CRH5型動車組車體異常抖動原因分析及對策

張 金

（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）

CRH5型動車組的原型車是法國阿爾斯通公司為芬蘭國鐵生產(chǎn)的SM3 動車組，2004年經(jīng)鐵道部引進，后由長春軌道客車股份有限公司進行自主化、國產(chǎn)化改造。改造后的CRH5型動車組設(shè)計最高運營速度為250 km/h，具有抗風、沙、雨、雪、霧等惡劣天氣的能力，可在-40 ℃的高寒及高海拔條件下正常運行，多用于東北和西北地區(qū)。CRH5 型動車組運營過程中，在京滬、哈大、哈齊、沈丹、蘭新二線、西寶等高速鐵路線路上出現(xiàn)了多起車體異常抖動的情況［1-3］，乘車舒適性顯著降低，嚴重影響動車組運行安全。本文以哈齊客運專線為研究對象，對異常抖動的車輛狀態(tài)和抖車區(qū)段的線路情況進行調(diào)查，分析CRH5型動車組車體異常抖動的原因，并提出有效的對策，以確保動車組運行的舒適性和安全性。

1 車輛狀態(tài)調(diào)查

1.1 車輛振動情況

哈齊客運專線CRH5 型動車組車輪鏇修后運行15.4 萬km 時，車體出現(xiàn)異常抖動的情況。車體振動時頻特性和車體橫向振動加速度見圖1、圖2。可以看出，車輛運行產(chǎn)生異常抖動時，車體振動時頻特性顯示出6～8 Hz 的集中頻率，且橫向振動能量較大，振動加速度幅值超過0.5g，由此可以推斷出6～8 Hz是引起車輛異常抖動的主振頻率。

圖1 車體振動時頻特性

圖2 車體橫向振動加速度

1.2 車輪磨耗情況

對發(fā)生車體異常抖動的動車組進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)車輪踏面存在較大的凹形磨耗，如圖3所示。可以看出：①鏇修后運行20萬km 的動車組車輪踏面凹形磨耗約1.2 mm，全線出現(xiàn)了嚴重的車體抖動；②鏇修后運行15 萬km 的動車組車輪踏面凹形磨耗約0.8 mm，部分區(qū)段出現(xiàn)了不同程度的車體抖動；③新鏇修的動車組車輪踏面接近XP55標準車輪廓面，個別區(qū)段出現(xiàn)了輕微的車體抖動。調(diào)查結(jié)果表明：動車組運行15 萬～20萬km，車輪踏面出現(xiàn)1.0 mm左右凹形磨耗時，將造成輪軌接觸關(guān)系不良，進而引發(fā)動車組車體異常抖動。

圖3 車輪踏面磨耗情況

2 線路情況調(diào)查

2.1 軌道幾何尺寸

對哈齊客運專線抖車區(qū)段的軌底坡和軌距進行了檢測，結(jié)果見表1。可知，軌底坡測量值介于1：47～1：42，軌距測量值介于1 434.7～1 435.1 mm，均在標準規(guī)定的范圍內(nèi)。

表1 軌底坡和軌距檢測結(jié)果

2.2 鋼軌踏面硬度

表2為哈齊客運專線抖車區(qū)段的鋼軌踏面硬度測量結(jié)果，可見，左股鋼軌踏面硬度平均值為290.8 HB，右股鋼軌踏面硬度平均值為291.6 HB，左右股鋼軌的踏面硬度值均在母材U71MnG 硬度值260～300 HB 的范圍內(nèi)，基本無加工硬化。

表2 鋼軌踏面硬度測量結(jié)果 HB

2.3 鋼軌表面不平順

圖4（a）為哈齊客運專線抖車區(qū)段的鋼軌波浪形磨耗宏觀形貌，可以看出鋼軌表面存在肉眼可見的波浪形磨耗，波長約為100 mm。對該區(qū)段鋼軌表面不平順重新進行了檢測，結(jié)果見圖4（b）—圖4（d），可以看出，左股鋼軌波浪形磨耗的特征波長L為100 mm，對應(yīng)的最大波深D約為0.079 mm；右股鋼軌波浪形磨耗的特征波長L也為100 mm，對應(yīng)的最大波深D約為0.070 mm。根據(jù)鋼軌表面存在波長約100 mm 的波浪形磨耗，并結(jié)合實際運行速度200 km/h 進行換算，得到鋼軌波浪形磨耗引起的振動頻率約為550 Hz，與車體異常抖動的主振頻率6～8 Hz差異較大，表明鋼軌波浪形磨耗不是引起動車組抖車的根本原因。

