蘭新客專高速列車轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及影響研究*

王安國， 楊梁崇， 屈 升

(1 中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062；2 中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 車輛處， 蘭州 620100；3 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031)

蛇行運(yùn)動(dòng)是由于輪軌幾何關(guān)系和蠕滑力引起的特殊現(xiàn)象，是鐵道車輛系統(tǒng)的固有特性。穩(wěn)定且能快速收斂到平衡位置的蛇行運(yùn)動(dòng)對(duì)車輛系統(tǒng)影響不顯著，是車輛運(yùn)行過程中不可避免的現(xiàn)象。文中通過線路實(shí)測數(shù)據(jù)分析了轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性的失穩(wěn)諧波出現(xiàn)的原因及影響。

車輛系統(tǒng)蛇行運(yùn)動(dòng)的根本原因在于輪軌非線性關(guān)系，可以通過優(yōu)化適當(dāng)?shù)囊弧⒍祽覓靺?shù)、車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)和輪軌匹配關(guān)系，提高蛇行運(yùn)動(dòng)臨界速度。

蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響因素眾多，即包括輪軌關(guān)系、懸掛參數(shù)，也有質(zhì)量參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)，甚至還有氣候因素、線路條件等。這些因素并不是孤立影響的，而是相互聯(lián)系共同影響車輛蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性；只不過有些因素的影響顯著，有些因素影響次要。有很多學(xué)者對(duì)此做過相關(guān)的研究工作[1-4]。

影響車輛蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性常見的、主要的因素有等效錐度、一系和二系懸掛參數(shù)等。

1 車輛穩(wěn)定性測試

通過在車組的1車1位轉(zhuǎn)向架和車體安裝加速度傳感器進(jìn)行車輛線路實(shí)測，獲取一個(gè)旋輪周期的線路實(shí)測數(shù)據(jù)。

安裝加速度傳感器的位置有構(gòu)架端部、車體、制動(dòng)吊梁和電機(jī)。試驗(yàn)時(shí)所有采樣頻率均為2 000 Hz。其中構(gòu)架端部加速度傳感器用于分析轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性，車體枕梁加速度傳感器用于分析轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)諧波向車體的傳遞及車輛平穩(wěn)性指標(biāo)，制動(dòng)吊梁和電機(jī)用于分析轉(zhuǎn)向架小幅失穩(wěn)諧波對(duì)其影響。

圖1 構(gòu)架端部安裝的加速度傳感器

根據(jù)動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范依據(jù)(鐵運(yùn)〔2008〕28 號(hào))標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定：當(dāng)構(gòu)架加速度濾波0.5～10 Hz、峰值有連續(xù)振動(dòng)10 次以上達(dá)到或超過極限值8 m/s2時(shí)，判定轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)。

選取旋輪周期末期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)構(gòu)架橫向加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行0.5～10 Hz帶通濾波，構(gòu)架橫向加速度在少量局部路段存在小幅失穩(wěn)諧波成分。幅值為0.4g，頻率為8.1 Hz。小幅蛇行諧波幅值遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)中的8 m/s2的限值要求，轉(zhuǎn)向架未發(fā)生失穩(wěn)，見圖2。

圖2 構(gòu)架橫向加速度(0.5～10 Hz帶通濾波)

由于實(shí)際運(yùn)營的車輛參數(shù)都是確定的，而輪軌接觸幾何關(guān)系會(huì)隨著車輪磨耗、線路參數(shù)而改變，等效錐度是表征輪軌接觸幾何關(guān)系最直接、最重要的參數(shù)，所以等效錐度對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響也最顯著。隨著車輛運(yùn)營里程的增加，等效錐度增大、臨界速度降低。

在測試前對(duì)全列車組的踏面進(jìn)行測試，與CN60標(biāo)準(zhǔn)鋼軌進(jìn)行匹配，得到車組全列等效錐度。見圖3。

圖3 車組全列等效錐度

CRH5型車采用的踏面為XP55，標(biāo)準(zhǔn)XP55踏面與標(biāo)準(zhǔn)CHN_60鋼軌匹配，等效錐度為0.06。經(jīng)過一個(gè)旋輪周期的運(yùn)行，1車1位轉(zhuǎn)向架的1軸輪對(duì)和2軸輪對(duì)等效錐度線性增長到0.377和0.392，此時(shí)等效錐度較大，車輛臨界速度下降，這是導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)小幅失穩(wěn)諧波的一個(gè)重要原因。

