基于车体低频横向晃动分析的60N钢轨打磨限值研究

张天元,石广田,和振兴,许自强,董孝卿

(1.兰州交通大学机电工程学院,兰州 730070；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)

引言

近年来，我国高速铁路迅猛发展，随着速度不断提高，客流量激增，运营期各种问题也随之出现[1-3]，其中就包括部分动车组在个别区段运行过程中出现的晃车现象[4-6]。晃车会恶化旅客乘坐舒适性，降低车体平稳性，导致这个问题出现的主要原因是因为轮轨型面不良匹配、等效锥度降低[7-9]。目前，国内学者从不同方面对晃车问题进行研究，如何旭升等[10]对运营中的高速动车组进行振动在线测试，分析高速动车组车体振动的时频特性，同时对车轮踏面进行同步测试，分析比较晃车车轮与正常车轮的差异以及对晃车现象的影响；俞喆等[11-12]通过调研出现动车组晃车的线路，结合动力学仿真，从钢轨廓形方面对高速动车组晃车现象成因进行分析，并提出针对性的打磨措施；陈经纬等[13]通过将CN60与标准S1002CN匹配计算等效锥度及接触点位置，分析等效锥度和接触带宽度随钢轨廓形的变化而变化的规律，并通过动力学模型仿真得出钢轨廓形的变化对于车体横向振动响应的影响规律；周清跃等[14]根据高速线路上运行车辆的车轮型面，设计了钢轨的预打磨廓形，给出了适用于不同车轮型面的钢轨预打磨深度理论值，有效改善了轮轨的接触状态。

为解决晃车问题，研究人员先后对钢轨打磨技术[15-16]、钢轨廓形进行提升与优化设计，提出预打磨设计廓形(60D)及60N廓形[17-18]，优化后的廓形在我国高速铁路钢轨打磨工作中取得了一定成效[19-20]。但以上研究未考虑实际线路上由于钢轨打磨控制精度不够，导致打磨后的钢轨与目标廓形有所偏差的问题，因此，找到合理的钢轨打磨限值，降低晃车现象发生的几率在行业内备受关注。对部分晃车区段(打磨目标为60N钢轨的高速铁路干线)展开跟踪调研与测试工作，分析比较异常区段左右钢轨，异常区段与正常区段钢轨两种情况下钢轨廓形之间的差异；结合仿真软件研究不同钢轨廓形对于晃车现象的影响，提出60N钢轨合理打磨限值及相应的打磨措施。

1 动车组偶发晃车现场调研

1.1 晃车现象

当动车组在部分线路区段车体横向振动加速度存在周期性谐波，谐波整体幅值较大，有明显的晃动主频且主频约为1 Hz时，可断定车体出现晃车现象。以往研究表明，晃车的主要原因是车轮镟修或钢轨打磨精度控制不够，导致轮轨匹配异常，即等效锥度过低激发了车体的一次蛇行失稳(主要表现为车体侧滚和摇头的耦合振型)，车体横向振动加速度幅值显著增加等问题。

1.2 线路情况

通过前期振动测试分析，定位了某线晃车明显的线路区段为研究对象，并对某线晃车区段钢轨进行了2次调研，调研发现某线钢轨存在以下特征：①光带宽窄突变，某线下行K84+877区段左右轨光带宽度分别为30/18 mm，到K84+817区段左右轨光带宽度分别为16/30 mm；②钢轨廓形接近60N，轨距角位置突出且存在交替磨耗现象，如图1所示。从轨道不平顺的角度来看，晃车区段的轨道几何幅值较小，基本无变化。

图1 光带交替变化

1.3 车辆情况

试验车型CRH2A于2006年7月31日下线，至试验期间二系横向减振器，抗蛇形减振器等关键部件数值与初始设计一致，未进行过任何变更；检测所有悬挂部件性能参数均在检修标准规定范围内。此次试验选择了镟后12万km的CRH2A的动车组进行添乘，此动车组车轮型面为LMA踏面，轮轨匹配的平均等效锥度为0.015。