圖4 鋼軌表面不平順情況

2.4 軌頭廓形和鋼軌光帶

對哈齊客運專線抖車區(qū)段典型的軌頭廓形和鋼軌光帶情況進行了調(diào)查，如圖5所示。可以看出：①在所有動車組均出現(xiàn)嚴重抖車的地段，鋼軌實測廓形60D-H 與設(shè)計廓形60D 比較，軌距角R80 圓弧處明顯凸出，最大偏差約為+0.80 mm，鋼軌光帶不居中，偏向軌距角側(cè)，寬度約為40 mm；②在部分動車組出現(xiàn)抖車的地段，鋼軌實測廓形60D-S與設(shè)計廓形基本接近，鋼軌光帶較居中，寬度約為25 mm；③在個別動車組出現(xiàn)輕微抖車的地段，鋼軌實測廓形60D-L 與設(shè)計廓形比較，軌距角R80 圓弧處略微凹陷，最大偏差約為-0.20 mm，鋼軌光帶居中，寬度約為20 mm。調(diào)查結(jié)果表明，鋼軌廓形打磨不到位使得工作邊軌距角凸出，導(dǎo)致輪軌關(guān)系匹配不良，引起動車組車體異常抖動。

圖5 抖車區(qū)段典型的軌頭廓形和鋼軌光帶情況

3 動車組抖車原因分析及對策

3.1 輪軌匹配等效錐度

等效錐度是用于評價輪軌接觸幾何狀態(tài)的重要指標，決定著輪軌之間的匹配程度。等效錐度的大小與動車組的動力學性能密切相關(guān)，等效錐度過小將導(dǎo)致動車組出現(xiàn)晃車，等效錐度過大將引起動車組構(gòu)架橫向加速度報警［4］。

為了分析動車組車體異常抖動的原因，利用UIC 519—2004［5］中的積分法，采用 FORTRAN 軟件編程，計算了不同工況下的名義等效錐度，結(jié)果見圖6和表3。

從圖6中可以看出，隨著車輛運行里程的增加，車輪踏面凹形磨耗不斷增大，等效錐度逐漸變大。另外，由表3可知：①新鏇修的車輪與實測鋼軌60D-H，60D-S，60D-L 匹配的名義等效錐度 0.057，0.052，0.051 接近XP55 標準車輪與60D 鋼軌匹配的名義等效錐度0.054；②運行一段時間出現(xiàn)凹形磨耗的車輪與實測鋼軌60D-H，60D-S，60D-L 匹配的名義等效錐度對比，60D-L 較小，60D-S 次之，60D-H 較大；③運行20 萬km 的車輪與60D-H 鋼軌匹配的名義等效錐度為0.310，大于其與60D-S 鋼軌匹配的名義等效錐度0.209，也大于運行15萬km 的車輪與60D-H 鋼軌匹配的名義等效錐度0.223，同時均不滿足歐洲鐵路TSI標準中規(guī)定的“速度為230

上述情況表明：①踏面凹形磨耗的車輪對鋼軌軌頭廓形比較敏感，其與軌頭廓形狀態(tài)較差的鋼軌匹配時等效錐度過大是引起動車組車體異常抖動的主要原因；②踏面良好的車輪對鋼軌軌頭廓形不敏感。因此只要對車輪踏面進行鏇修，恢復(fù)到設(shè)計廓形，就可以大幅度降低等效錐度，改善輪軌匹配關(guān)系，解決動車組抖車的問題。

圖6 不同工況下名義等效錐度隨運行里程的變化情況

表3 不同工況下的名義等效錐度計算結(jié)果

3.2 輪軌接觸幾何關(guān)系

根據(jù)車輛狀態(tài)和線路情況的調(diào)查結(jié)果，以CRH5型動車組的XP55 標準車輪、磨耗車輪（運行15 萬km 和20 萬km）和不同實測廓形鋼軌（60D-L，60D-S，60D-H）為研究對象，建立輪軌匹配幾何關(guān)系計算模型，分析各種工況下的輪軌接觸幾何關(guān)系。

圖7為XP55標準車輪與實測鋼軌 60D-L，60D-S，60D-H 的輪軌接觸點對分布情況。可以看出XP55 與60D-L，60D-S 的輪軌接觸點主要集中在軌頭踏面中心；而與60D-H 的輪軌接觸點則偏向軌距角側(cè)，輪軌接觸點分布范圍較寬，使輪軌橫向力增大，并且接觸點位置出現(xiàn)跳躍，車輛在運行過程中容易產(chǎn)生較大的輪徑差，進而引起動車組車體異常抖動［7］。實測鋼軌60D-H的軌距角凸出，與XP55標準車輪匹配時輪軌接觸關(guān)系不良，可以通過鋼軌打磨使60D-H 變成60D-S或60D-L，從而改善輪軌接觸關(guān)系，實現(xiàn)輪軌合理匹配，達到解決動車組抖車的目的。

