高速铁路动车组异常振动与钢轨打磨研究

张晓阳，单巍

(中国铁路总公司运输局，北京100844)

高速铁路动车组异常振动与钢轨打磨研究

张晓阳，单巍

(中国铁路总公司运输局，北京100844)

针对高速铁路在运营中出现的动车组构架横向加速度超限和车体异常抖动现象，采取跟踪调查、轨道状态测试、台架试验和悬挂参数对比等方法研究得出，轮轨匹配关系不良是出现该现象的主要原因。通过理论分析和现场试验证明，采取钢轨打磨和车轮镟修等措施可改善轮轨匹配关系，有效缓解动车组异常振动现象。本文重点介绍了钢轨打磨的作用和方法，指出应按60N廓形或设计廓形打磨钢轨，使轮轨匹配具有合理的等效锥度，并对钢轨打磨的时机、周期、作业要求及验收提出了具体建议。

高速铁路 动车组 异常振动 轮轨匹配 打磨

2013年底，我国高速铁路的营业里程已经达到11 028 km。高速铁路运输快捷方便，不仅缓解了我国长途客运压力，也改变了人们选择工作地和居住地的传统观念。动车组在运营过程中，出现了构架横向加速度超限和车体异常抖动等动车组异常振动现象，为及时采取措施，保证高速铁路乘坐的舒适性，应准确分析异常振动产生的原因。由于在线路上运行的动车组型号较多，动车组跨线运行的数量也逐渐增加，而且我国高速铁路分布广、气候条件及运营条件差异较大，导致动车组异常振动原因分析较为困难。本文分析了动车组异常振动产生原因，研究了解决异常振动的措施，并重点提出了通过打磨改善轮轨匹配关系的具体方法。

1 动车组产生异常振动原因分析

针对动车组构架横向加速度超限和车体异常抖动两种典型异常振动情况，采取跟踪调查、轨道状态测试、台架试验和悬挂参数对比等方法进行研究。

1.1 构架横向加速度超限原因

动车组构架横向加速度是转向架蛇形运动稳定性评价指标，CRH3系列动车组构架横向加速度超限评判标准:如果连续10次加速度值＞0.8g(滤波3～9 Hz)，就触发车载报警系统。而综合检测车所检查的车体横向加速度则是人体舒适度评价指标，是车厢经过减振后的横向加速度，当某处横向加速度超过Ⅲ级偏差管理值(0.15g)时，人体会感觉很不舒服［1］。但是，对出现动车组构架横向加速度超限的车辆进行轮轨力测试，发现出现报警时车辆的轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率等安全指标均小于标准规定的安全限值。

对报警区段车轮和钢轨的现场跟踪调查及测试表明，报警时轮轨的主要状况有:

1)车轮踏面平均磨耗量不大(大约10万km磨0.3 mm)，但多数具有踏面凹磨的特征。

2)异常振动区段的钢轨廓形与标准钢轨廓形相比，轨距角部位相对突出。

3)当车轮经过磨耗后，遇有未打磨的岔区或钢轨光带不良地段，动车组构架横向加速度偏大，报警机率增加。

4)对于跨线运行的动车组，由于车轮踏面磨耗位置不同，易出现横向加速度超限。动车组在哈大高铁冬季以200 km/h运行时，踏面磨耗位置为靠近滚动圆外侧2～4 mm;而动车组在京沪高铁以300 km/h运行时，踏面磨耗位置为靠近滚动圆内侧1～2 mm，两者存在明显差异。因而当在哈大高铁服役使用一段时间后的动车组再跨线运行到京沪高铁时，在部分钢轨光带不良地段易出现报警情况。

研究表明，轮轨匹配等效锥度［2］的合理区域为0.08～0.35，等效锥度＜0.08时易产生晃车，等效锥度＞0.35时易产生横向加速度超限。测试发现，磨耗轮与轨距角突出的钢轨匹配时，等效锥度较大(＞0.6)，易产生横向加速度超限;新车轮与轨距角被过度打磨的钢轨匹配时，等效锥度较小(＜0.05)，易产生晃车;标准60轨与新车轮或磨耗轮匹配时，等效锥度为0.10～0.35，处于合理区域;新车轮与标准60轨、轨距角突出钢轨按标准打磨前或打磨后匹配时，等效锥度为0.10～0.25，处于合理区域。

从以上调查分析可以看出，动车组构架横向加速度超限主要与轮轨匹配关系不良有关。另外，增加抗蛇行减振器动态刚度有利于降低横向加速度幅值。

1.2 车体抖动原因

在对京沪高铁济南西～天津和枣庄～滕州段集中出现的动车组车体异常抖动统计分析后发现，动车组车轮镟修后运行20万km后，商务车厢易出现车体异常抖动现象。经测试，车体出现抖动时，振动源来自于轮轨激扰，频率为8～10 Hz，持续时间为3～5 s，此时构架横向振动加速度＜0.4g，但经车体、地板、座椅等传递后，振动被放大，特别是座椅自振频率与激扰频率接近，易发生共振。其中座椅扶手相对地板，其振动加速度放大了2.1倍;座椅靠背相对地板，其振动加速度放大了4.5倍。调查还发现，抖动区段钢轨轨距角在动车组运行时与轮缘根部圆弧接触，导致轮轨匹配不良，等效锥度高达0.631。

