高速動車組晃車機理試驗研究

何旭升,吳會超,高峰

(1.廣州鐵路(集團)公司，廣東 廣州 510088； 2.中車唐山機車車輛有限責任公司，河北 唐山 063035)*

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高速動車組晃車機理試驗研究

何旭升1,吳會超2,高峰2

(1.廣州鐵路(集團)公司，廣東 廣州 510088； 2.中車唐山機車車輛有限責任公司，河北 唐山 063035)*

對運營中的高速動車組進行振動在線測試，分析高速動車組車內振動的時頻特性，同時對車輪踏面形狀進行同步測試，研究車輪等效錐度特征，分析比較晃車車輪和正常車輪等效錐度的差異以及對晃車現象的影響.測試結果表明，車體出現晃動時平穩性指標明顯大于2.5，晃動主頻為1.5 Hz左右，主要表現為車體側滾和搖頭的耦合振型；輪軌匹配等效錐度偏小以及抗側滾扭桿、抗蛇行減振器性能衰減是造成車體晃動的主要原因，因此控制輪軌匹配的等效錐度和保證轉向架懸掛系統正常對車輛運營具有重要意義.

晃車；平穩性；等效錐度

0 引言

隨著我國高速鐵路的快速發展，軌道車輛的實際運營速度越來越高，輪軌作用力增大,車體的振動情況也隨之加劇,嚴重影響乘坐舒適性,乘坐舒適性一直是軌道車輛技術人員關注的主要問題之一[1- 3].目前，客運專線上運營的高速動車組在實際線路的某些區段會偶爾出現不明原因的車體晃動現象， 其外在表現特征為在某一地段車體發生小幅晃動，但這種車體晃動持續時間比較短.車體晃動時，由于橫向晃動頻率比較接近人體的敏感區域，從而大大惡化了旅客的乘坐舒適性.文獻[4]針對這種不明原因的車體晃動進行了數值仿真研究，研究表明輪軌關系不匹配使轉向架整體蛇行振型的阻尼因子非常接近零阻尼，是導致晃車現象的原因之一；文獻[5]對機車晃動的原因進行了分析，表明直線鋼軌交替不均勻側磨激勵的機車蛇行運動會引起機車運行中較大的水平振動加速度，是導致機車出現晃車的主要原因；文獻[6]較詳細的分析了引起車輛晃車的原因及治理方法，文獻[7- 8]針對道岔引起的車體晃動進行了試驗研究，通過對道岔結構的改進有效的控制車輛通過道岔是的車體晃動.

本文針對客運專線上運營的高速動車組在實際線路的某些區段會偶爾出現不明原因的車體晃動現象，通過線路試驗測試的手段，結合理論分析，對晃車現象進行深入研究，找出主要影響因素，并采取針對性的措施給予預防和消除.

1 測試方案

1.1 車輪型面測試方案

踏面外形測量采用丹麥格林伍德工程公司研制的MiniProf機械式車輪外形測量儀，如圖1所示，它由手持式專用測量機架和智能測量儀組成.機架有2個擺動式測量手臂、1個帶磁性小輪和固定支架組成.測量時，首先將測量機架安放在待測車輪上，機架依靠磁鋼吸力固定在車輪上，使兩個測量臂在初始位置兩側擺動，建立坐標系的角度零位置.然后將小輪放置在車輪表面上,如圖1所示，從左到右(或相反)推動測量頭，此時，在智能測量儀的屏幕上將會自動呈現測量小輪輪心的軌跡，再次按下測量按鈕后，屏幕將出現車輪型面曲線和有關參數.車輪型面的數據就會自動存盤，一次測量宣告完成，整個過程大約需要3～5 s時間.

(a)MiniProf車輪外形測量儀

(b)測試原理

1.2 振動測試方案

為了能夠了解車體晃動的根本原因，需要研究動車組各部件之間的振動特性及轉向架結構振動傳遞特性，為此分別在動車(01車)、拖車(02車)轉向架軸箱、構架、車體、車內地板布置加速度傳感器，并在車內地板上布置車輛運行平穩性傳感器,測試車輛運行過程中的舒適性指標，舒適性指標測點如圖2所示. 圖2中01車內前左、后右所表示的點分別為一位端和二位端車輛運行平穩性測點，02車平穩性測點布置與01車相同.