综上，动车组高级修、轨道不平顺、悬挂参数正常，不作为晃车的关键影响因素，暂不进行进一步研究。

2 钢轨廓形实测分析与廓形偏差拟合

2.1 异常区段左右钢轨分析

异常区段左右轨在横坐标-5～+20 mm范围内廓形不一致。与60N钢轨相比，左侧钢轨在-5～+16 mm范围为负偏差；右侧钢轨在-5～+7 mm范围为负偏差，在+7～+16 mm为正偏差，右侧钢轨工作边正负偏差交替不利于轮轨接触，如图2所示。

图2 晃车区段左右股钢轨廓形与60N钢轨廓形对比

2.2 异常区段与正常区段钢轨分析

标准钢轨的接触区域在横坐标-5～+10 mm范围内，异常钢轨接触区域在横坐标-10～+25 mm范围内。在横坐标-5～+10 mm范围内，未发生晃车区段的钢轨廓形与60N钢轨廓形基本一致。在横坐标+10～+35 mm范围内，异常区段钢轨廓形相比60N钢轨廓形形成了正负偏差交替；+0～+20 mm范围内为负偏差，+20～+35 mm范围内为正偏差，如图3所示。

图3 异常、正常区段左股钢轨廓形与60N钢轨廓性对比

2.3 异常区段轮轨等效锥度统计

从钢轨廓形角度看，在横坐标+0～+15 mm范围内，某线测试的28个直线段钢轨廓形，其中，23个钢轨廓形低于打磨廓形60N钢轨，占比82%，同时廓形在±25 mm范围偏差超过0.2 mm，钢轨廓形存在过打磨现象。从轮轨匹配关系看，某线测试的14处直线段钢轨断面，3 mm处名义等效锥度全部低于TB60钢轨，其中12处等效锥度低于60N钢轨。将TB60钢轨标记为第1组，60N钢轨为第2组，测试14处钢轨廓形为1～14组，如图4所示。

图4 钢轨等效锥度对比

2.4 廓形偏差拟合

为研究打磨目标为60N钢轨廓形在打磨周期内对晃车现象的影响，根据实测数据及相关要求，拟合出不同偏差值的钢轨廓形用于仿真分析。按照铁总运〔2014〕357号《高速铁路钢轨打磨管理办法》，钢轨打磨廓形由TB60逐步向60N以及预打磨设计廓形过渡，故基准廓形设定为60N钢轨廓形。以打磨角度+10°为基准角度(约为钢轨横向+15 mm处)，偏差量范围设定为-0.2～0 mm，以基准角度处做偏差拟合时，打磨角度小于-10°与大于50°的区域钢轨廓形均未改变，0°～50°区域根据打磨角度处的偏差量及曲线拟合相关方法进行拟合，-10°～0°廓形旋转了一定的角度但廓形没有改变[13-14]，最终拟合得到负偏差0.2 mm钢轨廓形如图5所示，其余偏差拟合廓形均采用此方法进行拟合。

图5 不同偏差下拟合钢轨廓形

3 60N钢轨廓形限值研究

3.1 动力学模型建立

采用大型动力学软件建立CRH2A的车辆模型。以CRH2型车拖车结构参数为基础，建立多体动力学车辆模型，如图6所示。即先分析与建立车辆多体间的拓扑关系，再根据实际情况建立各部件之间所需的参照坐标系、铰接、力元及测试所需的传感器。然后，建立车辆各实体部件，其中包括1个车体、2个转向架、4条轮对，8个轴箱共计15个刚体。自由度方面：车体、转向架、轮对均包含侧滚、点头、摇头、横向、垂向、纵向6个自由度，轴箱包含点头1个自由度。仿真过程中将车体、轮对、转向架等部分均视为刚体，悬挂部分中的空气弹簧和减振器等元件视为弹性体，建模过程中充分考虑横向止挡等非线性特性元件，忽略车体伸缩变形，轨道激励选取美国五级谱，令车辆以200 km/h速度在直线上运行20 s，将试验测得的车轮踏面数据和钢轨型面数据导入车辆系统动力学模型，对比仿真结果与试验数据验证模型的正确性。

