高速鐵路動(dòng)車組異常抖動(dòng)原因分析及對(duì)策

管曙剛 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海工務(wù)段

2019年2月至3月，國(guó)內(nèi)京滬高鐵連續(xù)出現(xiàn)了多起某型動(dòng)車組抖車現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為車體出現(xiàn)高頻抖動(dòng)并引起了座椅、行李架的抖動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生了一定的噪音，影響旅客乘坐舒適性。

動(dòng)車組抖動(dòng)的主要特點(diǎn)：

（1）動(dòng)車組車輪臨近鏇修時(shí)容易出現(xiàn)抖車；

（2）抖車集中在濟(jì)南局與上海局管內(nèi)個(gè)別區(qū)段；

（3）抖車動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度未出現(xiàn)報(bào)警。

本文以京滬高鐵上海局管內(nèi)線路為研究對(duì)象，對(duì)車輛和鋼軌狀態(tài)進(jìn)行調(diào)查研究，分析了造成動(dòng)車組抖車的原因并提出處理措施，確保高鐵動(dòng)車運(yùn)行安全和舒適。

1 抖車振動(dòng)特性分析

工務(wù)部門會(huì)同車輛部門對(duì)抖車的動(dòng)車組進(jìn)行了添乘，并測(cè)試了發(fā)生抖車的車底板、側(cè)墻、行李架與座椅的振動(dòng)加速度。通過(guò)測(cè)試可知：

（1）抖車區(qū)段車體平穩(wěn)性顯著降低，添乘測(cè)試車體橫向平穩(wěn)性為2.4（主機(jī)廠添乘測(cè)試平穩(wěn)性最大超過(guò)3.0）。

（2）抖車時(shí)車底面的垂向振動(dòng)加速度明顯小于橫向，但是傳遞至側(cè)墻、行李架、座椅后垂向振動(dòng)加速度顯著增加。

（3）抖車時(shí)底板、側(cè)墻、行李架、座椅的振動(dòng)加速主頻都為7.9 Hz，且可明顯聽(tīng)到座椅與行李架發(fā)出噠噠噠的抖動(dòng)聲。

2 輪軌匹配分析

2.1 車輪型面

對(duì)發(fā)生抖動(dòng)的動(dòng)車組車輪型面進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)測(cè)車輪型面與標(biāo)準(zhǔn)車輪型面對(duì)比見(jiàn)圖1，可見(jiàn)實(shí)測(cè)車輪型面在踏面區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的凹磨，凹磨寬度約為40 mm，滾動(dòng)圓處磨耗深度約1.2 mm，除此之外并未出現(xiàn)其他異常。

圖1 車輪踏面外形對(duì)比

2．2鋼軌廓形分析

京滬高鐵上海局管內(nèi)抖車區(qū)段集中在南京至無(wú)錫段，該區(qū)段鋼軌廓形在2011年預(yù)打磨后未進(jìn)行GMC-96X打磨車的預(yù)防性打磨，僅每年安排一次鋼軌快速打磨，快速打磨可提高線路的平順性，但對(duì)鋼軌廓形的改善效果有限。通過(guò)調(diào)查并統(tǒng)計(jì)抖車區(qū)段鋼軌發(fā)現(xiàn)：1）鋼軌光帶較寬（見(jiàn)圖2~圖3），寬度在40 mm~52 mm之間；2）與設(shè)計(jì)廓形60D相比，抖車區(qū)段鋼軌廓形在軌距角部位存在正偏差超限，最大偏差量約為+0.8 mm~+1.0 mm，見(jiàn)圖4~圖7。

圖2 上行K1092+663右股光帶（寬度42 mm）

圖3 上行K1092+683右股光帶寬度（51 mm）

圖4 上行K1148+500左右軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對(duì)比（藍(lán)色為標(biāo)準(zhǔn)廓形）

圖5 上行K1149+500左右軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對(duì)比（藍(lán)色為標(biāo)準(zhǔn)廓形）

圖6 上行K1091+000左右軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對(duì)比（藍(lán)色為標(biāo)準(zhǔn)廓形）

圖7 上行K1091+000左右軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對(duì)比（藍(lán)色為標(biāo)準(zhǔn)廓形）

2.3 輪軌匹配特性

選取出現(xiàn)抖車的動(dòng)車組車輪踏面與抖車區(qū)段鋼軌廓形進(jìn)行仿真計(jì)算，其中輪軌匹配等效錐度結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，抖車動(dòng)車組輪軌匹配等效錐度均大于0.33，部分車體的輪軌匹配等效錐度甚至已經(jīng)超過(guò)經(jīng)驗(yàn)限值0.4。過(guò)大的等效錐度將增大轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)頻率，當(dāng)蛇行失穩(wěn)頻率與車體彈性模態(tài)接近時(shí)，極易引起車體彈性振動(dòng)而出現(xiàn)抖車情況。