2 动车组异常振动解决措施

为解决动车组异常振动问题，主要从保持合理的轮轨等效锥度出发，设计合适的车轮型面和钢轨廓形，从而改善轮轨匹配关系［3］。

1)为了改善标准60 kg/m钢轨与各型号动车组之间的轮轨接触关系，提出了钢轨打磨的设计廓形，打磨后的钢轨与新车轮或磨耗车轮匹配时，等效锥度均＜0.35。从京沪、哈大等高铁运营实践看，按设计廓形进行钢轨打磨的地段，钢轨光带宽度比较理想，基本未出现动车组异常振动现象。

2)以标准60 kg/m钢轨为原型，设计了60 N新廓形钢轨［4］。新廓形钢轨可以做到在直线上轮轨接触光带居中，在曲线线路上车轮轮缘贴靠钢轨形成轮轨共形接触，并使得轮轨匹配具有合适的等效锥度。京广高铁下行K60+915—K75+915铺设的60 N试验轨，自2012年底开通运营以来，钢轨光带宽度一直保持在26～32 mm。

3)由于新车轮与标准60轨、轨距角突出钢轨按标准打磨前或打磨后匹配时，等效锥度均＜0.25，因而即使钢轨轨廓存在问题，车轮踏面镟修后，也可避免动车组异常振动。在武广、京沪高铁现场测试地段，车轮镟修后，动车组构架横向加速度、车体抖动明显减小。因此，应及时对出现凹型磨耗的车轮踏面进行镟修，同时应对车轮踏面外形开展局部优化研究，增强对不同轨廓的适应性。

此外，将抗蛇行减振器由小动态刚度的T60型更换为大动态刚度的T70型，可有效降低构架横向加速度幅值;在座椅底座连接处增加弹性垫后，座椅扶手和靠背的振动加速度相对地板的放大倍率分别降低至0.64和1.76，可以有效减小异常振动报警次数。

3 通过钢轨打磨改善轮轨匹配关系

高速铁路钢轨打磨［5］可以提供良好的轮轨匹配关系，为高速列车的安全、平稳和舒适运行提供良好的基础，同时降低高速列车运行中产生的噪声，还能预防钢轨产生病害，延长钢轨使用寿命，降低高铁运营成本。

高速铁路钢轨打磨按照不同的打磨阶段和打磨目的，可以分为预打磨、预防性打磨和修理性打磨三类［6］。钢轨预打磨是对铺设上道后新钢轨的打磨，目的是去除脱碳层，消除钢轨在生产、焊接、运输和施工过程中产生的表面缺陷，优化轨头廓形，改善焊接接头平顺性。钢轨预防性打磨是运营阶段钢轨修理的主要工作，是对钢轨进行的周期性打磨，目的是修复轨头廓形，预防滚动接触疲劳裂纹、波浪(波纹)磨耗等病害的产生。钢轨修理性打磨是对已产生病害钢轨的打磨，目的是修正轨头廓形，消除或减缓滚动接触疲劳裂纹、波浪(波纹)磨耗及擦伤等病害。

3.1 国外高铁钢轨打磨情况

JR东日本旅客铁道公司规定，更换钢轨后1年内要进行1次钢轨打磨，随后一般每5 000万t通过总重打磨一次，以延长钢轨使用寿命;同时对噪音超标地段有计划地进行打磨，对于通过住宅密集区的线路1年或每3 000万t通过总重打磨一次钢轨，如果每年都进行钢轨打磨，新干线的钢轨使用寿命可由20年延长到接近30年。法国高速铁路新线在开通前要进行一次钢轨预打磨，开通后根据钢轨表面状态不定期进行打磨。德国高速铁路开通后钢轨打磨周期一般为4年1遍［7］。

3.2 我国钢轨打磨时机和周期建议

新铺设上道钢轨的预打磨应在轨道精调完成后进行。

已开通运营的高速铁路，预防性打磨周期应按通过总重和运行状态确定，原则上每3 000～5 000万t通过总重进行一次钢轨预防性打磨，岔区和R≤2 800 m曲线地段打磨周期宜采用通过总重的下限，直线和大半径曲线区段宜采用通过总重的上限，且一般不宜超过2年［8-9］。

修理性打磨应根据钢轨状态及时安排［10］，当重复出现动车组抖车、构架横向加速度超限且光带不良，或出现超过标准规定的钢轨伤损地段，应及时进行修理性打磨。根据近几年的经验，当成段钢轨光带宽度超过40 mm，或光带出现连续的周期性宽窄变化，宜有计划安排钢轨打磨;如果成段钢轨光带超过50 mm，应尽快安排钢轨打磨。

3.3 钢轨打磨作业的实施

高速铁路钢轨打磨应按照“严检慎修”的原则，提前调查并做好维修设计［11］。钢轨打磨的目标廓形应为设计廓形或60 N廓形，但不能为满足光带宽度和位置要求而过度打磨轨头两侧区域。