60D-L 鋼軌與XP55 標準車輪的輪軌接觸幾何關(guān)系最佳，故此選擇60D-L 鋼軌與不同磨耗車輪進行匹配，其輪軌接觸點對分布情況如圖8所示。可以看出，隨著車輛運行里程的增加，車輪踏面磨耗量逐漸增大，且出現(xiàn)了明顯的踏面凹形磨耗，輪軌接觸點由軌頭踏面中心逐步偏向軌距角，輪軌接觸范圍逐漸變寬，輪軌橫向力不斷增大。與此同時，在凹形磨耗車輪的兩側(cè)會出現(xiàn)多個不同的接觸位置（即軌頂處存在多個不同的輪軌接觸光帶），且接觸位置過渡存在一定的跳躍現(xiàn)象，車輛運行過程中車輪有一定橫移量時會出現(xiàn)輪軌接觸位置突變，如遇其他線路激擾時會引起動車組抖車。

圖7 XP55標準車輪與不同實測鋼軌的輪軌接觸點對分布情況（單位：mm）

圖8 60D-L鋼軌與不同磨耗車輪的輪軌接觸點對分布情況（單位：mm）

CRH5型動車組的車輪標準廓形為XP55，XP55 車輪為錐形車輪，具有5.5%的錐度，適合在法國1∶20軌底坡和1 360 mm 輪背內(nèi)側(cè)距的線路上運用，與我國1∶40軌底坡和1 353 mm輪背內(nèi)側(cè)距的條件明顯不同。由于軌底坡變小，輪軌接觸點必然偏向軌距角側(cè)，而輪背內(nèi)側(cè)距變小，不僅使輪軌之間的游間加大，而且名義輪軌接觸的平衡點也發(fā)生了改變，這些因素導(dǎo)致輪軌匹配關(guān)系不理想。在車輪廓面不能改變的情況下，通過鋼軌打磨形成適合于動車組車輪廓面的軌頭廓形可以實現(xiàn)輪軌關(guān)系的合理匹配。但是，如果鋼軌打磨不合適導(dǎo)致軌頭廓形不良（輪軌關(guān)系不匹配），容易引起動車組構(gòu)架橫向加速度報警、抖車或晃車，危及動車組運行安全。武廣、京滬、哈大等高速鐵路鋼軌軌距角側(cè)打磨量不足，部分地段引起動車組構(gòu)架橫向加速度報警及抖車；合武、秦沈等高速鐵路鋼軌軌距角側(cè)打磨量過大，部分地段引起晃車［8］。

為改善我國輪軌匹配關(guān)系，提高動車組運行品質(zhì)，避免動車組出現(xiàn)異常振動情況（橫向加速度報警、抖車或晃車），須要對鋼軌打磨廓形進行設(shè)計。中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所經(jīng)過多年輪軌關(guān)系研究，根據(jù)輪軌接觸理論設(shè)計出適用于我國高速鐵路的鋼軌打磨廓形60D 和60N［9］。60D和60N 廓形已被納入中國鐵路總公司頒布的鐵總運〔2014〕357 號《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》［10］，廣泛用于指導(dǎo)高速鐵路鋼軌的廓形打磨。近年來實踐證明［7-8］，按照 60D 和 60N 廓形的偏差下限進行 60 kg/m標準鋼軌打磨，打磨后的鋼軌與凹形磨耗的XP55 車輪匹配情況良好，可有效改善輪軌接觸關(guān)系，解決CRH5型動車組抖車的問題。

4 結(jié)論與建議

CRH5型動車組車體異常抖動的主要原因是車輪踏面凹形磨耗嚴重，以及鋼軌廓形打磨不到位導(dǎo)致軌距角凸出，使得輪軌匹配等效錐度達0.3以上；輪軌接觸幾何關(guān)系不良導(dǎo)致車體出現(xiàn)與輪對、構(gòu)架相同的頻率，形成6～8 Hz的高頻振動響應(yīng)，此時輪對、構(gòu)架及車體出現(xiàn)同步蛇行運動，表現(xiàn)為車體異常抖動。

建議制定經(jīng)濟合理的車輪鏇修周期，提高車輪鏇修質(zhì)量。同時加強鋼軌廓形打磨的控制力度，確保廓形打磨到位，從而優(yōu)化輪軌接觸幾何關(guān)系，使輪軌匹配等效錐度始終處于合理可控的范圍，避免動車組出現(xiàn)異常抖動的情況影響車輛運行的平穩(wěn)性。