從圖2可以看出，車輛在絕大部分路段并未出現(xiàn)明顯的諧波成分，諧波成分僅在小部分路段出現(xiàn)。在這些出現(xiàn)諧波的局部路段，車輪與鋼軌型面不良的輪軌匹配，導(dǎo)致車輛在局部路段發(fā)生小幅失穩(wěn)的主要原因。

通過車輪踏面旋修，恢復(fù)車輪踏面至標(biāo)準(zhǔn)廓形，可以有效的消除失穩(wěn)諧波成分，另一方面，通過打磨局部路段的鋼軌，改善輪軌匹配狀態(tài)，也是緩解小幅失穩(wěn)諧波、延長車輪旋修里程的有效手段。

2 小幅諧波的影響分析

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向加速度存在幅值為0.4g的小幅失穩(wěn)諧波，遠(yuǎn)小于極限值8 m/s2，未達(dá)到失穩(wěn)限值，但是可能會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向架造成其他影響，本節(jié)從車輛平穩(wěn)性指標(biāo)、電機(jī)振動(dòng)、制動(dòng)吊梁的振動(dòng)3個(gè)角度分析失穩(wěn)諧波的影響。

2.1 小幅失穩(wěn)諧波對(duì)車輛平穩(wěn)性指標(biāo)的影響

利用車體測點(diǎn)數(shù)據(jù)，按照GB 5599—1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，計(jì)算車輛平穩(wěn)性指標(biāo)。

從圖4可以看出，車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.5限值，評(píng)定等級(jí)為優(yōu)秀。在絕大多數(shù)路段橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.0，在局部路段橫向平穩(wěn)性指標(biāo)偏大，達(dá)到2.45。

圖4 車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)

平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算時(shí)至考慮40 Hz以下的頻率成分。將車體橫向加速度進(jìn)行短時(shí)傅立葉變換，獲取車體橫向加速度對(duì)應(yīng)的時(shí)頻圖。從圖5的時(shí)頻圖中可以看出，車輛平穩(wěn)性指標(biāo)偏大的對(duì)應(yīng)的位置，車體0～40 Hz主要頻率成分集中于8 Hz左右。

圖5 車體橫向加速度時(shí)頻圖

對(duì)車體橫向加速度和構(gòu)架橫向加速度均進(jìn)行0.5～10 Hz帶通濾波，分析其時(shí)域振動(dòng)傳遞。

通過圖6可以看出，轉(zhuǎn)向架小幅失穩(wěn)諧波由轉(zhuǎn)向架通過二系懸掛傳遞至車體，對(duì)應(yīng)的車體橫向加速度變大，這是造成車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)局部區(qū)段偏大的原因。

截取小幅失穩(wěn)諧波區(qū)段的構(gòu)架橫向加速度和車體橫向加速度，進(jìn)行FFT變換，分析構(gòu)架小幅失穩(wěn)諧波與車體的頻域傳遞關(guān)系。圖7中構(gòu)架小幅失穩(wěn)諧波為8.5 Hz，傳遞至車體，諧波傳遞比例為8∶1。

圖6 構(gòu)架與車體橫向加速度時(shí)域傳遞

圖7 構(gòu)架與車體橫向加速度頻域傳遞

2.2 小幅失穩(wěn)諧波對(duì)電機(jī)振動(dòng)的影響

CRH5型車電機(jī)為體懸式，通過彈性元件吊掛在車體底架上。如圖8所示。

轉(zhuǎn)向架小幅失穩(wěn)諧波與電機(jī)之間的振動(dòng)傳遞有4種情況：(1)構(gòu)架-車體-電機(jī)；(2)輪對(duì)-萬向軸-電機(jī)；(3)構(gòu)架-車體-電機(jī)和輪對(duì)-萬向軸-電機(jī)這2種振動(dòng)傳遞均存在；(4)構(gòu)架-車體-電機(jī)和輪對(duì)-萬向軸-電機(jī)這兩種振動(dòng)傳遞不存在。