1)打磨作业前

开展现场调查，根据目标廓形、技术标准和现场调查情况制定打磨作业方案。打磨前应先进行打磨参数调整试验［12］，确认打磨廓形达到要求后，才能进行正式打磨。对焊接接头轨头踏面平直度进行检查，当接头平直度超标时，应采用仿形打磨设备对焊接接头进行局部打磨。对影响正常打磨操作地段，尤其是影响轨距角打磨的因素进行调查，并预先采取措施，以保证钢轨打磨正常进行。

2)打磨作业

及时检查钢轨廓形、切削量、磨面宽度等技术指标，根据钢轨实测廓形与目标廓形差异及时调整打磨程序和完善打磨作业方案，确保实现目标廓形和满足打磨质量标准要求［13］。打磨车作业速度根据打磨性质和打磨列车特性确定。多遍打磨时，应逐遍降低打磨功率或提高打磨速度，确保打磨后表面粗糙度达标。

3)打磨作业后

要及时清除打磨车及钢轨顶面的打磨碎屑，严防运行过程中掉落在线路或道岔上;及时清理道岔滑床板及无砟轨道上的打磨碎屑。还应做好施工地段及钢轨打磨车自身的消防工作。相关设备管理单位应及时恢复作业中拆除的设备。道岔打磨作业完成后，应进行道岔扳动试验。

4)验收

钢轨打磨每日作业完成后，工务段应与工务机械段共同查看作业质量，检测重点项目，并办理签认手续。每打磨50～100 km(含同一打磨方案的首日作业)或每打磨5～10组道岔应进行质量验收。新线铺设上道的钢轨预打磨，应逐步实行打磨质量第三方评估。钢轨打磨的验收项目包括:打磨廓形、轮轨接触光带、打磨深度、打磨面粗糙度、发蓝带、打磨平面宽度、打磨砂轮起落部位的砂轮磨痕、波磨钢轨打磨前后谷深、滚动接触疲劳钢轨表面残留裂纹、擦伤轨表面硬度等。

打磨后，直线地段和曲线下股钢轨接触光带应基本居中，宽度为20～30 mm;曲线上股钢轨接触光带偏向内侧。钢轨打磨后应无肥边、无疲劳裂纹、无连续发蓝带。

4 结语

动车组出现异常振动时，应由工务和车辆部门共同进行研究，针对产生的原因，提出处置意见。

钢轨保持良好的廓形，不仅可以使车辆具有较好的动力学性能，更可以显著降低轮轨接触应力，减缓轮轨接触疲劳，减少轨距角剥离掉块、飞边等病害的产生。工务和车辆部门应联合建立轮轨匹配等效锥度分析和动态管理机制。发生动车组横向加速度超限或抖动时，应按规范要求采集数据，并统一汇总分析，为进一步完善车轮镟修及钢轨打磨管理提供依据。还应进一步开展动车组轮轨匹配关系深化研究，确定最优的轮轨匹配关系，指导中国标准动车组的研制及线路的建设和养护。

［1］罗林，张格明，吴旺青，等．轮轨系统轨道平顺状态的控制［M］．北京:中国铁道出版社，2006:27-78．

［2］吴宁，董孝卿，林凤涛，等．等效锥度的计算及验证［J］．铁道机车车辆，2013，33(1):49-52．

［3］周清跃，刘丰收，田常海，等．高速铁路轮轨形面匹配研究［J］．中国铁路，2012(9):33-36．

［4］周清跃，张银花，田常海，等．60 N钢轨的廓形设计及试验研究［J］．中国铁道科学，2014，35(2):128-135．

［5］王文健，陈明韬，郭俊，等．高速铁路钢轨打磨技术及其应用［J］．西南交通大学学报，2007，42(5):574-577．

［6］周清跃，田常海，张银花，等．高速铁路钢轨打磨关键技术研究［J］．中国铁道科学，2012，33(2):66-70．

［7］卢祖文．客运专线铁路轨道［M］．北京:中国铁道出版社，2005:324-326．

［8］中华人民共和国铁道部．TG/GW 116—2013高速铁路有砟轨道线路维修规则(试行)［S］．北京:中国铁道出版社，2013．

［9］中华人民共和国铁道部．TG/GW 115—2012高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)［S］．北京:中国铁道出版社，2012．

［10］铁道部运输局．京津城际铁路运营维护管理［M］．北京:中国铁道出版社，2009:22-28．

［11］马良民．高速铁路钢轨打磨技术研究与应用［J］．铁道建筑，2011(5):114-116．

［12］曹岩．我国高速铁路用钢轨打磨列车选型及应用研究［J］．铁道标准设计，2011(8):31-34．

［13］张铭达，刘学毅．钢轨预防性打磨原理及应用［J］．铁道建筑，2006(7):86-88．

(责任审编葛全红)

U213．4+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．33

1003-1995(2015)03-0119-03

2014-10-20;

2015-02-20

张晓阳(1973—)，男，河南镇平人，高级工程师。