动车组构架横向振动测试研究*

王浩林， 朱韶光， 徐先锋

(1　华东交通大学， 江西南昌 330013；2　中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081；3　北京纵横技术开发公司， 北京 100094)



动车组构架横向振动测试研究*

王浩林1,2， 朱韶光2，3， 徐先锋1

(1华东交通大学， 江西南昌 330013；2中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京 100081；3北京纵横技术开发公司， 北京 100094)

通过长期对国内某高速铁路部分构架横向振动超限动车组的基本信息进行统计分析；对构架横向振动超限频发的某动车组A和B的轮对进行跟踪测试，利用轮轨关系分析方法，探讨引发动车组横向振动超限的原因以及提出初步建议。

横向振动； 车轮磨耗； 等效锥度； 轮轨关系

某高速铁路自开通运行以来，部分动车组存在构架横向振动超限的现象，构架横向振动超限会促使动车组自发降速、自停[1]，而且不得不进行旋轮，不仅影响行车安全，频繁旋轮还将增加运营成本[2]。通过线路钢轨打磨、降速运行等方式使构架横向振动超限现象得到了初步缓解，但该现象始终存在，课题组为研究其原因，先以调查表的形式对构架横向振动超限的动车组的基本信息(动车组车号、时间、地点、交路、公里标、轮对及钢轨廓形等)进行收集、统计、分析，以数据为基础继而进行深入研究。

1　构架横向振动超限数据的统计分析

1.1构架横向振动超限动车组基本数据的描述性统计

经过为期一年的数据收集工作，课题组共统计到205次动车组构架横向振动超限数据(为对问题进行针对性研究，统计量以车厢超限次数累加)。表1为动车组构架横向振动超限主要发生区段，由表1可知：动车组构架横向振动超限区段相对集中，集中区段共发生126次，总占比61.5%，其中尤为集中的小区段为：小区段1间发生16次，总占比7.8%，小区段2间发生40次，总占比19.5%，小区段3间发生13次，总占比6.34%，小区段4间发生20次，总占比9.8%，由此可推测：局部问题线路为引发动车组构架横向振动超限因素之一。图1为动车组构架横向振动超限车厢的分布，由图1可知：动车组1，2，7，8车厢相对容易发生构架横向振动超限。图2为动车组构架横向振动超限频次随轮对旋修后走行里程的分布，由图2知：动车组构架横向振动超限频次随轮对旋修后走行里程呈逐步递增趋势且主要发生在轮对旋修后走行17～20万km后，可见长期磨耗后的轮对廓形变化对动车组构架横向振动超限产生重要影响。

1.2对轮轨接触几何要素的统计分析

轮轨接触几何要素包括轮轨接触角、轮对内侧距、轮径差、轨距、轨底坡等，与车辆动力学性能密切相关[3]。等效锥度是轮轨几何接触中重要参数，决定着轮轨之间的匹配程度[4]。工程实测表明：等效锥度会随动车组运行里程增加而增大[5]，等效锥度过大会导致列车构架横向振动超限[6]。课题组共统计86构架横向振动超限车厢，其轮径差分布范围为0.1～0.9 mm，轮对内侧距分布范围为1 352.4～1 354.7 mm。据《铁路动车组运用维修规程》中动车组一级修程，轮径差限度≤1 mm，轮对内侧距限度为1 353±3 mm[7]，均满足要求。图3为统计6个构架横向振动超限线路区间位置点钢轨轨距分布，由图3可知：构架横向振动超限处轨距分布范围1 433～1 436.7 mm，轨距负偏差占绝大部分，共1 524处，占比82.25%。图4为统计108节构架横向振动超限车厢最大等效锥度(文中等效锥度均特指磨耗后轮对与标准CHN60钢轨、轨距1 435 mm、轮对内侧距1 353 mm，轨底坡1:40匹配下以UIC 519算法[8]计算得轮对横移量为3 mm处的等效锥度值)随轮对旋修后走行里程分布，经计算得：82.9%构架横向振动超限车厢轮对最大等效锥度介于0.32～0.40之间，表明等效锥度过大为动车组构架横向振动超限表征量之一。

