蘭新客專高速列車轉向架蛇行運動穩定性及影響研究*

王安國， 楊梁崇， 屈 升

(1 中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062；2 中國鐵路蘭州局集團有限公司 車輛處， 蘭州 620100；3 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031)

蛇行運動是由于輪軌幾何關系和蠕滑力引起的特殊現象，是鐵道車輛系統的固有特性。穩定且能快速收斂到平衡位置的蛇行運動對車輛系統影響不顯著，是車輛運行過程中不可避免的現象。文中通過線路實測數據分析了轉向架橫向穩定性的失穩諧波出現的原因及影響。

車輛系統蛇行運動的根本原因在于輪軌非線性關系，可以通過優化適當的一、二系懸掛參數、車輛結構參數和輪軌匹配關系，提高蛇行運動臨界速度。

蛇行運動穩定性的影響因素眾多，即包括輪軌關系、懸掛參數，也有質量參數、結構參數，甚至還有氣候因素、線路條件等。這些因素并不是孤立影響的，而是相互聯系共同影響車輛蛇行運動穩定性；只不過有些因素的影響顯著，有些因素影響次要。有很多學者對此做過相關的研究工作[1-4]。

影響車輛蛇行運動穩定性常見的、主要的因素有等效錐度、一系和二系懸掛參數等。

1 車輛穩定性測試

通過在車組的1車1位轉向架和車體安裝加速度傳感器進行車輛線路實測，獲取一個旋輪周期的線路實測數據。

安裝加速度傳感器的位置有構架端部、車體、制動吊梁和電機。試驗時所有采樣頻率均為2 000 Hz。其中構架端部加速度傳感器用于分析轉向架橫向穩定性，車體枕梁加速度傳感器用于分析轉向架失穩諧波向車體的傳遞及車輛平穩性指標，制動吊梁和電機用于分析轉向架小幅失穩諧波對其影響。

圖1 構架端部安裝的加速度傳感器

根據動車組整車試驗規范依據(鐵運〔2008〕28 號)標準評定：當構架加速度濾波0.5～10 Hz、峰值有連續振動10 次以上達到或超過極限值8 m/s2時，判定轉向架失穩。

選取旋輪周期末期的數據進行分析，對構架橫向加速度數據進行0.5～10 Hz帶通濾波，構架橫向加速度在少量局部路段存在小幅失穩諧波成分。幅值為0.4g，頻率為8.1 Hz。小幅蛇行諧波幅值遠小于標準中的8 m/s2的限值要求，轉向架未發生失穩，見圖2。

圖2 構架橫向加速度(0.5～10 Hz帶通濾波)

由于實際運營的車輛參數都是確定的，而輪軌接觸幾何關系會隨著車輪磨耗、線路參數而改變，等效錐度是表征輪軌接觸幾何關系最直接、最重要的參數，所以等效錐度對蛇行運動穩定性的影響也最顯著。隨著車輛運營里程的增加，等效錐度增大、臨界速度降低。

在測試前對全列車組的踏面進行測試，與CN60標準鋼軌進行匹配，得到車組全列等效錐度。見圖3。

圖3 車組全列等效錐度

CRH5型車采用的踏面為XP55，標準XP55踏面與標準CHN_60鋼軌匹配，等效錐度為0.06。經過一個旋輪周期的運行，1車1位轉向架的1軸輪對和2軸輪對等效錐度線性增長到0.377和0.392，此時等效錐度較大，車輛臨界速度下降，這是導致轉向架出現小幅失穩諧波的一個重要原因。

從圖2可以看出，車輛在絕大部分路段并未出現明顯的諧波成分，諧波成分僅在小部分路段出現。在這些出現諧波的局部路段，車輪與鋼軌型面不良的輪軌匹配，導致車輛在局部路段發生小幅失穩的主要原因。

通過車輪踏面旋修，恢復車輪踏面至標準廓形，可以有效的消除失穩諧波成分，另一方面，通過打磨局部路段的鋼軌，改善輪軌匹配狀態，也是緩解小幅失穩諧波、延長車輪旋修里程的有效手段。

2 小幅諧波的影響分析

轉向架構架橫向加速度存在幅值為0.4g的小幅失穩諧波，遠小于極限值8 m/s2，未達到失穩限值，但是可能會對轉向架造成其他影響，本節從車輛平穩性指標、電機振動、制動吊梁的振動3個角度分析失穩諧波的影響。

