高速鐵路動車組異常抖動原因及控制措施研究

管曙剛 中國鐵路上海局集團有限公司上海工務段

動車組抖動的主要特點：

①動車組車輪臨近鏇修時容易出現(xiàn)抖車；

②抖車集中在濟南局與上海局管內(nèi)個別區(qū)段；

③抖車動車組構架橫向振動加速度未出現(xiàn)報警。

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

1 抖車振動特性分析

工務部門會同車輛部門對抖車的動車組進行了添乘，并測試了發(fā)生抖車的車底板、側墻、行李架與座椅的振動加速度。通過測試可知：

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

楊譯：...the men are roughly equal in age and understanding.[5]153

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

（3）抖車時底板、側墻、行李架、座椅的振動加速主頻都為7.9 Hz，且可明顯聽到座椅與行李架發(fā)出噠噠噠的抖動聲；

2 輪軌匹配分析

（1）車輪型面

對發(fā)生抖動的動車組車輪型面進行了測量，實測車輪型面與標準車輪型面對比見圖1，可見實測車輪型面在踏面區(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 車輪踏面外形對比

（2）鋼軌廓形分析

京滬高鐵上海局管內(nèi)抖車區(qū)段集中在南京至無錫段，該區(qū)段鋼軌廓形在2011年預打磨后未進行GMC-96X打磨車的預防性打磨，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，但對鋼軌廓形的改善效果有限。通過調(diào)查并統(tǒng)計抖車區(qū)段鋼軌發(fā)現(xiàn)：1）鋼軌光帶較寬（見圖2～圖3），寬度在40 mm～52 mm 之間；2）與設計廓形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左右軌廓形與標準廓形對比（藍色為標準廓形）

圖5 上行K1149+500左右軌廓形與標準廓形對比（藍色為標準廓形）

圖6 上行K1091+000左右軌廓形與標準廓形對比（藍色為標準廓形）

圖7 上行K1091+000左右軌廓形與標準廓形對比（藍色為標準廓形）

（3）輪軌匹配特性

選取出現(xiàn)抖車的動車組車輪踏面與抖車區(qū)段鋼軌廓形進行仿真計算，其中輪軌匹配等效錐度結果見表1。由表1可知，抖車動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)超過經(jīng)驗限值0.4。過大的等效錐度將增大轉向架蛇行運動頻率，當蛇行失穩(wěn)頻率與車體彈性模態(tài)接近時，極易引起車體彈性振動而出現(xiàn)抖車情況。

表1 輪軌匹配等效錐度

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

圖10 為輪軌匹配等效錐度曲線?？梢姷刃уF度曲線呈負斜率趨勢，研究發(fā)現(xiàn)負斜率的等效錐度曲線不利于構架穩(wěn)定性。

圖8 1號動車組1車導向輪對輪軌接觸

圖9 2號動車組3車導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

圖11 蛇行分岔圖

車輪磨耗后，構架蛇行分岔主要為超臨界分岔，即隨著運行速度提高，輪對先出現(xiàn)周期性小幅橫向蛇行運動且其幅值隨速度不斷增大，當蛇行運動幅值達到某一臨界點則出現(xiàn)大幅蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象。如圖11 所示，臨近鏇修周期時動車組以350 km/h的速度通過某些區(qū)段時，輪對會出現(xiàn)小幅蛇行運動，也可能是產(chǎn)生抖車的誘因之一。

4 處理措施

從分析結果可見，車輪臨近鏇修時產(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）是造成動車組抖車的重要因素。所以，對于動車組抖車的治理，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動車組的鏇修周期，所以，對于出現(xiàn)抖車的線路，應當制定精細化的鋼軌打磨計劃和方案，做到：

（1）打磨計劃要合理

應做到區(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。工務部門在制定打磨計劃時，應保證打磨計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

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具。對于左右股對稱性良好，且存在長大區(qū)間抖車的線路，可采用96頭鋼軌打磨車進行跨區(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；對于左右股對稱性不良，且存在動車組抖車的線路，應優(yōu)先采用20頭道岔打磨車進行分區(qū)段精細化打磨，以消除兩股鋼軌的不對稱度，必要時可輔以人工小機打磨，再進行兩股鋼軌廓形的修復，在保證兩股對稱性的前提下，廓形應滿足《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求。

（3）打磨方案要細化

對于存在抖車的線路，應對抖車區(qū)段鋼軌廓形進行精細測量，通過測量結果確定打磨位置及打磨量。

5 結論及建議

綜合上述分析，京滬高鐵某型動車組抖車的原因是磨耗后期凹磨嚴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大使構架出現(xiàn)8 Hz 左右蛇行運動失穩(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。同時，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。

建議對抖車頻繁且接近鏇修周期的動車組進行車輪鏇修，并對長期未打磨區(qū)段鋼軌進行預防性打磨。