贵广高速铁路动车组车体异常晃动原因分析及治理

2022-11-05 12:20龚继军魏来蒋俊王军平李泽选侯博
铁道建筑 2022年10期
关键词:廓形踏面锥度

龚继军 魏来 蒋俊 王军平 李泽选 侯博

1.中铁物总运维科技有限公司,北京 100036;2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都 610031;3.中国铁路成都局集团有限公司,成都 610082;4.中国中车青岛四方车辆研究所有限公司,山东 青岛 266031

京港高速铁路安庆—九江段开通运营,标志着八纵八横高速铁路网京港(台)通道商丘—深圳段基本贯通。至此,中国高速铁路运营里程突破4万km。我国高速轨道交通领域已经进入后高速铁路时代。高速铁路长期服役过程中出现的异常振动已成为影响运营品质的制约因素,国内外学者围绕车体异常振动开展了深入研究。

Kohama[1]1994年对日本新干线进行振动测试时发现,在空气作用下尾车会产生1.5 Hz左右的横向运动。俞喆等[2]调研了出现动车组晃车现象线路的钢轨廓形,结合动力学仿真对高速动车组晃车现象成因进行分析,并提出针对性打磨措施。龚继军等[3]采用仿真结合理论计算的方法研究了不同实测轮廓匹配时等效锥度对蛇行频率的影响,通过打磨提高钢轨轨头弧度较好地解决了广深铁路动车组异常晃动的问题。池茂儒等[4]采用多体动力学仿真软件分析了蛇行频率与车体刚体模态共振时车辆发生一次蛇行的现象。李然[5]通过计算实测轮轨廓形相互匹配时等效锥度与轮轨接触角等参数的对应关系,研究了轮轨接触几何关系线性化的方法。

既有研究主要集中在车体横向振动处于1 Hz附近的相关问题[6-12],对动车组车体横向振动出现低于0.8 Hz的低频振动的研究较少。2019年10月初,某型动车组运行在贵广高速铁路时出现了大面积的晃车现象,运行速度180~220 km∕h。本文通过对出现异常晃动区段的线路几何尺寸、钢轨廓形、轨面状态进行全方位调查,同步使用平稳性测试仪对晃车严重的车号进行跟踪测试,从问题调查、机理分析、整治效果等方面入手对该型动车组晃车现象进行研究,同时制定相应的整治措施。

1 现场调查

1.1 车辆平稳性及舒适度

GB∕T 5599—2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》规定,动车组车辆平稳性指标小于2.5为优;IS02631-1—1985《Evaluation of Human Exposure to Whole-body Vibration—Part 1:General Requirements》规定,舒适度指数小于0.315 m∕s2为非常舒适。

2019年10月,使用平稳性测试仪对2列不同走行里程的该型动车组运行在相邻线路的平稳性相关指标进行了跟踪测试。其中,1#车镟轮后的走行里程为180 000 km(镟轮末期),2#车镟轮后的走行里程为5 000 km(镟轮初期)。该型动车组在贵广高速铁路上运行时,实测动车组横向平稳性指标WH未超过2.5,横向舒适度指数SH未超过0.315 m∕s2,但人工添乘时能感受到车体明显晃动。其中,当WH≥1.8、SH≥0.120 m∕s2时,能感觉到车体左右晃动;WH≥2.0、SH≥0.150 m∕s2时,能明显感受到车体晃动剧烈。2列动车组车体横向平稳性和舒适度的统计结果见表1。其中,标准测量时间长度为5 s,即每5 s为一个分析段,每5 s计算一次WH和SH,因此统计的超限数量为分析段数量。由表1可知:该型动车组在镟轮初期和镟轮末期存在不同程度的晃车现象。

表1 2列动车组横向平稳性和舒适度统计结果

发生晃车时车体平稳性指标均未超过限值,但是体感严重不适,可见现有的平稳性指标计算结果与体感存在较大差异。因此,本文将横向平稳性指标、横向舒适度指数作为判定该型动车组车体晃动的指标。

1.2 车体横向振动加速度

1#动车组实测横向振动加速度的幅值及时频曲线见图1。可以看出:车辆横向振动加速度存在较为明显的主频(颜色较深区域),约为0.6 Hz。

图1 1#动车组实测车体横向振动加速度时频曲线

1.3 钢轨廓形

对贵广高速铁路发生晃车现象的从江—桂林区段里程K278—K396的钢轨廓形进行了现场调查,每500 m采集1对测点,共采集236对(上下行各118对)。实测钢轨廓形与标准60N钢轨廓形对比见图2。其中,不同颜色代表不同测点,廓形对齐方式统一为内侧16 mm与轨顶对齐。由图2可知:钢轨打磨前,与标准60N钢轨相比,晃车区段钢轨廓形在轨头横向0~25 mm区域负偏差超过0.2 mm的占比为0.022%,轨顶关键接触区域(-10~10 mm)均未超过0.2 mm。

图2 晃车区段钢轨廓形与标准60N廓形对比

1.4 轮轨接触光带

现场调研发现,晃车区段钢轨轨面存在轨距角接触现象,轮轨接触状态欠佳。晃车区段某处钢轨表面及该位置实测钢轨廓形与标准60N钢轨廓形对比见图3。可知:在异常接触位置,实测钢轨廓形与标准60N钢轨廓形相比,-10~20 mm区域廓形贴合,内侧大于20 mm位置为正偏差,与正常轮对踏面匹配时不会出现等效锥度偏低的情况。

