高速铁路动车组异常抖动原因分析及对策

管曙刚 中国铁路上海局集团有限公司上海工务段

2019年2月至3月，国内京沪高铁连续出现了多起某型动车组抖车现象，主要表现为车体出现高频抖动并引起了座椅、行李架的抖动，同时产生了一定的噪音，影响旅客乘坐舒适性。

动车组抖动的主要特点：

（1）动车组车轮临近镟修时容易出现抖车；

（2）抖车集中在济南局与上海局管内个别区段；

（3）抖车动车组构架横向振动加速度未出现报警。

本文以京沪高铁上海局管内线路为研究对象，对车辆和钢轨状态进行调查研究，分析了造成动车组抖车的原因并提出处理措施，确保高铁动车运行安全和舒适。

1 抖车振动特性分析

工务部门会同车辆部门对抖车的动车组进行了添乘，并测试了发生抖车的车底板、侧墙、行李架与座椅的振动加速度。通过测试可知：

（1）抖车区段车体平稳性显著降低，添乘测试车体横向平稳性为2.4（主机厂添乘测试平稳性最大超过3.0）。

（2）抖车时车底面的垂向振动加速度明显小于横向，但是传递至侧墙、行李架、座椅后垂向振动加速度显著增加。

（3）抖车时底板、侧墙、行李架、座椅的振动加速主频都为7.9 Hz，且可明显听到座椅与行李架发出哒哒哒的抖动声。

2 轮轨匹配分析

2.1 车轮型面

对发生抖动的动车组车轮型面进行了测量，实测车轮型面与标准车轮型面对比见图1，可见实测车轮型面在踏面区域出现了较为明显的凹磨，凹磨宽度约为40 mm，滚动圆处磨耗深度约1.2 mm，除此之外并未出现其他异常。

图1 车轮踏面外形对比

2．2钢轨廓形分析

京沪高铁上海局管内抖车区段集中在南京至无锡段，该区段钢轨廓形在2011年预打磨后未进行GMC-96X打磨车的预防性打磨，仅每年安排一次钢轨快速打磨，快速打磨可提高线路的平顺性，但对钢轨廓形的改善效果有限。通过调查并统计抖车区段钢轨发现：1）钢轨光带较宽（见图2~图3），宽度在40 mm~52 mm之间；2）与设计廓形60D相比，抖车区段钢轨廓形在轨距角部位存在正偏差超限，最大偏差量约为+0.8 mm~+1.0 mm，见图4~图7。

图2 上行K1092+663右股光带（宽度42 mm）

图3 上行K1092+683右股光带宽度（51 mm）

图4 上行K1148+500左右轨廓形与标准廓形对比（蓝色为标准廓形）

图5 上行K1149+500左右轨廓形与标准廓形对比（蓝色为标准廓形）

图6 上行K1091+000左右轨廓形与标准廓形对比（蓝色为标准廓形）

图7 上行K1091+000左右轨廓形与标准廓形对比（蓝色为标准廓形）

2.3 轮轨匹配特性

选取出现抖车的动车组车轮踏面与抖车区段钢轨廓形进行仿真计算，其中轮轨匹配等效锥度结果见表1。由表1可知，抖车动车组轮轨匹配等效锥度均大于0.33，部分车体的轮轨匹配等效锥度甚至已经超过经验限值0.4。过大的等效锥度将增大转向架蛇行运动频率，当蛇行失稳频率与车体弹性模态接近时，极易引起车体弹性振动而出现抖车情况。

表1 轮轨匹配等效锥度

图8 和图9为轮轨接触点分布情况。出现抖车的动车组车轮踏面与抖车区段钢轨匹配时，由于车轮存在较大凹磨，轮轨接触点主要分布于外轨与轨距角，容易出现假性轮缘接触，加剧轮对横向振动。

图10 为轮轨匹配等效锥度曲线。可见等效锥度曲线呈负斜率趋势，研究发现负斜率的等效锥度曲线不利于构架稳定性。

图8 1号动车组1车导向轮对轮轨接触

图9 2号动车组3车导向轮轨轮轨接触特性

图10 轮轨匹配等效锥度曲线

3 抖车其它影响因素分析

车轮磨耗后，构架蛇行分岔主要为超临界分岔，即随着运行速度提高，轮对先出现周期性小幅横向蛇行运动且其幅值随速度不断增大，当蛇行运动幅值达到某一临界点则出现大幅蛇行失稳现象。如图11所示，临近镟修周期时动车组以350 km/h的速度通过某些区段时，轮对会出现小幅蛇行运动，也可能是产生抖车的诱因之一。

图11 蛇行分岔图

4 处理措施

从分析结果可见，车轮临近镟修时产生的凹磨及钢轨打磨不到位（即钢轨轨距角处正偏差超限）是造成动车组抖车的重要因素。所以，对于动车组抖车的治理，可从车轮镟修和钢轨打磨两方面予以解决。前期研究表明，良好的钢轨打磨可保证甚至延长动车组的镟修周期，所以，对于出现抖车的线路，应当制定精细化的钢轨打磨计划和方案，做到：

（1）打磨计划要合理

应做到区间线路和岔区线路的贯通打磨，即保证岔区线路和区间线路钢轨廓形的一致性。工务部门在制定打磨计划时，应保证打磨计划可以满足车站道岔及站内外线路的覆盖打磨。

（2）治理方式要科学

目前，各铁路局均配备有96头钢轨打磨车，20头道岔打磨车及人工小型打磨机具。对于左右股对称性良好，且存在长大区间抖车的线路，可采用96头钢轨打磨车进行跨区间打磨，打磨后廓形满足《高速铁路钢轨打磨管理办法》要求；对于左右股对称性不良，且存在动车组抖车的线路，应优先采用20头道岔打磨车进行分区段精细化打磨，以消除两股钢轨的不对称度，必要时可辅以人工小机打磨，再进行两股钢轨廓形的修复，在保证两股对称性的前提下，廓形应满足《高速铁路钢轨打磨管理办法》要求。

（3）打磨方案要细化

对于存在抖车的线路，应对抖车区段钢轨廓形进行精细测量，通过测量结果确定打磨位置及打磨量。

5 结论及建议

综合上述分析，京沪高铁某型动车组抖车的原因是磨耗后期凹磨严重的车轮踏面与部分区段钢轨匹配不良，轮轨匹配等效锥度过大使构架出现8 Hz左右蛇行运动失稳频率特征，该频率特征传递至车体,可能与车体弹性模态接近而激起车体共振,产生抖动。同时,8 Hz左右频率特征也传递至座椅与行李架，影响旅客乘车舒适性。

建议对抖车频繁且接近镟修周期的动车组进行车轮镟修，并对长期未打磨区段钢轨进行预防性打磨。