貴廣高速鐵路動車組車體異常晃動原因分析及治理

龔繼軍 魏來 蔣俊 王軍平 李澤選 侯博

1.中鐵物總運維科技有限公司，北京 100036；2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都 610031；3.中國鐵路成都局集團有限公司，成都 610082；4.中國中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031

京港高速鐵路安慶—九江段開通運營，標志著八縱八橫高速鐵路網京港（臺）通道商丘—深圳段基本貫通。至此，中國高速鐵路運營里程突破4萬km。我國高速軌道交通領域已經進入后高速鐵路時代。高速鐵路長期服役過程中出現的異常振動已成為影響運營品質的制約因素，國內外學者圍繞車體異常振動開展了深入研究。

Kohama［1］1994年對日本新干線進行振動測試時發現，在空氣作用下尾車會產生1.5 Hz左右的橫向運動。俞喆等［2］調研了出現動車組晃車現象線路的鋼軌廓形，結合動力學仿真對高速動車組晃車現象成因進行分析，并提出針對性打磨措施。龔繼軍等［3］采用仿真結合理論計算的方法研究了不同實測輪廓匹配時等效錐度對蛇行頻率的影響，通過打磨提高鋼軌軌頭弧度較好地解決了廣深鐵路動車組異常晃動的問題。池茂儒等［4］采用多體動力學仿真軟件分析了蛇行頻率與車體剛體模態共振時車輛發生一次蛇行的現象。李然［5］通過計算實測輪軌廓形相互匹配時等效錐度與輪軌接觸角等參數的對應關系，研究了輪軌接觸幾何關系線性化的方法。

既有研究主要集中在車體橫向振動處于1 Hz附近的相關問題［6-12］，對動車組車體橫向振動出現低于0.8 Hz的低頻振動的研究較少。2019年10月初，某型動車組運行在貴廣高速鐵路時出現了大面積的晃車現象，運行速度180～220 km∕h。本文通過對出現異常晃動區段的線路幾何尺寸、鋼軌廓形、軌面狀態進行全方位調查，同步使用平穩性測試儀對晃車嚴重的車號進行跟蹤測試，從問題調查、機理分析、整治效果等方面入手對該型動車組晃車現象進行研究，同時制定相應的整治措施。

1 現場調查

1.1 車輛平穩性及舒適度

GB∕T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》規定，動車組車輛平穩性指標小于2.5為優；IS02631-1—1985《Evaluation of Human Exposure to Whole-body Vibration—Part 1：General Requirements》規定，舒適度指數小于0.315 m∕s2為非常舒適。

2019年10月，使用平穩性測試儀對2列不同走行里程的該型動車組運行在相鄰線路的平穩性相關指標進行了跟蹤測試。其中，1#車鏇輪后的走行里程為180 000 km（鏇輪末期），2#車鏇輪后的走行里程為5 000 km（鏇輪初期）。該型動車組在貴廣高速鐵路上運行時，實測動車組橫向平穩性指標WH未超過2.5，橫向舒適度指數SH未超過0.315 m∕s2，但人工添乘時能感受到車體明顯晃動。其中，當WH≥1.8、SH≥0.120 m∕s2時，能感覺到車體左右晃動；WH≥2.0、SH≥0.150 m∕s2時，能明顯感受到車體晃動劇烈。2列動車組車體橫向平穩性和舒適度的統計結果見表1。其中，標準測量時間長度為5 s，即每5 s為一個分析段，每5 s計算一次WH和SH，因此統計的超限數量為分析段數量。由表1可知：該型動車組在鏇輪初期和鏇輪末期存在不同程度的晃車現象。

表1 2列動車組橫向平穩性和舒適度統計結果

發生晃車時車體平穩性指標均未超過限值，但是體感嚴重不適，可見現有的平穩性指標計算結果與體感存在較大差異。因此，本文將橫向平穩性指標、橫向舒適度指數作為判定該型動車組車體晃動的指標。