图3 晃车区段某处钢轨表面及廓形对比

1.5 车轮廓形

2019年1月和10月,分别对1#动车组车轮踏面进行了测试,并与标准LMA车轮踏面进行对比,结果见图4。其中,2019年1月镟修后运营里程为10万km,车轮踏面为未发生晃车现象的实测轮对踏面;2019年10月运营里程为18万km,车轮踏面为发生晃车现象后的实测轮对踏面。由图4可知:发生晃车的车轮踏面名义滚动圆外侧20~50 mm区域磨耗异常,正常磨耗位置名义滚动圆附近磨耗较少。踏面端部磨耗、滚动圆附近不磨耗将造成车轮等效锥度、横向复原力不断下降,等效锥度未随列车运行里程增加而增加,导致动车组发生异常晃动现象。

图4 晃车前后车轮踏面与标准LMA车轮踏面廓形对比

1.6 轨道不平顺

选取2019年10月贵广高速铁路成都局、南宁局管内异常晃车区段的轨道检测数据进行分析,晃车区段钢轨左右轨向不平顺功率谱密度计算结果见图5。可以看出,贵广高速铁路成都局、南宁局管内晃车区段的轨道不平顺均未出现明显谐波,不会对车辆运行平稳性造成影响。

图5 轨向不平顺功率谱密度

2 原因分析

2.1 悬挂模态计算结果

该型动车组车辆系统自振频率和阻尼比见表2。可知:车体下心滚摆频率为0.602 Hz,与该型动车组发生晃动时振动主频较为一致。转向架蛇行运动频率与车体下心滚摆频率耦合,引发车体产生共振现象,造成车体发生一次蛇行,产生异常晃动现象。

表2 动车组自振频率及阻尼比

2.2 等效锥度

将2019年1月(晃车前)、2019年10月(晃车后)1#动车组实测车轮踏面与标准60N钢轨进行匹配,计算等效锥度,并与新车轮匹配标准60N钢轨的等效锥度进行对比,结果见图6。可知:晃车前,车轮等效锥度较高,平均值为0.057,比新车轮匹配标准60N钢轨的等效锥度(0.031)增大了90%;晃车后,车轮等效锥度较低,平均值为0.021,比新车轮匹配标准60N钢轨的等效锥度(0.031)减小了30%。过低的轮轨匹配等效锥度会使转向架蛇行频率偏低,继而导致蛇行频率与车体弹性模态耦合在较高速度下发生,引发车体产生一次蛇行。因此,车辆在低锥度下一旦发生一次蛇行失稳,车体的横向运动幅值也会十分显著,将严重影响乘坐舒适性。

图6 晃车前后1#动车组车轮踏面匹配标准60N钢轨的等效锥度

2.3 轮轨接触角差

车轮接触角反映了轮轨接触界面车轮、钢轨廓形的弧度以及接触力的大小,是衡量轮对横向复原力的主要指标。轮对横向复原力小可能会引起车体的低频振动。将2019年1月(晃车前)、2019年10月(晃车后)1#动车组实测车轮踏面与标准60N钢轨进行匹配,计算了轮轨匹配接触角差(轮对横移为3 mm),结果见图7。可知:晃车前,1#动车组车轮与标准60N钢轨廓形匹配时轮轨接触角差平均值为1.171 6°,比新车轮匹配标准60N钢轨的轮轨接触角差(0.550 0°)增大了113%,未出现正负波动的情况;晃车后,轮轨接触角差平均值为-0.660 0°,远小于新车轮匹配标准60N钢轨的轮轨接触角差,且出现了正负波动的情况。轮对接触角差大幅减小会导致轮对自动对中能力大幅下降,引起动车组车体产生低频晃车现象。

图7 晃车前后1#动车组车轮踏面匹配标准60N钢轨的接触角差

2.4 实测研磨子作用状态

研磨子主要用于清扫车轮踏面异物、增加轮轨间的黏着系数、抑制车轮多边形磨耗等。该型动车组研磨子静态贴靠车轮踏面时与车轮的实际接触位置见图8。车轮踏面研磨子磨耗最大位置即为偏向车轮踏面端部,若该位置磨耗较大,轮轨接触在该区域时等效锥度将会严重偏小。

图8 晃车前动车组研磨子与车轮实际接触位置

3 整治措施及效果

2019年12月初,对出现异常晃动的该型动车组1#动车组踏面轮对进行了镟修,同步更换了研磨子,并对整治效果进行跟踪试验。

整治后,对1#动车组走行40 000 km后的WH、SH进行了测试。测试结果表明,实测WH未超过1.8,SH未超过0.12 m∕s2,人工添乘时未再出现车体晃动现象,人工添乘体感得到大幅改善。

整治后走行40 000 km工况下,将1#动车组实测车轮踏面与标准LMA踏面进行对比,并计算1#动车组车轮踏面匹配标准60N钢轨的等效锥度和接触角差,结果见图9。可知:实测车轮踏面的磨耗区域趋于正常,踏面端部未出现明显异常磨耗现象;等效锥度未见异常;轮对接触角差未再出现正负交替现象,轮对踏面对中能力得到较大提升。

图9 整治后1#动车组走行40 000 km时车轮状态

4 结论

本文针对贵广高速铁路某型动车组服役过程中出现严重车体异常晃动的问题,通过对晃车区段线路钢轨廓形、车轮踏面的几何尺寸进行测量,结合晃车时车体横向振动加速度的测试结果,研究晃车原因,提出整治措施。主要结论如下:

1)贵广高速铁路上运行的该型动车组车体晃动时车体存在0.6 Hz的横向振动,与车体下心滚摆频率一致。

2)引起该型动车组晃车现象的主要原因是车轮踏面磨耗异常导致轮轨匹配等效锥度及接触角差偏低。

3)通过车轮踏面镟修、更换研磨子,车轮踏面磨耗区域趋于正常,轮对接触角差未出现正负交替现象,轮对踏面对中能力得到较大提升,横向平稳性及舒适度得到极大改善,该型动车组车体异常晃动的问题得到解决。

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