动车组高频异常振动成因轮轨耦合试验分析*

朱韶光， 董孝卿， 许自强

(1 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100081；2 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081)

我国高速铁路开通以来，动车组异常振动一直是困扰旅客列车正常运营的主要问题，近年尤以高频振动为主。目前兰新、贵广等线路均出现过零部件异常裂纹等影响运营安全的高频异常振动现象。经过调研和分析发现目前高频异常振动主要是由于车轮多边形和钢轨波磨等固定波长频率在列车运营过程中随速度变化后与零部件固有频率重合，使零部件共振引起的。目前国内外对车轮多边形和钢轨波磨的产生原因均有较多研究，J.Kalousek[1-3]等在1992年已开始对车轮多边形现象进行研究，1986年开始，Frederick等[4-5]已开始对钢轨波磨现象进行数值模拟，近年我国学者金学松、谭立成等[6-9]对车轮多边形和钢轨波磨现象开展了大量研究工作，但采用试验测试特别是对车辆和轨道同时进行耦合测试研究的较少。

1 高频振动现象及试验设计

兰新线某运营动车组在检修时发现制动盘螺栓出现裂纹、脱落等现象，如图1～图4所示，通过对车辆线路振动测试、车轮和钢轨静态测试，发现故障车辆制动盘在514 Hz和843 Hz附近存在明显峰值频率，该型动车组车轮存在26～28阶多边形，部分区段钢轨存在60～70 mm波长的波磨现象，同时该线路列车恒定运行速度以193 km/h和203 km/h为主。在该速度下车轮多边形频率与514 Hz频率存在重合现象，钢轨波磨频率与843 Hz频率存在重合现象。将异常振动动车组车轮进行旋修消除多边形后514 Hz峰值频率明显降低，该现象为典型的由车轮多边形和钢轨波磨造成的高频异常振动问题。

图1 制动盘频谱图

图2 固定波长频率与振动频率重合

异常振动通常与零部件共振有关，为进一步探索车轮多边形和钢轨波磨的产生原因，利用零部件模态测试和轮轨耦合振动测试，分析整备状态下车轮、制动盘、钢轨、扣件、轨道板等零部件固有频率与轮轨固定波长频率的对应关系，同时选择轨道固定区段在钢轨、扣件、轨道板等位置布置加速度传感器，在发生故障的同类型车辆轴箱、构架等位置布置加速度传感器，分析列车经过地面测点时车辆和轨道的特征频率及其与轮轨固定波长频率的对应关系。分析轮轨系统固有频率与车轮多边形和钢轨波磨频率的对应关系。

图3 车轮多边形测试结果

图4 钢轨波磨测试结果

2 模态测试结果

如图5～图8所示，采用锤击法对车轮、制动盘、轴箱、构架等零部件进行整备状态模态测试，测试结果见表1，可知，制动盘在528 Hz和852 Hz处存在固有频率，该频率分别与车轮多边形和钢轨波磨在车辆正常运行速度级下频率相似，即在列车正常运行速度级下车轮多边形和钢轨波磨频率能激扰起制动盘固有频率。车轮在845 Hz附近存在固有频率，该频率与钢轨波磨频率相对应，但车轮固有频率中未发现与车轮多边形频率相对应的成分。因模态测试采用锤击法，轴箱和构架质量较大，其频率未能充分激励，该部分频率在线路振动中进行分析。

图5 车轮模态测试

图6 制动盘模态测试

图8 模态稳态图

阶数制动盘车轮频率/Hz阻尼比/%频率/Hz阻尼比/%15282.453461.357 26323.2813840.083 36671.525648 1.395 48520.5498450.875

如图9～图11所示，对兰新线波磨区段的轨道进行锤击法模态测试，钢轨、扣件和轨道板测试结果见表2所示，可知，测试区段钢轨和扣件均未发现与车轮多边形和钢轨波磨相对应的频率成分，轨道板在530 Hz附近和860 Hz附近存在固有频率分别与车轮多边形和钢轨波磨频率对应。

