CR400BF型動車組車體平穩性影響因素分析及實際運用探討

李玉成

(中國鐵路北京局集團有限公司天津動車客車段， 天津 300161)

CR400BF動車組自投入運用以來頻繁發生車體失穩問題，對此國內外學者對車體失穩機理與影響因素進行了廣泛研究。經研究發現車體失穩表現為車體發生2 Hz以內的低頻晃動，其根本原因為車體固有頻率與輪軌激擾頻率發生了耦合，輪軌激擾能量傳遞至車體引起耦合振動，最終引發車體失穩晃動。影響車體失穩主要因素有線路激擾、輪軌匹配等效錐度、鋼軌打磨不到位、研磨子抑制等效錐度增加等，可通過調整鋼軌打磨偏差、提升輪對鏇修質量、研磨子作用建議等措施改善車體失穩[1]。目前針對于動車組運用過程中如何識別引起車體失穩的因素以及車體本身狀態不良引起失穩的平穩性研究較少，因此本文從運行修中出現的典型案例及車體平穩性的監測原理、報警邏輯出發，分析了激擾車體平穩性的主要因素，總結了運用修中識別激擾車體平穩性主要因素的方法及應對措施，并提出實際運用中如何更好利用該功能為動車組運用檢修提供指導。

1 典型案例

1.1 典型案例一

2020年11月京津城際鐵路運行的CR400BF動車組發生平穩性減速1報警，入庫檢查走行部狀態無異常，測量等效錐度正常。查看當日天津地區天氣預報，報警時段天氣情況為大雨，并伴有4級東北風，研判造成當日動車組車體平穩性報警是由大雨導致的輪軌濕滑外加陣風所致。為驗證該結論，對不同天氣情況下動車組平穩性報警情況進行了統計分析(如表1所示)，發現在相同線路條件下(以京津城際鐵路為例)，雨雪天氣下較天氣晴好條件下報警次數明顯增多。

表1 不同天氣情況下動車組報平穩性報警情況統計表

2021年3月CR400BF某動車組運行中00車晃車并降速運行，動車組入庫檢查走行部及相關數據未發現異常；查閱當日晃車區段天氣情況為藍色大風預警：偏南風4到6級、陣風7級，研判晃車為外部大風所致。為驗證該結論，對不同風力條件下動車組平穩性情況進行統計分析(如表2所示)，發現相同線路條件下(以京津城際鐵路為例)風力與晃車呈現正相關性。

表2 不同風力情況下動車組平穩性報警情況統計表

通過上述典型案例，可直觀地發現不同天氣情況、不同風力條件下對動車組平穩性有較大影響，特別是雨雪天氣及大風天氣條件下，動車組更易發生平穩性報警。

1.2 典型案例二

2018年12月-2019年1月CR400BF動車組升級至V1.10版軟件(該版軟件增加了對車體平穩性的監測)后,發現動車組頻繁報代碼2301(平穩性減速1)報警。經對報警數據分析，發現報警區段高度集中在京津城際鐵路下行60～65 km，上行100～110 km處，對線路打磨后該區段報警次數明顯減少；可見線路技術條件不良也是引發的車體平穩性下降的主要因素之一。

1.3 典型案例三

2020年8月-2021年1月，北京局集團公司某CR400BF動車組1車多次發生代碼2301(平穩性減速1)報警，且明顯超出其他動車組及該車組其他車廂。為查明故障原因，先后采取調整交路、更換1車2位平穩性傳感等措施，但報警均未得到改善。后將1車 8根抗蛇行減振器全部更換后報警明顯改善，初步判斷為抗蛇行減振器故障所致。進一步檢測分解更換下的8根抗蛇行減振器，發現1位轉向架右下抗蛇行減振器阻尼力不滿足技術參數要求，2號閥系的阻尼孔存在微小顆粒物堵塞，導致抗蛇行減振器靜態阻尼力和動態剛度增加，引發1車平穩性報警。通過查閱相關文獻及研究發現，列車平穩性指標隨著抗蛇行減振器常開阻尼孔徑的增大而增大，且阻力孔徑變化對橫向平穩性指標的影響更大[2]。可見車輛部件性能不佳或失效也是引起車體平穩性下降的主要因素。