表1　构架横向振动超限集中区段

图1　动车组构架横向振动超限车厢的分布

图2　动车组构架横向振动超限频次随轮对旋修后走行里程分布

图3　构架横向振动超限主要区段轨距分布

图4　构架横向振动超限车厢轮对最大等效锥度随轮对旋后走行里程分布

2　构架横向振动超限动车组的跟踪测试

2.1跟踪测试方案

据统计数据发现动车组构架横向振动超限现象较为普遍但频次相差悬殊，为深入研究其原因，课题组选定两列同时出厂交付动车运用所的动车组A和B，图5为2014年7～10月间A与B构架横向振动超限频次对比图，由图5知：A构架横向振动超限频次远少于B。查阅期间A与B运营及检修记录发现：两车轮对旋修时间和旋后走行里程几近相同，区别在于A只在线路1运行，B为线路1和新修线路2混跑。

图5　7～10月份A和B构架横向振动超限频次对比

为探究线路混跑以及轮对状态变化对动车组构架横向振动超限的影响，将线路混跑做为单一变量进行轮对跟踪测试。选定A和B两个旋修周期进行轮对跟踪测试，表2为线路对比测试方案。每隔一月测量一次，共进行6次测试。

表2　线路对比测试方案

2.2轮对磨耗分析

在第一旋修周期中，第1次测试在A和B同时旋毕后，第3次测量时A和B分别旋后走行12.3和12.1(线路1为7.2，线路2为4.9)万km，由于里程相距较小，可认定两车旋后走行里程相同，记为12万km，第3次测试当日B1车出现构架横向振动超限，比较A和B轮对磨耗量及外形变化，便可知线路混跑是否加剧B动车组轮对磨耗及外形改变。

表3　A和B在不同旋修走行里程后轮对廓形对比

对比组1比较构架横向振动超限车厢与非构架横向振动超限车厢轮对旋后廓形，由图4和表4可知，旋后轮对轮缘厚度Sd较标准稍偏小，轮缘高度Sh稍偏大，误差较小，滚动圆附近与标准廓形吻合良好，故可判定A和B旋后廓形一致，轮对旋修满足要求。

图6　A和B旋修后走行0万公里轮对廓形与标准廓形对比

对比项参数轮缘厚度Sd/mm轮缘高度Sh/mm标准S1002CN34.528.2A1-133.94528.473A6-634.04828.356B1-133.70728.542B6-633.86028.381

对比组2比较构架横向振动超限车厢与非构架横向振动超限车厢轮对在旋后走行12万 km后廓形。由图7可知：A和B旋后走行12 km后，在轮对滚动圆附近，外形出现轻微凹磨，A1和6车轮对磨耗相差无几，1车头车轮对磨耗稍快于中部6车。而B构架横向振动超限1车轮对磨耗明显快于非构架横向振动超限6车，近0.3 mm。A和B非构架横向振动超限6车轮对磨耗相同，B构架横向振动超限1车轮对磨耗稍快于A非构架横向振动超限1车轮对磨耗，近0.1 mm。可见：线路混跑会使局部轮对磨耗加快，构架横向振动超限车厢轮对表现出磨耗过快特征。

2.3轮轨等效锥度分析

据统计数据，82.9%构架横向振动超限动车组最大轮对等效锥度介于0.32～040之间。图8和图9分别为A和B在第一旋修周期前3次测量中各车轴等效锥度。由图8和图9可知：A和B等效锥度随旋修后走行里程增加而增大，A和B旋后走行里程增加相同时非构架横向振动超限车厢对应等效锥度增量也相同。而B构架横向振动超限1车磨耗过快，其等效锥度也明显较其他车厢大，最大等效锥度为0.423。