图6 高速列车车辆动力学模型

3.2 动力学计算及结果分析

将拟合得到的钢轨廓形导入上述车辆系统动力学模型中，车轮踏面采用LMA标准踏面，按照改为GB/T5599—2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》中关于传感器布置的相关要求，采集不同情况下测点处车体横向振动加速度信号，图7为负偏差为0.2 mm情况下，进行过平滑处理后车体横向振动的时域波形。对不同负偏差情况下的车体横向振动加速度信号做频谱分析，得到不同负偏差下的主频，如图8所示。

图7 负偏差0.2 mm情况下时域波形

图8 不同负偏差下主频对比

由图7、图8可知，车体横向振动加速度存在周期性谐波，谐波幅值偏大且主频为0.8 Hz左右，符合试验初期掌握晃车现象的特征。当负偏差从0.2 mm减小到0.1 mm时，车体横向晃动主频仍然存在并稳定在0.8 Hz左右，主频对应的幅值明显减小，表明车体仍存在低频横向晃动现象，但晃动幅度已明显减小。当负偏差从0.1 mm减小到0.05 mm时，车体横向晃动主频消失且整体幅值明显减小，表明车体低频横向晃动现象已经消失。即存在某个负偏差值是钢轨过打磨情况下的限值，一旦超过此值便会诱发晃车现象。

为更精确地确定钢轨的打磨量限值，再次拟合4组新的负偏差量分别为0.09，0.08，0.07，0.06 mm的钢轨廓形，并将4组新的钢轨廓形与LMA踏面匹配得到不同情况下3 mm处名义等效锥度值与晃动主频幅值，如图9所示。由图9可知，随着钢轨廓形负偏差量的不断减小，3 mm处名义等效锥度值不断增大，但数值却普遍偏小，这一规律也符合试验对于统计晃车区段钢轨廓形与LMA踏面匹配的等效锥度偏小(平均值<0.033)的结论。当负偏差量由0.05 mm增加到0.09 mm时，晃动主频的幅值缓慢增大；当负偏差量由0.09 mm变为0.1 mm时，晃动主频幅值由0.075 m/s2激增到0.13 m/s2，表明钢轨打磨量由-0.09 mm变为-0.1 mm时会诱发晃车现象。可以确定当钢轨在横坐标+15 mm处打磨限值为0.09 mm，即超过此限值会诱发晃车现象。

图9 车体主频幅值及等效锥度对比

图10为不同正偏差下主频对比，由图可知，当偏差量由0 mm分别增加到+0.1 mm和+0.2 mm时，两种工况下均未出现晃动主频且整体幅值在0.02～0.03 m·s-2，相较于负偏差情况下幅值整体偏小，可以判断这两种情况下车体均未出现低频横向晃动现象，即若打磨后的实际廓形相较于60N标准钢轨在工作边出现了正偏差且偏差在0.10 mm左右，均不会出现晃车现象。

图10 不同正偏差下主频对比

4 结论

通过对部分线路进行车体振动测试，确定晃车的具体区段，并对此区段进行轨道调研。结合动力学仿真软件，提出了LMA车轮与60N钢轨匹配下，钢轨的打磨限值与建议。得出主要结论如下。

(1)调研异常晃车区段发现，左右轨在横坐标-5～+20 mm范围内廓形不一致。与60N钢轨相比，左侧钢轨在-5～+16 mm范围为负偏差；右侧钢轨在-5～+7 mm范围为负偏差，在+7～+16 mm为正偏差，钢轨轨距角处过打磨是导致轮轨接触关系恶化，形成正负偏差交替，诱发晃车现象的主要原因。

(2)动力学仿真分析表明，当偏差钢轨与60N钢轨相比在横坐标+15 mm处偏差值达到-0.1 mm时会发生晃车现象。建议工务系统在进行钢轨打磨时以60N为目标廓形时，按照正偏差打磨，打磨值宜按照+0.1 mm控制。

(3)钢轨打磨主要目的是为防止等效锥度过大，但不利于抑制动车组晃车现象的发生，建议针对运行动车组型号固定的线路进行差异化打磨。

本文将不同偏差值的钢轨廓形与LMA踏面进行匹配仿真，建议下一步深入研究不同偏差值的车轮对于晃车现象的影响。