表1 輪軌匹配等效錐度

圖8 和圖9為輪軌接觸點(diǎn)分布情況。出現(xiàn)抖車的動(dòng)車組車輪踏面與抖車區(qū)段鋼軌匹配時(shí)，由于車輪存在較大凹磨，輪軌接觸點(diǎn)主要分布于外軌與軌距角，容易出現(xiàn)假性輪緣接觸，加劇輪對(duì)橫向振動(dòng)。

圖10 為輪軌匹配等效錐度曲線。可見(jiàn)等效錐度曲線呈負(fù)斜率趨勢(shì)，研究發(fā)現(xiàn)負(fù)斜率的等效錐度曲線不利于構(gòu)架穩(wěn)定性。

圖8 1號(hào)動(dòng)車組1車導(dǎo)向輪對(duì)輪軌接觸

圖9 2號(hào)動(dòng)車組3車導(dǎo)向輪軌輪軌接觸特性

圖10 輪軌匹配等效錐度曲線

3 抖車其它影響因素分析

車輪磨耗后，構(gòu)架蛇行分岔主要為超臨界分岔，即隨著運(yùn)行速度提高，輪對(duì)先出現(xiàn)周期性小幅橫向蛇行運(yùn)動(dòng)且其幅值隨速度不斷增大，當(dāng)蛇行運(yùn)動(dòng)幅值達(dá)到某一臨界點(diǎn)則出現(xiàn)大幅蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象。如圖11所示，臨近鏇修周期時(shí)動(dòng)車組以350 km/h的速度通過(guò)某些區(qū)段時(shí)，輪對(duì)會(huì)出現(xiàn)小幅蛇行運(yùn)動(dòng)，也可能是產(chǎn)生抖車的誘因之一。

圖11 蛇行分岔圖

4 處理措施

從分析結(jié)果可見(jiàn)，車輪臨近鏇修時(shí)產(chǎn)生的凹磨及鋼軌打磨不到位（即鋼軌軌距角處正偏差超限）是造成動(dòng)車組抖車的重要因素。所以，對(duì)于動(dòng)車組抖車的治理，可從車輪鏇修和鋼軌打磨兩方面予以解決。前期研究表明，良好的鋼軌打磨可保證甚至延長(zhǎng)動(dòng)車組的鏇修周期，所以，對(duì)于出現(xiàn)抖車的線路，應(yīng)當(dāng)制定精細(xì)化的鋼軌打磨計(jì)劃和方案，做到：

（1）打磨計(jì)劃要合理

應(yīng)做到區(qū)間線路和岔區(qū)線路的貫通打磨，即保證岔區(qū)線路和區(qū)間線路鋼軌廓形的一致性。工務(wù)部門在制定打磨計(jì)劃時(shí)，應(yīng)保證打磨計(jì)劃可以滿足車站道岔及站內(nèi)外線路的覆蓋打磨。

（2）治理方式要科學(xué)

目前，各鐵路局均配備有96頭鋼軌打磨車，20頭道岔打磨車及人工小型打磨機(jī)具。對(duì)于左右股對(duì)稱性良好，且存在長(zhǎng)大區(qū)間抖車的線路，可采用96頭鋼軌打磨車進(jìn)行跨區(qū)間打磨，打磨后廓形滿足《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求；對(duì)于左右股對(duì)稱性不良，且存在動(dòng)車組抖車的線路，應(yīng)優(yōu)先采用20頭道岔打磨車進(jìn)行分區(qū)段精細(xì)化打磨，以消除兩股鋼軌的不對(duì)稱度，必要時(shí)可輔以人工小機(jī)打磨，再進(jìn)行兩股鋼軌廓形的修復(fù)，在保證兩股對(duì)稱性的前提下，廓形應(yīng)滿足《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求。

（3）打磨方案要細(xì)化

對(duì)于存在抖車的線路，應(yīng)對(duì)抖車區(qū)段鋼軌廓形進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，通過(guò)測(cè)量結(jié)果確定打磨位置及打磨量。

5 結(jié)論及建議

綜合上述分析，京滬高鐵某型動(dòng)車組抖車的原因是磨耗后期凹磨嚴(yán)重的車輪踏面與部分區(qū)段鋼軌匹配不良，輪軌匹配等效錐度過(guò)大使構(gòu)架出現(xiàn)8 Hz左右蛇行運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)頻率特征，該頻率特征傳遞至車體,可能與車體彈性模態(tài)接近而激起車體共振,產(chǎn)生抖動(dòng)。同時(shí),8 Hz左右頻率特征也傳遞至座椅與行李架，影響旅客乘車舒適性。

建議對(duì)抖車頻繁且接近鏇修周期的動(dòng)車組進(jìn)行車輪鏇修，并對(duì)長(zhǎng)期未打磨區(qū)段鋼軌進(jìn)行預(yù)防性打磨。