減載率等安全指標均小于標準規定的安全限值。

對報警區段車輪和鋼軌的現場跟蹤調查及測試表明，報警時輪軌的主要狀況有:

1)車輪踏面平均磨耗量不大(大約10萬km磨0.3 mm)，但多數具有踏面凹磨的特征。

2)異常振動區段的鋼軌廓形與標準鋼軌廓形相比，軌距角部位相對突出。

3)當車輪經過磨耗后，遇有未打磨的岔區或鋼軌光帶不良地段，動車組構架橫向加速度偏大，報警機率增加。

4)對于跨線運行的動車組，由于車輪踏面磨耗位置不同，易出現橫向加速度超限。動車組在哈大高鐵冬季以200 km/h運行時，踏面磨耗位置為靠近滾動圓外側2～4 mm;而動車組在京滬高鐵以300 km/h運行時，踏面磨耗位置為靠近滾動圓內側1～2 mm，兩者存在明顯差異。因而當在哈大高鐵服役使用一段時間后的動車組再跨線運行到京滬高鐵時，在部分鋼軌光帶不良地段易出現報警情況。

研究表明，輪軌匹配等效錐度［2］的合理區域為0.08～0.35，等效錐度＜0.08時易產生晃車，等效錐度＞0.35時易產生橫向加速度超限。測試發現，磨耗輪與軌距角突出的鋼軌匹配時，等效錐度較大(＞0.6)，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(＜0.05)，易產生晃車;標準60軌與新車輪或磨耗輪匹配時，等效錐度為0.10～0.35，處于合理區域;新車輪與標準60軌、軌距角突出鋼軌按標準打磨前或打磨后匹配時，等效錐度為0.10～0.25，處于合理區域。

從以上調查分析可以看出，動車組構架橫向加速度超限主要與輪軌匹配關系不良有關。另外，增加抗蛇行減振器動態剛度有利于降低橫向加速度幅值。

1.2 車體抖動原因

在對京滬高鐵濟南西～天津和棗莊～滕州段集中出現的動車組車體異常抖動統計分析后發現，動車組車輪鏇修后運行20萬km后，商務車廂易出現車體異常抖動現象。經測試，車體出現抖動時，振動源來自于輪軌激擾，頻率為8～10 Hz，持續時間為3～5 s，此時構架橫向振動加速度＜0.4g，但經車體、地板、座椅等傳遞后，振動被放大，特別是座椅自振頻率與激擾頻率接近，易發生共振。其中座椅扶手相對地板，其振動加速度放大了2.1倍;座椅靠背相對地板，其振動加速度放大了4.5倍。調查還發現，抖動區段鋼軌軌距角在動車組運行時與輪緣根部圓弧接觸，導致輪軌匹配不良，等效錐度高達0.631。

2 動車組異常振動解決措施

為解決動車組異常振動問題，主要從保持合理的輪軌等效錐度出發，設計合適的車輪型面和鋼軌廓形，從而改善輪軌匹配關系［3］。

1)為了改善標準60 kg/m鋼軌與各型號動車組之間的輪軌接觸關系，提出了鋼軌打磨的設計廓形，打磨后的鋼軌與新車輪或磨耗車輪匹配時，等效錐度均＜0.35。從京滬、哈大等高鐵運營實踐看，按設計廓形進行鋼軌打磨的地段，鋼軌光帶寬度比較理想，基本未出現動車組異常振動現象。

2)以標準60 kg/m鋼軌為原型，設計了60 N新廓形鋼軌［4］。新廓形鋼軌可以做到在直線上輪軌接觸光帶居中，在曲線線路上車輪輪緣貼靠鋼軌形成輪軌共形接觸，并使得輪軌匹配具有合適的等效錐度。京廣高鐵下行K60+915—K75+915鋪設的60 N試驗軌，自2012年底開通運營以來，鋼軌光帶寬度一直保持在26～32 mm。

