地铁车辆异常振动分析

甘敦文

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081)

振动异常是地铁车辆动力学性能不良的重要标志，快速、准确定位并处理异常振动具有重要意义。要定位车辆故障，需要进行必要的试验，具体情况不同试验方案可能差别很大，但试验分析的方法往往是相近、可借鉴的。

本文总结了车辆动力学响应异常分析的一般步骤和综合方法，结合实例对分析过程进行了阐述。

1 车辆故障分析的一般步骤和方法

在动力学试验及故障分析的实践中，发现逐步进行的时间历程分析、速度特性分析、基础信息匹配、异常类分析、综合关联分析构成了车辆动力学性能不良分析的有效过程。

其中:基础信息一般包含速度、公里标(线况、不平顺等)、操纵工况、运行方向、编组信息等，建议以时间为基准进行匹配及修正，详细的列车监控信息及线路信息有助于提供更加全面的分析视角;由于车辆动力学响应与速度关联较强，一般可以按速度级进行异常类的划分及分析;异常类与正常类(或总体)对应的输出特性、输入条件的统计结果，为综合关联的分析提供了依据和方向;综合关联一般从输入、传递途径、系统特性优化几个方面入手，综合关联方法以及经验的积累，有利于解决问题能力的持续提高。

2 地铁车辆异常振动案例分析

为能更好地对地铁异常振动问题的解决提供参考，以下结合实际案例进行详述。

某类地铁车辆长期发生异常垂向振动、人工添乘未能明确原因，采用中国铁道科学研究院机车车辆研究所(机辆所)研制的平稳性指标仪进行了简易试验［1］，连续监测某运营车辆2位牵引销附近的纵、横、垂向振动情况，仪器依据GB 5599－85实时计算并存贮了平稳性、最大值、有效值等参数［2-3］;运营公司提供了相应的列控文件及其图形显示软件。在此基础上，进行了以下分析，快速明确了异常振动来源、找到解决方向。

(1)振动参数时间历程分析

目的:明确相关参数大小的分布情况，得到一个总体的结论;确认是否有明显的时变因数，进而把握数据后续的分析方法。

由平稳性指标仪的监测结果，可以很容易地得到该异常振动车辆振动参数时间历程分布情况:纵向加速度最大约为0.37g，一般不大于0.25g;横向加速度最大约为0.38g，一般不大于 0.25g，横向平稳性最大约为3.25，一般不大于 3.0;垂向加速度最大约为 0.51g，垂向平稳性最大约为3.2，一般不大于3.0。

总体结论:该异常振动车辆纵、横、垂3向加速度最大值均超过0.25g(UIC 518)，特别是垂向振动超标明显，甚至超过相对较大的机车标准0.36g;平稳性为合格，说明超限振动频率不在人体敏感范围内;各项指标分布较均匀，未见明显时变趋势，如图1。

(2)基础信息匹配

目的:进一步确认振动的特征及来源，需要进行振动与速度、位置、牵引工况等关联基础信息的匹配。

该列车采用了日本东洋电机的监控系统，运营部门可以看到列控文件中相关参数的图形，但不清楚文件的定义，故此采用了图像识别的方法提取所需的监控信息，如图2所示。需要强调的是，监控信息的获取虽然从技术上难度不大，但对动力学性能不良分析以及动车组监控技术等的深入研究及运用至关重要。

图1 垂向加速度最大值时间历程图

提取监控信息后，根据时间进行了信息的匹配，时间起点依据速度、加速度有效值的互相关确定。

(3)振动参数关于速度的分布

目的:异常振动一般与速度关联，通过与速度的关联分析可以划分异常类。

由该异常振动车辆关于速度分布特性，可以得到以下的结论:垂向加速度在50 km/h后有明显分类特征(如图3);纵向及垂向加速度有效值在速度50 km/h后有明显的分类特征，异常类随速度直线增加;各振动方向的平稳性未见异常，横向平稳性在20 km/h时有局部峰值，垂向平稳性在60 km/h时有局部变大。

图2 监控信息的图像识别

图3 垂向加速度最大值关于速度的散点图

(4)振动异常类分析

由振动参数关于速度的分布，可知车辆纵、垂向加速度在50 km/h后有明显的分类现象，由于垂向的振动较强烈，先对垂向振动异常类进行分析，以明确异常类对应的来源、工况、位置等信息，为进一步解决问题作准备;