從圖9中可以看出，小幅蛇行情況下，車體存在諧波，電機(jī)并未有顯著的諧波成分，因此在轉(zhuǎn)向架小幅失穩(wěn)諧波情況下，均未通過構(gòu)架-車體-電機(jī)和輪對(duì)-萬向軸-電機(jī)這兩種振動(dòng)傳遞對(duì)電機(jī)造成影響。轉(zhuǎn)向架小幅失穩(wěn)諧波對(duì)電機(jī)橫向振動(dòng)的影響較小。

圖8 CRH5型車電機(jī)懸掛結(jié)構(gòu)

圖9 車體與電機(jī)振動(dòng)加速度振動(dòng)傳遞

2.3 小幅失穩(wěn)諧波對(duì)制動(dòng)吊梁的影響

CRH5型車制動(dòng)吊梁是連接在構(gòu)架上的附屬部件，制動(dòng)吊梁連接制動(dòng)閘片，來實(shí)現(xiàn)車組的機(jī)械制動(dòng)。制動(dòng)吊梁與構(gòu)架件是通過彈性元件與構(gòu)架相連接的。

轉(zhuǎn)向架小幅失穩(wěn)諧波傳遞至制動(dòng)吊梁，一方面諧波幅值被放大，放大比例約為2∶3。另一個(gè)方面制動(dòng)吊梁橫向加速度未濾波的原始信號(hào)也被明顯放大。見圖9。

將圖10局部放大得到圖11，可以看出，失穩(wěn)諧波傳遞至制動(dòng)吊梁，制動(dòng)吊梁未濾波原始信號(hào)存在明顯的沖擊特征，每一個(gè)諧波對(duì)應(yīng)2個(gè)沖擊。制動(dòng)閘片連接在制動(dòng)吊梁上，未制動(dòng)時(shí)制動(dòng)閘片是自由活動(dòng)的，并且與制動(dòng)盤存在小的間隙。構(gòu)架諧波傳遞至制動(dòng)吊梁，再傳遞至制動(dòng)閘片，而此時(shí)輪對(duì)存在小幅蛇行，閘片與輪對(duì)存在相對(duì)運(yùn)行，輪對(duì)上的制動(dòng)盤兩側(cè)的制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤相互作用導(dǎo)致了沖擊，反過來將沖擊信號(hào)傳遞至制動(dòng)吊梁所致。

圖10 構(gòu)架諧波與制動(dòng)吊梁振動(dòng)傳遞

3 結(jié) 論

對(duì)蘭新專線的動(dòng)車組進(jìn)行了長期的線路跟蹤試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)測的數(shù)據(jù)分析后可以得出以下結(jié)論：

(1) 通過對(duì)旋輪周期末期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)在局部路段存在小幅失穩(wěn)的現(xiàn)象。對(duì)整列車的等效錐度進(jìn)行測量和統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，旋輪周期末期的等效錐度有了明顯的增大，部分車輛的等效錐度由初期的0.06增大到0.377和0.392；車輪與出現(xiàn)諧波路段鋼軌的不良輪軌匹配。這是導(dǎo)致車輛在局部路段發(fā)生小幅失穩(wěn)的兩個(gè)主要原因。

(2) 分析了小幅失穩(wěn)對(duì)車輛平穩(wěn)性指標(biāo)、電機(jī)振動(dòng)和制動(dòng)吊梁的影響。分析發(fā)現(xiàn)，小幅失穩(wěn)的頻率可以明顯的傳遞到車體，對(duì)車輛的平穩(wěn)性有很大的影響，振動(dòng)傳遞比例為8∶1；小幅失穩(wěn)對(duì)于電機(jī)的振動(dòng)影響不大；小幅失穩(wěn)傳遞至制動(dòng)吊梁幅值被放大，放大比例2∶3。

圖11 構(gòu)架諧波與制動(dòng)吊梁振動(dòng)傳遞

可以看出失穩(wěn)現(xiàn)象對(duì)于車輛的運(yùn)行是有很大的不利影響的，運(yùn)行中應(yīng)該盡量避免該現(xiàn)象的出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)可以通過車輪踏面旋修，恢復(fù)車輪踏面至標(biāo)準(zhǔn)廓形，有效的消除失穩(wěn)諧波成分，另一方面，通過打磨局部路段的鋼軌，鋼軌輪軌匹配，也是緩解小幅失穩(wěn)諧波、延長車輪旋修里程的有效手段。