動車組高頻異常振動成因輪軌耦合試驗分析*

朱韶光， 董孝卿， 許自強

(1 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100081；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081)

我國高速鐵路開通以來，動車組異常振動一直是困擾旅客列車正常運營的主要問題，近年尤以高頻振動為主。目前蘭新、貴廣等線路均出現過零部件異常裂紋等影響運營安全的高頻異常振動現象。經過調研和分析發現目前高頻異常振動主要是由于車輪多邊形和鋼軌波磨等固定波長頻率在列車運營過程中隨速度變化后與零部件固有頻率重合，使零部件共振引起的。目前國內外對車輪多邊形和鋼軌波磨的產生原因均有較多研究，J.Kalousek[1-3]等在1992年已開始對車輪多邊形現象進行研究，1986年開始，Frederick等[4-5]已開始對鋼軌波磨現象進行數值模擬，近年我國學者金學松、譚立成等[6-9]對車輪多邊形和鋼軌波磨現象開展了大量研究工作，但采用試驗測試特別是對車輛和軌道同時進行耦合測試研究的較少。

1 高頻振動現象及試驗設計

蘭新線某運營動車組在檢修時發現制動盤螺栓出現裂紋、脫落等現象，如圖1～圖4所示，通過對車輛線路振動測試、車輪和鋼軌靜態測試，發現故障車輛制動盤在514 Hz和843 Hz附近存在明顯峰值頻率，該型動車組車輪存在26～28階多邊形，部分區段鋼軌存在60～70 mm波長的波磨現象，同時該線路列車恒定運行速度以193 km/h和203 km/h為主。在該速度下車輪多邊形頻率與514 Hz頻率存在重合現象，鋼軌波磨頻率與843 Hz頻率存在重合現象。將異常振動動車組車輪進行旋修消除多邊形后514 Hz峰值頻率明顯降低，該現象為典型的由車輪多邊形和鋼軌波磨造成的高頻異常振動問題。

圖1 制動盤頻譜圖

圖2 固定波長頻率與振動頻率重合

異常振動通常與零部件共振有關，為進一步探索車輪多邊形和鋼軌波磨的產生原因，利用零部件模態測試和輪軌耦合振動測試，分析整備狀態下車輪、制動盤、鋼軌、扣件、軌道板等零部件固有頻率與輪軌固定波長頻率的對應關系，同時選擇軌道固定區段在鋼軌、扣件、軌道板等位置布置加速度傳感器，在發生故障的同類型車輛軸箱、構架等位置布置加速度傳感器，分析列車經過地面測點時車輛和軌道的特征頻率及其與輪軌固定波長頻率的對應關系。分析輪軌系統固有頻率與車輪多邊形和鋼軌波磨頻率的對應關系。

圖3 車輪多邊形測試結果

圖4 鋼軌波磨測試結果

2 模態測試結果

如圖5～圖8所示，采用錘擊法對車輪、制動盤、軸箱、構架等零部件進行整備狀態模態測試，測試結果見表1，可知，制動盤在528 Hz和852 Hz處存在固有頻率，該頻率分別與車輪多邊形和鋼軌波磨在車輛正常運行速度級下頻率相似，即在列車正常運行速度級下車輪多邊形和鋼軌波磨頻率能激擾起制動盤固有頻率。車輪在845 Hz附近存在固有頻率，該頻率與鋼軌波磨頻率相對應，但車輪固有頻率中未發現與車輪多邊形頻率相對應的成分。因模態測試采用錘擊法，軸箱和構架質量較大，其頻率未能充分激勵，該部分頻率在線路振動中進行分析。

圖5 車輪模態測試

圖6 制動盤模態測試

圖8 模態穩態圖

階數制動盤車輪頻率/Hz阻尼比/%頻率/Hz阻尼比/%15282.453461.357 26323.2813840.083 36671.525648 1.395 48520.5498450.875

如圖9～圖11所示，對蘭新線波磨區段的軌道進行錘擊法模態測試，鋼軌、扣件和軌道板測試結果見表2所示，可知，測試區段鋼軌和扣件均未發現與車輪多邊形和鋼軌波磨相對應的頻率成分，軌道板在530 Hz附近和860 Hz附近存在固有頻率分別與車輪多邊形和鋼軌波磨頻率對應。

