地铁轮对提吊振动分析

郭绪周 郝国婵

摘要：针对苏州地铁线路在运用过程中出现轮对提吊异常振动并出现个别断裂的问题，对该线路车辆进行振动测试，采用时域、频域和时-频-能量振动信号分析方法。结果表明，在线路上较为严重的波磨区段，300Hz-400Hz高频范围内轮对固有频率与波磨引起的振动频率接近，导致提吊振动明显加大，严重影响提吊寿命，因此加强线路波磨控制十分必要。

关键词：轮对提吊 异常振动 波磨

1 概述

随着我国地铁车辆运营里程迅速上升，车辆运营过程中的异常振动问题也日益显现，长期异常振动将造成旅客乘坐舒适性下降的同时还会对车辆零部件造成损伤，降低其使用寿命，严重时可能影响到车辆行车安全。

苏州铁线路在运用过程中出现轮对提吊异常振动并出现个别断裂的现象，如图1，该轮对提吊在设计时满足静强度要求，并有一定裕量。本文在此背景下，对该线路的车辆开展振动测试，分析其异常振动的原因，并通过振动疲劳计算提出改进方案。

2 振动测试概述

轮对提吊安装在轴箱端盖上，其作用在于起吊时构架带动轮对，转向架整体移动。轮对提吊异常振动将产生噪音，甚至断裂，落入轨道或击打车辆部件都可能造成行车安全。针对轮对提吊异常振动的问题，开展振动测试，在轴箱端盖、轮对提吊上部布置加速度传感器，测试方向包括横向和垂向，测点布置如图1。

3 异常振动分析方法

异常振动分析首先得明确系统可能出现激励的特征频率和结构的固有模态，然后是掌握识别这些信号特征的信号分析方法，最后进行综合诊断。

3.1 轨道车辆特征频率

一般钢轨长度，轨枕间隔，轨道板长度等都是一定的，轨道车辆按一定速度在钢轨上运行，往往会产生周期性的激励，其特征频率表现为：

式中：

v——车辆运行速度，单位m/s ，li——钢轨长度，轨枕间隔，轨道板长度等，单位m

另外，地铁轨道上也经常出现波磨，波磨波长一般在40-70mm。

目前，大量测试数据表明，车轮在运行一段时间后出现失圆现象，车辆运行时会产生周期性激励，其特征频率表现为：

式中：

n——车轮不圆阶次 ，d——车轮直径，单位m

3.2 轮对提吊固有模态

表1列出前4阶振型和固有频率。结果表明，轮对提吊第一阶固有模态为一阶横弯，频率为300Hz。

表1 模态分析结果

4 轮对提吊异常振动分析

图4为轴箱、轮对提吊的全程振动加速度时域图，可以看出，轴箱横向振动加速度最大35g左右，轴箱垂向振动加速度最大60g左右，提吊横向最大达到200g以上，提吊垂向50g左右。图4所示3段典型区间进行分析，其中第1段整体振动较小，第2两个区段轴箱振动相对较小但提吊振动大，第3区段轴箱振动与提吊振动均很大。

区段1轴箱提吊振动均较小，从时域信号可以看出，整个区段振动较均匀，没有异常突起点，轴箱横向最大为7g左右，轮对提吊最大为46g左右。如图5和图6所示，对比轴箱和轮对提吊的频率特征，轮对提吊明显在295Hz附近有较大能量，这个频率并不随时间即车辆运行速度变化而变化，为轮对提吊一阶横弯固有频率。

区段3轴箱振动大，达到50g左右，同样提吊振动也非常大，接近200g。如图7和图8从时域信号和时频信号可以看出轴箱和提吊在 55～60s区段振动明显大于其他时间，结合频谱图可以看出，这两段的振动主频为362Hz，同样为波磨所致，且波磨波深较大，轴箱振动量级很大。当车辆以70km/h速度运行时，波磨波长约54mm，与地铁线路常见波磨长度吻合；

5 结论

（1）轮对提吊横向振动明显大于轴箱横向振动，轮对提吊一阶横弯频率约300Hz；

（2）线路线路存在多处波磨，其中有些部分波磨特征特征频率与轮对提吊固有频率接近而发生共振；也有部分波磨虽特征频率与固有频率虽有一定的距离，但其本身的振动能量非常大。总之，波磨是造成轮对提吊异常振动甚至断裂的主要原因。

参考文献：

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（作者单位：苏州市轨道交通集团有限公运营分公司）