2.1 小幅失穩諧波對車輛平穩性指標的影響

利用車體測點數據，按照GB 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》，計算車輛平穩性指標。

從圖4可以看出，車輛橫向平穩性指標均小于2.5限值，評定等級為優秀。在絕大多數路段橫向平穩性指標均小于2.0，在局部路段橫向平穩性指標偏大，達到2.45。

圖4 車輛橫向平穩性指標

平穩性指標計算時至考慮40 Hz以下的頻率成分。將車體橫向加速度進行短時傅立葉變換，獲取車體橫向加速度對應的時頻圖。從圖5的時頻圖中可以看出，車輛平穩性指標偏大的對應的位置，車體0～40 Hz主要頻率成分集中于8 Hz左右。

圖5 車體橫向加速度時頻圖

對車體橫向加速度和構架橫向加速度均進行0.5～10 Hz帶通濾波，分析其時域振動傳遞。

通過圖6可以看出，轉向架小幅失穩諧波由轉向架通過二系懸掛傳遞至車體，對應的車體橫向加速度變大，這是造成車輛橫向平穩性指標局部區段偏大的原因。

截取小幅失穩諧波區段的構架橫向加速度和車體橫向加速度，進行FFT變換，分析構架小幅失穩諧波與車體的頻域傳遞關系。圖7中構架小幅失穩諧波為8.5 Hz，傳遞至車體，諧波傳遞比例為8∶1。

圖6 構架與車體橫向加速度時域傳遞

圖7 構架與車體橫向加速度頻域傳遞

2.2 小幅失穩諧波對電機振動的影響

CRH5型車電機為體懸式，通過彈性元件吊掛在車體底架上。如圖8所示。

轉向架小幅失穩諧波與電機之間的振動傳遞有4種情況：(1)構架-車體-電機；(2)輪對-萬向軸-電機；(3)構架-車體-電機和輪對-萬向軸-電機這2種振動傳遞均存在；(4)構架-車體-電機和輪對-萬向軸-電機這兩種振動傳遞不存在。

從圖9中可以看出，小幅蛇行情況下，車體存在諧波，電機并未有顯著的諧波成分，因此在轉向架小幅失穩諧波情況下，均未通過構架-車體-電機和輪對-萬向軸-電機這兩種振動傳遞對電機造成影響。轉向架小幅失穩諧波對電機橫向振動的影響較小。

圖8 CRH5型車電機懸掛結構

圖9 車體與電機振動加速度振動傳遞

2.3 小幅失穩諧波對制動吊梁的影響

CRH5型車制動吊梁是連接在構架上的附屬部件，制動吊梁連接制動閘片，來實現車組的機械制動。制動吊梁與構架件是通過彈性元件與構架相連接的。

轉向架小幅失穩諧波傳遞至制動吊梁，一方面諧波幅值被放大，放大比例約為2∶3。另一個方面制動吊梁橫向加速度未濾波的原始信號也被明顯放大。見圖9。

將圖10局部放大得到圖11，可以看出，失穩諧波傳遞至制動吊梁，制動吊梁未濾波原始信號存在明顯的沖擊特征，每一個諧波對應2個沖擊。制動閘片連接在制動吊梁上，未制動時制動閘片是自由活動的，并且與制動盤存在小的間隙。構架諧波傳遞至制動吊梁，再傳遞至制動閘片，而此時輪對存在小幅蛇行，閘片與輪對存在相對運行，輪對上的制動盤兩側的制動閘片與制動盤相互作用導致了沖擊，反過來將沖擊信號傳遞至制動吊梁所致。

圖10 構架諧波與制動吊梁振動傳遞

3 結 論

對蘭新專線的動車組進行了長期的線路跟蹤試驗，根據實測的數據分析后可以得出以下結論：

(1) 通過對旋輪周期末期的數據進行分析發現在局部路段存在小幅失穩的現象。對整列車的等效錐度進行測量和統計分析發現，旋輪周期末期的等效錐度有了明顯的增大，部分車輛的等效錐度由初期的0.06增大到0.377和0.392；車輪與出現諧波路段鋼軌的不良輪軌匹配。這是導致車輛在局部路段發生小幅失穩的兩個主要原因。

(2) 分析了小幅失穩對車輛平穩性指標、電機振動和制動吊梁的影響。分析發現，小幅失穩的頻率可以明顯的傳遞到車體，對車輛的平穩性有很大的影響，振動傳遞比例為8∶1；小幅失穩對于電機的振動影響不大；小幅失穩傳遞至制動吊梁幅值被放大，放大比例2∶3。

圖11 構架諧波與制動吊梁振動傳遞

可以看出失穩現象對于車輛的運行是有很大的不利影響的，運行中應該盡量避免該現象的出現，一旦出現可以通過車輪踏面旋修，恢復車輪踏面至標準廓形，有效的消除失穩諧波成分，另一方面，通過打磨局部路段的鋼軌，鋼軌輪軌匹配，也是緩解小幅失穩諧波、延長車輪旋修里程的有效手段。