1.4 典型案例四

2020年7月某CR400BF動車組完成三級修，在運用初期1車頻繁發生代碼2301(平穩性減速1)報警，檢查動車組走行部、等效錐度正常，跟蹤至高級修后走行7萬km時平穩性報警顯著減少。根據經驗，動車組在輪對鏇修初期易出現車體低頻晃動，核對鏇修前后數據發現，鏇修后等效錐度出現了較為明顯的下降(但均在建議參考指標之上)，與現有經驗一致。為進一步查明出現該現象的原因，查閱相關文獻及研究發現，動車組在新輪狀態下更易引起車輛低頻晃動[3]，另外隨著踏面磨的不斷磨耗，6萬km后的車輛穩定性能最好，12萬km的平穩性最差，15～20萬km后的橫向平穩性接近[4-5]，同時還發現，輪對產生磨耗對車輛橫向振動影響較為明顯，對垂向振動影響相對較小[6];車輪多邊形對車輛運行平穩性指標影響較小，對輪軌垂向力影響較大[7]，且輪軌力最大值隨著車輪多邊形幅值的增加而增大[8]。由此可見，動車組不同輪對踏面狀態也是影響動車組車體平穩性的主要因素。

2 車體平穩性監測原理及報警邏輯

2.1 車體平穩性監測原理

CR400BF型動車組采用失穩、平穩一體的集成式監測系統，每節車廂分別設有1臺失穩/平穩監控主機、2個失穩傳感器、2個平穩傳感器，用于監測車體、轉向架平穩性。其中，失穩傳感器安裝在轉向架構架端部，每個轉向架設置1個失穩加速度傳感器，用于監測轉向架構架橫向和垂向加速度；平穩傳感器安裝在車體前后端轉向架上方左、右側，每節車廂設置2個平穩加速度傳感器，用于監測車體橫向、垂向和縱向加速度。動車組運行過程中，通過失穩傳感器和平穩傳感器采集轉向架橫向加速度信號及車體橫向、垂向和縱向加速度值來判斷轉向架的穩定性及車體的平穩性，當超出系統預設的預報警限值時，監控主機通過列車網絡輸出預報警信息，并在監測主機中保存相應信息[9]。

2.2 平穩性預警、報警的邏輯

2021年5月前，動車組車體平穩性預報警的邏輯根據GB 5599-85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》[10]設置，平穩性指標值按每 2 s滑移計算1次(當前的平穩性指標值是過去 18 s數據的平均結果)，橫向平穩性指標預警和報警閾值定為：預警閾值2.75，報警閾值3.00；在最近的9次平穩性診斷結果中，如果有6次及以上超過預警閾值2.75，則報預警代碼2301；如果有6次及以上超過報警閾值3，則報報警代碼23B1。

2021年5月后，動車組車體平穩性預報警的邏輯按照GB/T 5599-2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》[11]設置，平穩性指標值按計算時間為5 s，每1 s間隔滑動計算，并暫按以下判據評判車體平穩性：①橫向平穩性連續10次客室(包括司機室)超過2.75/3.0時，進行橫向平穩性預/報警；垂向平穩性連續10次客室(包括司機室)超過2.75/3.0時，進行垂向平穩性預/報警。②在非平穩性抖車、晃車及零部件失效前提下，僅一端平穩性指標連續10次超過3.0時，進行平穩性預警；一、二位端同一方向平穩性指標均連續10次超過3.0，進行平穩性報警。

3 激擾車體平穩性的主要因素分析

CR400BF動車組走行部系統主要由輪對、構架、一系減振系統、二系減振系統、制動裝置、牽引裝置(動車)及附屬裝置組成；其中一系減振系統安裝在轉向架構架上，由軸箱定位裝置、雙卷螺旋鋼彈簧和一系垂向減振器組成；二系減振系統安裝在轉向架構架和車體(枕梁)之間，由空氣彈簧、抗蛇行減振器、二系垂向減振器、橫向減振器、抗側滾扭桿裝置、橫向緩沖橡膠止檔組成[12]；各部件的主要作用及技術狀態不良時對車體平穩性的影響分析如下：

(1)輪對裝置主要作用是將輪對與軌道作用產生的作用力，經轉向架一系軸箱轉臂和軸箱彈簧傳遞至構架。當輪對裝置中輪對的踏面輪緣厚度、徑跳值、多邊形等參數惡化時，將大幅增加輪軌間的作用力，增大轉向架及車體的垂向、橫向振動量。