3)由于新車輪與標準60軌、軌距角突出鋼軌按標準打磨前或打磨后匹配時，等效錐度均＜0.25，因而即使鋼軌軌廓存在問題，車輪踏面鏇修后，也可避免動車組異常振動。在武廣、京滬高鐵現場測試地段，車輪鏇修后，動車組構架橫向加速度、車體抖動明顯減小。因此，應及時對出現凹型磨耗的車輪踏面進行鏇修，同時應對車輪踏面外形開展局部優化研究，增強對不同軌廓的適應性。

此外，將抗蛇行減振器由小動態剛度的T60型更換為大動態剛度的T70型，可有效降低構架橫向加速度幅值;在座椅底座連接處增加彈性墊后，座椅扶手和靠背的振動加速度相對地板的放大倍率分別降低至0.64和1.76，可以有效減小異常振動報警次數。

3 通過鋼軌打磨改善輪軌匹配關系

高速鐵路鋼軌打磨［5］可以提供良好的輪軌匹配關系，為高速列車的安全、平穩和舒適運行提供良好的基礎，同時降低高速列車運行中產生的噪聲，還能預防鋼軌產生病害，延長鋼軌使用壽命，降低高鐵運營成本。

高速鐵路鋼軌打磨按照不同的打磨階段和打磨目的，可以分為預打磨、預防性打磨和修理性打磨三類［6］。鋼軌預打磨是對鋪設上道后新鋼軌的打磨，目的是去除脫碳層，消除鋼軌在生產、焊接、運輸和施工過程中產生的表面缺陷，優化軌頭廓形，改善焊接接頭平順性。鋼軌預防性打磨是運營階段鋼軌修理的主要工作，是對鋼軌進行的周期性打磨，目的是修復軌頭廓形，預防滾動接觸疲勞裂紋、波浪(波紋)磨耗等病害的產生。鋼軌修理性打磨是對已產生病害鋼軌的打磨，目的是修正軌頭廓形，消除或減緩滾動接觸疲勞裂紋、波浪(波紋)磨耗及擦傷等病害。

3.1 國外高鐵鋼軌打磨情況

JR東日本旅客鐵道公司規定，更換鋼軌后1年內要進行1次鋼軌打磨，隨后一般每5 000萬t通過總重打磨一次，以延長鋼軌使用壽命;同時對噪音超標地段有計劃地進行打磨，對于通過住宅密集區的線路1年或每3 000萬t通過總重打磨一次鋼軌，如果每年都進行鋼軌打磨，新干線的鋼軌使用壽命可由20年延長到接近30年。法國高速鐵路新線在開通前要進行一次鋼軌預打磨，開通后根據鋼軌表面狀態不定期進行打磨。德國高速鐵路開通后鋼軌打磨周期一般為4年1遍［7］。

3.2 我國鋼軌打磨時機和周期建議

新鋪設上道鋼軌的預打磨應在軌道精調完成后進行。

已開通運營的高速鐵路，預防性打磨周期應按通過總重和運行狀態確定，原則上每3 000～5 000萬t通過總重進行一次鋼軌預防性打磨，岔區和R≤2 800 m曲線地段打磨周期宜采用通過總重的下限，直線和大半徑曲線區段宜采用通過總重的上限，且一般不宜超過2年［8-9］。

修理性打磨應根據鋼軌狀態及時安排［10］，當重復出現動車組抖車、構架橫向加速度超限且光帶不良，或出現超過標準規定的鋼軌傷損地段，應及時進行修理性打磨。根據近幾年的經驗，當成段鋼軌光帶寬度超過40 mm，或光帶出現連續的周期性寬窄變化，宜有計劃安排鋼軌打磨;如果成段鋼軌光帶超過50 mm，應盡快安排鋼軌打磨。

3.3 鋼軌打磨作業的實施

高速鐵路鋼軌打磨應按照“嚴檢慎修”的原則，提前調查并做好維修設計［11］。鋼軌打磨的目標廓形應為設計廓形或60 N廓形，但不能為滿足光帶寬度和位置要求而過度打磨軌頭兩側區域。