图9 钢轨模态测试

图10 扣件模态测试

图11 轨道板模态测试

3 轮轨耦合振动测试结果

因轴箱和构架质量较大，锤击法模态测试不理想，且锤击法轨道模态测试时的边界条件与列车经过时轨道的边界条件存在较大差异，因此需对轮轨进行耦合振动测试，分析列车经过轨道振动测点时车辆和轨道的频谱特性。

选择异常振动车辆，如图12所示，在车下安装激光脉冲传感器，同时在地面测点轨道板上固定反光板，当列车经过地面测点时触发激发传感器，实现轮轨耦合振动测试。如图13所示，轴箱和构架在530 Hz附近存在明显峰值频率，该频率与车轮多边形频率对应，在750～870 Hz附近存在明显峰值频率，该频率与钢轨波磨频率对应，同时构架在550 Hz附近存在明显峰值频率且该频率由轴箱传递至构架存在明显放大现象。初步分析构架在550 Hz附近可能存在固有频率，该频率与多边形频率可产生共振。如图14和图15所示，钢轨在不同列车经过时在520 Hz附近及870 Hz附近均存在明显峰值频率，轨道板在500 Hz附近存在明显峰值频率。

表2 300～1 000 Hz轨道主要模态测试结果

图12 激光传感器

图13 轴箱构架频谱图

图14 钢轨加速度频谱图

图15 轨道板加速度频谱图

4 综合分析

将模态测试结果和轮轨耦合振动测试结果汇总于表3，因车轮和制动盘模态测试边界条件与车辆运行时相似，其模态结果可用于综合分析，而轨道模态测试边界条件与车辆经过时存在一定差异，其模态频率仅作为参考。轮轨耦合振动测试时构架在550 Hz频率处存在明显放大现象，该现象可能与其固有频率有关，该数据可用于综合分析。但轴箱构架在750～870 Hz处频率可能与线路本身存在轻微波磨有关，因无其他车辆数据进行对比剔除，因此该频率暂不用于综合分析。而钢轨和轨道板分别在520 Hz和500 Hz存在的峰值频率是通过对不同类型车辆进行分析对比得到的共性结果，在一定程度上可反映其固有频率，因此可用于综合分析。

将上述可用于综合分析的频率与车轮多边形和钢轨波磨频率对应情况汇总于图16，可知车轮多边形频率与构架、制动盘固有频率及钢轨、轨道板振动频率相对应，钢轨波磨频率与车轮、制动盘固有频率及钢轨振动频率相对应。即车轮多边形和钢轨波磨频率在轮轨耦合系统中均存在零部件固有频率与其相对应。

及时发现并消除轮轨高频异常振动是保证车辆安全运行的前提条件，缓解车轮多边形和钢轨波磨对高频振动的影响可从两方面进行考虑：(1)消除激扰源，可通过车轮旋修和钢轨打磨来实现；(2)破坏轮轨系统共振现象，可通过跨线运行、变速运行、不同车型混跑等方式实现。

表3 测试结果汇总 Hz

图16 频率对应情况分析

5 结束语

异常振动与系统零部件共振有关，通过模态测试和轮轨耦合分析，证明轮轨系统中车轮、构架、钢轨、轨道板存在与车轮多边形和钢轨波磨频率相对应的固有频率，轮轨系统固有频率与车轮多边形和钢轨波磨的产生存在必然联系。

由于测试手段和方法的限制，完全整备状态下大型零部件的模态振型无法通过测试得到，定量分析轮轨各部件对车轮多边形和钢轨波磨的影响存在困难。待安全防护手段完备后可开展列车高速通过状态下轨道工作模态测试和转向架高频工作模态测试，得到各零部件模态振型和频率，分析各阶模态对高频振动的影响。