针对50 km/h以上速度级的动力学参数，使用kmeans法对最大值及有效值进行了分类处理，对最大值得到异常类对应的中心及边界值为:0.286 7g及0.166 0g，对有效值得到异常类对应的中心及边界值为0.059 3g 及 0.037 3g。

分别以垂向加速度最大值及有效值类为中心，最大值及有效值类边界为门槛的样本划分如图4所示，可以看到:kmeans法得到的类中心及类边界较为合理;加速度最大值及有效值基本对应，说明垂向加速度最大值不是一个短时的突变而是具有一定的持续时间。

为突出问题的特征，以下采用了垂向最大值及有效值类中心，作为异常类划分的依据。图5～图9是相关参数的全样本及异常类样本关于速度的散点图。

通过垂向异常类基本参数分布的分析，可以得到以下结论:垂向异常类速度一般大于50 km/h;垂向异常类同时伴随横向及纵向振动最大值与有效值的增加，相对而言，垂向异常对纵向的影响更大，如图5、图6;垂向异常类对应的各向平稳性略大，但影响不明显，如图7;垂向异常类一般对应手柄位置为零，如图8;垂向异常类在某些运行区段发生相对较多，如图9。

从以上可以看到，通过基于国标GB 5599－85的异常类分析已经基本明确了发生异常的相关条件及响应间的关系，由于手柄位不可能一直置为非零，以上分析还未能得到解决响应异常的明确技术方向。

图4 分类限值比较图

图5 纵、横、垂向加速度最大值及垂向异常类样本散点图

图6 纵、横、垂向加速度有效值及垂向异常类样本散点图

图7 纵、横、垂向平稳性指标及垂向异常类样本散点图

图8 列车加速度、手柄位置及垂向异常类样本散点图

图9 列车位置及垂向异常类样本散点图

考虑到车辆特性分析，JL－W系列平稳性指标仪在国标GB 5599－85要求的基础上还实时计算并记录了加速度主频［1］，图10是试验得到的纵、横、垂向加速度主频及垂向异常类样本散点图，其中细虚线是根据车辆轮径及速度得到的轮对各阶滚动频率线，可以看到纵、垂向加速度主频均有圆频率线聚集的现象;人为画出的粗虚线与速度无关，可以看到横向及垂向加速度主频均有粗虚线聚集的现象，根据动力学的相关知识可以初步认为，粗虚线对应的频率是系统固有频率;垂向振动异常类主频(图中圈点)位于轮对2阶滚动频率线与垂向固有频率线的相交处。

图10 纵、横、垂向加速度主频及垂向异常类样本散点及分析图

这样，针对测试数据可以得到以下结论:系统横向共振频率约为1.75 Hz及16 Hz左右;垂向振动除有1.25 Hz及13 Hz左右不随速度变化的主频外，还有明显随速度线性变化的成分，集中在1、2、3倍圆频率;垂向异常对应垂向主频线与轮对2倍滚动频率线的交点，此时在纵向表现为3倍圆频振动大;系统的垂向异常振动是在某些工况下，轮对的激励(偏心、不圆等)被异常传递且与车辆系统发生垂向共振所致。

(5)综合关联分析，找到解决方向

①考虑到系统的响应由激励及系统特性共同决定，异常振动的激励主要来源于轮对，可以先对轮对进行检查及修复;

②分析转向架结构，明确不同工况下垂向振动传递途径，得到结构上的解决方案;

③车辆参数分析以及局部结构的加强及减振。

3 结束语

要快速、准确分析地铁车辆异常振动，需要一定的试验及工程方法支持。本文依据大量的实测数据分别进行了时间历程分析、速度特性分析、基础信息匹配、异常类分析、综合关联分析，准确获得异常振动来源并提供了解决建议，证明这些分析是地铁车辆动力学性能不良分析的有效过程，这一过程和方法也可有效推广到其他轨道车辆，对实际问题的解决具有重要参考价值。

［1］ 甘敦文，宫相太，倪纯双.三维加速度及平稳性指标仪研制［J］.铁道机车车辆，2000，(03):35-37.

［2］ GB 5599－85.铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范［S］.

［3］ 倪纯双，黄 强，王悦明，等.机车车辆动力学试验数据分析处理软件DASO［J］.中国铁道科学，2004，2(01):28-32.