1)打磨作業前

開展現場調查，根據目標廓形、技術標準和現場調查情況制定打磨作業方案。打磨前應先進行打磨參數調整試驗［12］，確認打磨廓形達到要求后，才能進行正式打磨。對焊接接頭軌頭踏面平直度進行檢查，當接頭平直度超標時，應采用仿形打磨設備對焊接接頭進行局部打磨。對影響正常打磨操作地段，尤其是影響軌距角打磨的因素進行調查，并預先采取措施，以保證鋼軌打磨正常進行。

2)打磨作業

及時檢查鋼軌廓形、切削量、磨面寬度等技術指標，根據鋼軌實測廓形與目標廓形差異及時調整打磨程序和完善打磨作業方案，確保實現目標廓形和滿足打磨質量標準要求［13］。打磨車作業速度根據打磨性質和打磨列車特性確定。多遍打磨時，應逐遍降低打磨功率或提高打磨速度，確保打磨后表面粗糙度達標。

3)打磨作業后

要及時清除打磨車及鋼軌頂面的打磨碎屑，嚴防運行過程中掉落在線路或道岔上;及時清理道岔滑床板及無砟軌道上的打磨碎屑。還應做好施工地段及鋼軌打磨車自身的消防工作。相關設備管理單位應及時恢復作業中拆除的設備。道岔打磨作業完成后，應進行道岔扳動試驗。

4)驗收

鋼軌打磨每日作業完成后，工務段應與工務機械段共同查看作業質量，檢測重點項目，并辦理簽認手續。每打磨50～100 km(含同一打磨方案的首日作業)或每打磨5～10組道岔應進行質量驗收。新線鋪設上道的鋼軌預打磨，應逐步實行打磨質量第三方評估。鋼軌打磨的驗收項目包括:打磨廓形、輪軌接觸光帶、打磨深度、打磨面粗糙度、發藍帶、打磨平面寬度、打磨砂輪起落部位的砂輪磨痕、波磨鋼軌打磨前后谷深、滾動接觸疲勞鋼軌表面殘留裂紋、擦傷軌表面硬度等。

打磨后，直線地段和曲線下股鋼軌接觸光帶應基本居中，寬度為20～30 mm;曲線上股鋼軌接觸光帶偏向內側。鋼軌打磨后應無肥邊、無疲勞裂紋、無連續發藍帶。

4 結語

動車組出現異常振動時，應由工務和車輛部門共同進行研究，針對產生的原因，提出處置意見。

鋼軌保持良好的廓形，不僅可以使車輛具有較好的動力學性能，更可以顯著降低輪軌接觸應力，減緩輪軌接觸疲勞，減少軌距角剝離掉塊、飛邊等病害的產生。工務和車輛部門應聯合建立輪軌匹配等效錐度分析和動態管理機制。發生動車組橫向加速度超限或抖動時，應按規范要求采集數據，并統一匯總分析，為進一步完善車輪鏇修及鋼軌打磨管理提供依據。還應進一步開展動車組輪軌匹配關系深化研究，確定最優的輪軌匹配關系，指導中國標準動車組的研制及線路的建設和養護。

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［3］周清躍，劉豐收，田常海，等．高速鐵路輪軌形面匹配研究［J］．中國鐵路，2012(9):33-36．

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［6］周清躍，田常海，張銀花，等．高速鐵路鋼軌打磨關鍵技術研究［J］．中國鐵道科學，2012，33(2):66-70．

［7］盧祖文．客運專線鐵路軌道［M］．北京:中國鐵道出版社，2005:324-326．

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［13］張銘達，劉學毅．鋼軌預防性打磨原理及應用［J］．鐵道建筑，2006(7):86-88．

(責任審編葛全紅)

U213．4+2

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10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．33

1003-1995(2015)03-0119-03

2014-10-20;

2015-02-20

張曉陽(1973—)，男，河南鎮平人，高級工程師。