1.2 車體橫向振動加速度

1#動車組實測橫向振動加速度的幅值及時頻曲線見圖1。可以看出：車輛橫向振動加速度存在較為明顯的主頻（顏色較深區域），約為0.6 Hz。

圖1 1#動車組實測車體橫向振動加速度時頻曲線

1.3 鋼軌廓形

對貴廣高速鐵路發生晃車現象的從江—桂林區段里程K278—K396的鋼軌廓形進行了現場調查，每500 m采集1對測點，共采集236對（上下行各118對）。實測鋼軌廓形與標準60N鋼軌廓形對比見圖2。其中，不同顏色代表不同測點，廓形對齊方式統一為內側16 mm與軌頂對齊。由圖2可知：鋼軌打磨前，與標準60N鋼軌相比，晃車區段鋼軌廓形在軌頭橫向0～25 mm區域負偏差超過0.2 mm的占比為0.022%，軌頂關鍵接觸區域（-10～10 mm）均未超過0.2 mm。

圖2 晃車區段鋼軌廓形與標準60N廓形對比

1.4 輪軌接觸光帶

現場調研發現，晃車區段鋼軌軌面存在軌距角接觸現象，輪軌接觸狀態欠佳。晃車區段某處鋼軌表面及該位置實測鋼軌廓形與標準60N鋼軌廓形對比見圖3。可知：在異常接觸位置，實測鋼軌廓形與標準60N鋼軌廓形相比，-10～20 mm區域廓形貼合，內側大于20 mm位置為正偏差，與正常輪對踏面匹配時不會出現等效錐度偏低的情況。

圖3 晃車區段某處鋼軌表面及廓形對比

1.5 車輪廓形

2019年1月和10月，分別對1#動車組車輪踏面進行了測試，并與標準LMA車輪踏面進行對比，結果見圖4。其中，2019年1月鏇修后運營里程為10萬km，車輪踏面為未發生晃車現象的實測輪對踏面；2019年10月運營里程為18萬km，車輪踏面為發生晃車現象后的實測輪對踏面。由圖4可知：發生晃車的車輪踏面名義滾動圓外側20～50 mm區域磨耗異常，正常磨耗位置名義滾動圓附近磨耗較少。踏面端部磨耗、滾動圓附近不磨耗將造成車輪等效錐度、橫向復原力不斷下降，等效錐度未隨列車運行里程增加而增加，導致動車組發生異常晃動現象。

圖4 晃車前后車輪踏面與標準LMA車輪踏面廓形對比

1.6 軌道不平順

選取2019年10月貴廣高速鐵路成都局、南寧局管內異常晃車區段的軌道檢測數據進行分析，晃車區段鋼軌左右軌向不平順功率譜密度計算結果見圖5。可以看出，貴廣高速鐵路成都局、南寧局管內晃車區段的軌道不平順均未出現明顯諧波，不會對車輛運行平穩性造成影響。

圖5 軌向不平順功率譜密度

2 原因分析

2.1 懸掛模態計算結果

該型動車組車輛系統自振頻率和阻尼比見表2。可知：車體下心滾擺頻率為0.602 Hz，與該型動車組發生晃動時振動主頻較為一致。轉向架蛇行運動頻率與車體下心滾擺頻率耦合，引發車體產生共振現象，造成車體發生一次蛇行，產生異常晃動現象。

表2 動車組自振頻率及阻尼比

2.2 等效錐度

將2019年1月（晃車前）、2019年10月（晃車后）1#動車組實測車輪踏面與標準60N鋼軌進行匹配，計算等效錐度，并與新車輪匹配標準60N鋼軌的等效錐度進行對比，結果見圖6。可知：晃車前，車輪等效錐度較高，平均值為0.057，比新車輪匹配標準60N鋼軌的等效錐度（0.031）增大了90%；晃車后，車輪等效錐度較低，平均值為0.021，比新車輪匹配標準60N鋼軌的等效錐度（0.031）減小了30%。過低的輪軌匹配等效錐度會使轉向架蛇行頻率偏低，繼而導致蛇行頻率與車體彈性模態耦合在較高速度下發生，引發車體產生一次蛇行。因此，車輛在低錐度下一旦發生一次蛇行失穩，車體的橫向運動幅值也會十分顯著，將嚴重影響乘坐舒適性。