圖9 鋼軌模態測試

圖10 扣件模態測試

圖11 軌道板模態測試

3 輪軌耦合振動測試結果

因軸箱和構架質量較大，錘擊法模態測試不理想，且錘擊法軌道模態測試時的邊界條件與列車經過時軌道的邊界條件存在較大差異，因此需對輪軌進行耦合振動測試，分析列車經過軌道振動測點時車輛和軌道的頻譜特性。

選擇異常振動車輛，如圖12所示，在車下安裝激光脈沖傳感器，同時在地面測點軌道板上固定反光板，當列車經過地面測點時觸發激發傳感器，實現輪軌耦合振動測試。如圖13所示，軸箱和構架在530 Hz附近存在明顯峰值頻率，該頻率與車輪多邊形頻率對應，在750～870 Hz附近存在明顯峰值頻率，該頻率與鋼軌波磨頻率對應，同時構架在550 Hz附近存在明顯峰值頻率且該頻率由軸箱傳遞至構架存在明顯放大現象。初步分析構架在550 Hz附近可能存在固有頻率，該頻率與多邊形頻率可產生共振。如圖14和圖15所示，鋼軌在不同列車經過時在520 Hz附近及870 Hz附近均存在明顯峰值頻率，軌道板在500 Hz附近存在明顯峰值頻率。

表2 300～1 000 Hz軌道主要模態測試結果

圖12 激光傳感器

圖13 軸箱構架頻譜圖

圖14 鋼軌加速度頻譜圖

圖15 軌道板加速度頻譜圖

4 綜合分析

將模態測試結果和輪軌耦合振動測試結果匯總于表3，因車輪和制動盤模態測試邊界條件與車輛運行時相似，其模態結果可用于綜合分析，而軌道模態測試邊界條件與車輛經過時存在一定差異，其模態頻率僅作為參考。輪軌耦合振動測試時構架在550 Hz頻率處存在明顯放大現象，該現象可能與其固有頻率有關，該數據可用于綜合分析。但軸箱構架在750～870 Hz處頻率可能與線路本身存在輕微波磨有關，因無其他車輛數據進行對比剔除，因此該頻率暫不用于綜合分析。而鋼軌和軌道板分別在520 Hz和500 Hz存在的峰值頻率是通過對不同類型車輛進行分析對比得到的共性結果，在一定程度上可反映其固有頻率，因此可用于綜合分析。

將上述可用于綜合分析的頻率與車輪多邊形和鋼軌波磨頻率對應情況匯總于圖16，可知車輪多邊形頻率與構架、制動盤固有頻率及鋼軌、軌道板振動頻率相對應，鋼軌波磨頻率與車輪、制動盤固有頻率及鋼軌振動頻率相對應。即車輪多邊形和鋼軌波磨頻率在輪軌耦合系統中均存在零部件固有頻率與其相對應。

及時發現并消除輪軌高頻異常振動是保證車輛安全運行的前提條件，緩解車輪多邊形和鋼軌波磨對高頻振動的影響可從兩方面進行考慮：(1)消除激擾源，可通過車輪旋修和鋼軌打磨來實現；(2)破壞輪軌系統共振現象，可通過跨線運行、變速運行、不同車型混跑等方式實現。

表3 測試結果匯總 Hz

圖16 頻率對應情況分析

5 結束語

異常振動與系統零部件共振有關，通過模態測試和輪軌耦合分析，證明輪軌系統中車輪、構架、鋼軌、軌道板存在與車輪多邊形和鋼軌波磨頻率相對應的固有頻率，輪軌系統固有頻率與車輪多邊形和鋼軌波磨的產生存在必然聯系。

由于測試手段和方法的限制，完全整備狀態下大型零部件的模態振型無法通過測試得到，定量分析輪軌各部件對車輪多邊形和鋼軌波磨的影響存在困難。待安全防護手段完備后可開展列車高速通過狀態下軌道工作模態測試和轉向架高頻工作模態測試，得到各零部件模態振型和頻率，分析各階模態對高頻振動的影響。