圖2 舒適性測點布置及車輪編號示意圖

2 測試結果分析

2.1 輪軌匹配特性分析

為了分析晃車原因，需要對車輪的踏面外形進行測試，并進行踏面的等效錐度分析.將高速動車組的01車和02車的車輪進行編號,編號如圖2所示，圖中數字表示軸號，字母表示左右輪，右側車輪為R，左側車輪為L，如1L表示1軸的左輪.

我國高鐵鋼軌鋪設后需要進行預打磨，預打磨的鋼軌廓形主要采用60N廓形，但實際現場打磨時，由于打磨工藝等原因，有些區段打磨后的鋼軌廓形與目標廓形并不吻合，有的相差甚遠.因此，本文分析車輪的等效錐度采用了三種鋼軌廓形，分別為我國標準鋼軌廓形CHN60、標準打磨廓形CHN60N和打磨廓形CHN60dmh.其中打磨廓形CHN60dmh是動車組曾發生晃車路段的鋼軌廓形，其軌肩處的打磨量較大，比標準軌CHN60低1～2 mm.表1給出了測試車輪踏面和標準踏面分別與三種鋼軌廓形匹配時的等效錐度的對比結果.表1中，“/”左邊的數值表示輪對向左橫移3 mm時的等效錐度，右邊的數值表示輪對向右橫移3 mm時的等效錐度.從表1可以看出，01車的等效錐度普遍比02車的小，也就是說，01車發生晃車的可能性比02車大.尤其車輪與打磨廓形CHN60dmh的匹配更加明顯，標準車輪打磨S1002CN與曾發生晃車路段的鋼軌廓形CHN60dmh的匹配時等效錐度為0.06，而01車的踏面等效錐度接近甚至小于0.06，因此很容易發生晃車現象.根據過去運營數據表明，晃車現象一般發生在輪軌匹配錐度較低時(車輪鏇修精度控制不夠或鋼軌過度打磨都會引起低錐度)，頻率為1.5 Hz左右.

表1 與不同軌面匹配的等效錐度計算結果

2.2 車體振動特性分析

為確定與車體晃動相關的振動特性，本節重點分析了01車和02車正常運行時，車體的振動情況，主要包括平穩性、振動加速度及車體的運動姿態等.通過比較分析，研究晃車的車體和正常車體的振動頻譜特性差異，確定與車體晃動相關的振動特性.

2.2.1 平穩性分析

圖3給出了高速動車組01車空載狀態下車體一位端和二位端處橫向平穩性指標變化曲線，測試區間內車速基本穩定在300 km/h左右.由圖3可知，空載狀態下高速動車組01車一位端橫向平穩性指標最大值約為2.6，并且絕大部分區間橫向平穩性指標小于2.5，而01車二位端橫向平穩性指標最大值達到了3.0，且絕大部分區間橫向平穩性指標均大于2.5.圖4給出了高速動車組01車空載狀態下車體一位端和二位端處垂向平穩性指標變化曲線.垂向平穩性指標的分布情況與橫向平穩性指標類似，即二位端的垂向平穩性要明顯大于一位端的垂向平穩性指標.

(a)一位端

(b)二位端

(a)一位端

(b)二位端

圖5給出了高速動車組02車空載狀態下車體一位端橫向和二位端垂向平穩性指標變化曲線.由圖中可知，空載狀態下高速動車組02車一位端和二位端的橫向、垂向平穩性指標最大值都不超過2.0，與01車相比平穩性指標要小的多，滿足高速動車組運行平穩性要求.

(a)一位端橫向

(b)二位端垂向

2.2.2 車體振動特性分析

從上一節的分析結果可知，01車二位端的平穩性指標要明顯高于一位端，為此分析了01車體二位端的振動頻譜特性，分析結果如圖6所示.

(a)橫向

(b)垂向

從圖中可以看出，平穩性指標超標時無論是橫向振動還是垂向振動，主頻主要集中在1.5 Hz附近,這與過去運行中出現的1.5 Hz的晃車頻率相同.

為了分析二位端平穩性指標大于一位端的根本原因，分析了01車一位端和二位端橫向振動在時域和頻率方面的差異，分析結果如圖7、圖8所示.