圖6 晃車前后1#動車組車輪踏面匹配標準60N鋼軌的等效錐度

2.3 輪軌接觸角差

車輪接觸角反映了輪軌接觸界面車輪、鋼軌廓形的弧度以及接觸力的大小，是衡量輪對橫向復原力的主要指標。輪對橫向復原力小可能會引起車體的低頻振動。將2019年1月（晃車前）、2019年10月（晃車后）1#動車組實測車輪踏面與標準60N鋼軌進行匹配，計算了輪軌匹配接觸角差（輪對橫移為3 mm），結果見圖7。可知：晃車前，1#動車組車輪與標準60N鋼軌廓形匹配時輪軌接觸角差平均值為1.171 6°，比新車輪匹配標準60N鋼軌的輪軌接觸角差（0.550 0°）增大了113%，未出現正負波動的情況；晃車后，輪軌接觸角差平均值為-0.660 0°，遠小于新車輪匹配標準60N鋼軌的輪軌接觸角差，且出現了正負波動的情況。輪對接觸角差大幅減小會導致輪對自動對中能力大幅下降，引起動車組車體產生低頻晃車現象。

圖7 晃車前后1#動車組車輪踏面匹配標準60N鋼軌的接觸角差

2.4 實測研磨子作用狀態

研磨子主要用于清掃車輪踏面異物、增加輪軌間的黏著系數、抑制車輪多邊形磨耗等。該型動車組研磨子靜態貼靠車輪踏面時與車輪的實際接觸位置見圖8。車輪踏面研磨子磨耗最大位置即為偏向車輪踏面端部，若該位置磨耗較大，輪軌接觸在該區域時等效錐度將會嚴重偏小。

圖8 晃車前動車組研磨子與車輪實際接觸位置

3 整治措施及效果

2019年12月初，對出現異常晃動的該型動車組1#動車組踏面輪對進行了鏇修，同步更換了研磨子，并對整治效果進行跟蹤試驗。

整治后，對1#動車組走行40 000 km后的WH、SH進行了測試。測試結果表明，實測WH未超過1.8，SH未超過0.12 m∕s2，人工添乘時未再出現車體晃動現象，人工添乘體感得到大幅改善。

整治后走行40 000 km工況下，將1#動車組實測車輪踏面與標準LMA踏面進行對比，并計算1#動車組車輪踏面匹配標準60N鋼軌的等效錐度和接觸角差，結果見圖9。可知：實測車輪踏面的磨耗區域趨于正常，踏面端部未出現明顯異常磨耗現象；等效錐度未見異常；輪對接觸角差未再出現正負交替現象，輪對踏面對中能力得到較大提升。

圖9 整治后1#動車組走行40 000 km時車輪狀態

4 結論

本文針對貴廣高速鐵路某型動車組服役過程中出現嚴重車體異常晃動的問題，通過對晃車區段線路鋼軌廓形、車輪踏面的幾何尺寸進行測量，結合晃車時車體橫向振動加速度的測試結果，研究晃車原因，提出整治措施。主要結論如下：

1）貴廣高速鐵路上運行的該型動車組車體晃動時車體存在0.6 Hz的橫向振動，與車體下心滾擺頻率一致。

2）引起該型動車組晃車現象的主要原因是車輪踏面磨耗異常導致輪軌匹配等效錐度及接觸角差偏低。

3）通過車輪踏面鏇修、更換研磨子，車輪踏面磨耗區域趨于正常，輪對接觸角差未出現正負交替現象，輪對踏面對中能力得到較大提升，橫向平穩性及舒適度得到極大改善，該型動車組車體異常晃動的問題得到解決。