(2)雙卷螺旋鋼彈簧和一系垂向減振器主要用于減緩和緩沖行駛過程中作用在輪對軸箱上的垂向力。當鋼彈簧斷裂或減振器技術狀態下降或失效時，將大幅減弱對從輪對軸箱上傳遞而來垂向力的吸收，增大作用在轉向架及車體的垂向力及垂向振動。

(3)空氣彈簧主要用于吸收轉向架與車體作用的垂向力和一定的橫向力，緩和車體的垂向及橫向振動。當空氣彈簧漏風或破裂時，將影響對轉向架與車體作用的垂向力和橫向力的吸收。

(4)抗蛇行減振器主要用于減緩和緩沖行駛過程中轉向架相對于車體的快速轉動，消除轉向架的蛇行運動，并提高車體的橫向平穩性。當減振器技術狀態下降或失效時，將影響車體與轉向架之間的回轉阻尼，影響轉向架穩定性及車體的平穩性。

(5)二系橫向減振器主要用于吸收轉向架橫向運動時的能量，衰減車體與轉向架之間的橫向振動。當減振器技術狀態下降或失效時，將影響車體與轉向架之間的橫向振動力的吸收，影響車體橫向平穩性。

(6)二系垂向減振器主要用于抑制轉向架相對于車身的垂向運動，吸收車體與轉向架之間的垂向振動，提高車體垂向平穩性。當減振器技術狀態下降或失效時，將影響車體與轉向架之間的垂向振動力的吸收，影響車體垂向平穩性。

(7)抗側滾扭桿主要用于減緩和緩沖車體在通過曲線或側風作用時過度傾側，改善車體的舒適度。當扭桿技術狀態下降或失效時，將使車體在通過曲線或側風作用時過度傾側。

(8)橫向緩沖器主要用于吸收由于軌道不平順和橫向加速度而引起的橫向力，同時可限制中心銷相對于構架的最大橫向位移。當緩沖器破損或失效時，將影響車體橫向力的吸收。

通過對轉向架各部件作用的分析及技術狀態不良對車體平穩性的影響，以及前述動車組典型案例、車體平穩性的監測原理、報警邏輯的分析，可發現激擾車體平穩性的因素主要有4個方面：一是外界因素，諸如雨雪、大風天氣等；二是線路因素，特別是線路鋼軌因磨耗引起的幾何尺寸變化和形狀惡化等；三是車輛自身技術狀態因素，諸如減振器失效、輪對因磨耗引起的幾何尺寸變化和形狀惡化等；四是輪軌匹配因素，主要為鋼軌與輪對匹配狀態不佳等。

4 車體平穩性報警因素的識別及應對措施

結上所述的綜合分析，針對總結出的激擾車體平穩性的4個主要因素，提出如下識別方法及應對措施：

4.1 識別方法

(1)外界因素引起的車體平穩性報警(簡稱因素一)的識別方法。該因素引起的車體平穩性報警，特別是惡劣天氣(諸如雨雪、大風等)引起的車體平穩性報警，特點主要為多輛動車組(一般為局管內城際線更明顯)或單組動車組多車廂(跨局運行或長交路更明顯)報警。

(2)線路因素引起的車體平穩性報警(簡稱因素二)的識別方法。該因素引起的車體平穩性報警，特別是線路鋼軌幾何尺寸變化和形狀惡化等引起的車體平穩性報警，特點主要為從某一時間節點開始，平穩性報警車組明顯持續增加且每日數量較為穩定，同時途徑該區段的動車組會不同程度的出現車體平穩性報警。

(3)車輛部件技術狀態不良或失效因素引起的車體平穩性報警(簡稱因素三)的識別方法。該因素引起的車體平穩性報警，特點主要為單一動車組單一車廂一端平穩性(極端情況也可能出現2節或多節車廂平穩性報警)不斷出現報警，且通過調整交路亦不會出現明顯改善。

(4)輪軌匹配因素引起的車體平穩性報警(簡稱因素四)的識別方法。該因素引起的車體平穩性報警，特點主要為車組鏇修后初期或鏇修后末期，出現單節車廂或多節車廂報警，但通過更換交路會出現較為明顯改善。

4.2 應對措施

(1)對于因素一引起的車體平穩性報警，技術人員在發現平穩性報警或收到晃車信息時，應結合因素一的特點，綜合當日運行動車組平穩性報警的數量，及時判定是否為外界天氣或大風引起的平穩性下降，初步形成結論后與隨車機械師核對外部因素，進一步驗證判斷的準確性；確定為外部因素引起的報警，待動車組回所后結合輪對踏面診斷系統或人工一級修對轉向架狀態進行檢查確認，后續首趟運行不再發生報警可銷號處理。