(a)左側

(b)右側

(a)一位端

(b)二位端

對車體橫向加速度進行0.5～3 Hz帶通濾波，由圖7可知，01車二位端左右側橫向加速度幅值為0.06～0.1 g，一位端左右側橫向加速度幅值為0.04～0.06 g；由圖8可知，二位端在1.5 Hz的振動能量要明顯大于一位端，這從另一個角度也證明了二位端的振動明顯大于一位端.

2.2.3 車體運動姿態分析

經過0.5～3 Hz帶通濾波，研究了01車晃動時的運動姿態，01車一位端和二位端橫向加速度如圖9所示，二位端橫向加速度不但明顯大于一位端橫向加速度，而且存在約90°相位差.進一步研究表明，01車二位端和一位端垂向加速度幅值雖然相同，但相位相差180°,方向恰好相反.以上振型分析表明，01車車體晃動時存在明顯的側滾和搖頭運動，或者說車體兩端相位相差90°的橫向振動和相位相差180°的垂向振動導致了車體出現晃車現象.

圖9 01車體一位端和二位端橫向振動關系

3 結論

本文對出現晃車的高速動車組進行在線測試，得到車內振動情況，并對其平穩性及時頻特性進行了分析，然后對車輪踏面形狀進行了同步測試，研究等效錐度對晃車的影響.通過以上分析，得到如下結論和建議：

(1)高速動車組出現晃車時，車體振動比較大，平穩性指標最大值達到了3.0，晃車主頻為1.5 Hz左右，表現為車體側滾和搖頭的耦合振型；

(2)等效錐度偏小，會造成晃車現象發生，晃車車輪與發生晃車路段的鋼軌廓形CHN60dmh匹配時等效錐度為0.06，相對于標準踏面和標準軌面匹配的0.165等效錐度小的多；

(3)車體二位端振動明顯大于一位端，表明二位端轉向架的抗側滾扭桿或者抗蛇行減振器相關性能參數有差異，需要對這些部件進行性能檢測，以便查找其產生差異性原因.

[1]李艷,張衛華,池茂儒.車輪踏面外形及輪徑差對車輛動力學性能的影響[J].鐵道學報,2010,32(1):104- 108.

[2]熊俊，宋曉東，梁魁.基于SIMPACK的振動貢獻量及舒適性計算分析[J].機械,2015,42(5):25- 28.

[3]劉轉華,林建輝.列車乘坐舒適性與平穩性測試及評價[J].中國測試技術,2004(2):39- 40.

[4]孫善超,王衛東,劉金朝.基于車輛系統穩定性分析的晃車現象研究[J].中國鐵道科學,2012,33(2):82- 88.

[5]葉一鳴,貢照華.機車晃車原因分析及其預防[J].鐵道學報,2003,25(1):113- 117.

[6]李杰.淺析鐵路線路晃車原因及整治[J].管理科學,2012,41(1):85- 86.

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Test Study on Carbody Swing of High-Speed EMUs

HE Xusheng1，WU Huichao2，GAO Feng2

(1.Guangzhou Railway(Group) Company,Guangzhou 510088,China; 2.CNR Tangshan Railway Vehicle Co.,Ltd,Tangshan 063035,China)

The interior vibration of the high-speed EMUs were measured on the line with the purpose of identifying their characteristics. The obtained results were analyzed to obtain the vibration level and the spectra. Meanwhile, the profile of wheel was also measured in order to study equivalentconicity of the wheelset, and analyze diffrences between normal wheel and wheel of carbody swing. It is found that sperling index is more than 2.5 obviously while carbody swinging, corresponding to themain frequency of about 1.5 Hz, plays a coupling model shape of roll and yaw.The main reason is that equivalentconicity is lower and performance decay of yaw damper or anti-rolling bar.So there is important signification for vehicle normal operation controlingequivalentconicity of wheel/rail matching and normal bogie suspension system.

carbody swing;sperling index;equivalent conicity

1673- 9590(2017)01- 0021- 05

2016- 05- 08

牽引動力國家重點實驗室開放課題資助項目(TPL1402)

何旭升(1984-)，男，工程師，學士，主要從事動車組運用檢修的研究

E-mail:emuhexs@126.com.

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