(2)對于因素二引起的車體平穩性報警，技術人員在發現平穩性報警顯著性增加時，應結合因素二的特點，及時對報警動車組途徑的交路進行分析，如發現存在共性交路應進一步查閱報警時刻的公里標確定區段，確定共性區段后及時協調工務部門對線路進行處理；同時為保證動車組的運行安全，應選取報警次數較多的動車組進行輪對踏面參數(特別是等效錐度)的測量，進一步排除車輛自身原因；確定為線路問題后，應結合動車組一級修對走行部緊固件狀態重點檢查。

(3)對于因素三引起的車體平穩性報警，技術人員在發現單列動車組平穩性報警顯著增加時，應結合因素三的特點，及時對動車組輪對踏面參數進行測量，優先排除輪對踏面參數超限因素；排除輪對踏面因素后，應對報警車廂的二系減振系統進行重點排查。根據現有經驗，應優先檢查更換報警車廂的抗蛇行減振器，更換后建議在原報警交路進行驗證，如報警消除可判斷為報警車廂的抗蛇行減振器技術狀態不良所致；如報警不消除，應排查二系減振系統中的其他部件。

(4)對于因素四引起的車體平穩性報警，技術人員在發現單列動車組單節車廂或多節車廂平穩性報警時，應結合因素四的特點，核對動車組鏇修后的走行公里數；如為鏇修后首趟或初期運行可根據條件調整運行交路觀察，同時結合動車組一級修對走行部緊固件狀態重點檢查；如為鏇修后末期(根據現有經驗，建議以15萬km為界)，應立即對報警車廂輪對踏面參數(特別是等效錐度)進行測量核對，如發現輪對踏面參數超限或等效錐度過大(建議大于0.40為準)，應立即進行鏇修，并對走行部緊固件狀態重點檢查。

5 車體平穩性監測的優化方向和潛在價值開發

通過本文的分析及典型案例二、三、四可以看出，動車組平穩性系統可有效識別或反映因線路技術狀態不良、車輛自身技術狀態不良或失效、輪軌匹配不良等因素引起的車體平穩性報警。目前針對線路技術狀態不良引起的車體平穩性報警，運用中經過簡單統計分析即可有效識別相應區段并處理；但對于車輛自身技術狀態不良或失效、輪軌匹配不良等因素引起的車體平穩性報警，因各部件技術狀態不良或失效的數據模型尚不完備，現階段難以快速定位故障點，對于全面摸索總結動車組因自身技術狀態不良引起的車體平穩性報警將是未來的重點方向，提出建議如下：

(1)不斷積累動車組平穩性數據，進一步優化平穩性報警參數，減少因外界因素造成的平穩性報警，降低對運用修中的干擾和檢查確認工作量。

(2)收集運用修中因動車組自身技術狀態不良引起的車體平穩性的報警數據，不斷完善各部件技術狀態不良或失效的數據模型，降低對故障點的判斷難度，提升對故障點的查找效率。

(3)進一步優化平穩性報警策略，增加對垂向平穩性、晃車及抖車的識別策略，積累輪對踏面參數變化在車體平穩性方面的反映，不斷探索動車組車輪視情鏇修，降低運用修的工作量及動車組全壽命維修過程中的成本。

(4)高級修時建立減振系統部件的技術狀態監測，收集減振系統部件壽命周期內技術狀態演變的數據模型，通過優化平穩性報警策略，監測運行動車組減振系統部件的技術狀態變化，及時識別預警技術狀態不良部件，并在失效前對相應部件進行更換，逐步實現走行部由周期性計劃檢修向數字化精準預防修轉變，在降低動車組維修任務及成本的同時，保證動車組技術狀態處于安全指標范圍內。

6 結束語

本文從CR400BF動車組發生的平穩性典型案例及車體平穩性的監測原理、報警邏輯出發，分析了激擾車體平穩性的主要因素，提出了運用修中如何識別激擾車體平穩性因素的方法及相應的應對措施，并提出了車體平穩性監測的優化方向和潛在價值開發等建議，為進一步推動動車組走行部從周期性計劃預防性向數字化精準預防性轉變提供參考。