图8　第一旋修周期中A动车组前3次测量各轴等效锥度

图9　第一旋修周期中B前3次测量各轴等效锥度

第2旋修周期中，A在旋后走行12.6万km后1、3、4车发生构架横向振动超限，B在旋后走行16.4万km后1、2、8车发生构架横向振动超限。第5次测量时间在A构架横向振动超限发生前6天，其轮对测量结果可很好反应A动车组构架横向振动超限前轮对状态。图10为A第5次测量时等效锥度分布，据图10知：1、3、4轴车厢各轴等效锥度明显大于其他车厢车轴。等效锥度最大值均超过0.4，说明：等效锥度过大为动车组构架横向振动超限表征量之一，等效锥度在一定程度上可对动车组构架横向振动超限进行预测，预测取值在区间[0.32,0.40]中为宜。

图10　第二旋修周期中A第5次测量各轴等效锥度

在第一旋修周期中，A动车组没发生构架横向振动超限，旋修周期里程为17.0万km。图11为A在第一旋修周期末第4次测试的各轴等效锥度分布，由图11知：大部分车轴等效锥度均大于0.40，最大值为0.450，可见等效锥度过大并不一定会引发动车组构架横向振动超限。

图11　第一旋修周期中A第4次测量各轴等效锥度

影响动车组构架横向振动超限需要考虑的因素有很多，例如最高速度、线路激扰等，也将列入下一步研究计划。统计A和B两旋修周期内每日运营线路，里程及检修发现A和B构架横向振动超限均发生在动车组旋后走行里程较长，即等效锥度过大且持续运营5～7天，期间没有进行二级检修或检备时，在第二旋修周期中，A1、3、4车构架横向振动超限后旋即旋修1、3、4、8车(因为头尾车磨耗较快)使恢复其设计值并合理缩短二级检修或检备间隔，A运行至旋后20.2万km时才进行旋修且期间没有发生构架横向振动超限，旋修周期延长7.6万km。图12为A旋修测第6次测量轮对等效锥度结果，虽然部分车厢等效锥度过大，最大值达到0.482，仍没有发生构架横向振动超限现象，可以推测：连续运行的动车组车辆状态改变将影响动车组构架横向振动超限的发生，可见合理安排动车组检修及旋修计划将有利于控制动车组构架横向振动超限现象。

图12　第二旋修周期中A第6次测量各轴等效锥度

3　结论及建议

(1)线路混跑会使局部轮对磨耗加快，构架横向振动超限车厢轮对表现出磨耗过快特征。

(2)动车组构架横向振动超限较集中发生在某些特定且轨距为负偏差区段，构架横向振动超限车厢表现出

等效锥度较大，集中分布区间为[0.32,0.40]，等效锥度能一定程度上能预测动车组构架横向振动超限的发生。

(3)由于动车组构架横向振动超限表征为等效锥度过大，建议将等效锥度作为常规检测参数运用到动车组轮对检修当中，基于大量数据确定限值，作为确定轮对旋修周期基本参数之一。

[1]谭敦枝. 高速铁路动车横向加速度报警自停原因及整治[J]. 铁道运营技术, 2011, 17(4):44-47.

[2]周清跃,田常海,张银花,等. CRH3型动车组构架横向失稳成因分析[J]. 中国铁道科学, 2014, 35(6):105-110.

[3]沈钢. 轨道车辆系统动力学[M]. 北京:中国铁道出版社, 2014.

[4]吴宁, 董孝卿, 林凤涛, 等. 等效锥度的计算及验证[J]. 铁道机车车辆, 2013, 33(1):49-52.

[5]董孝卿,王悦明,王林栋,等. 高速动车组车轮踏面旋修策略研究[J]. 中国铁道科学, 2013, 34(1): 88-94.

[6]康熊,董孝卿，王悦明，文彬．车轮外形磨耗及动车组振动状态跟踪研究，TY字第3217号[R].北京:中国铁道科学研究院机车车辆研究所, 2011.

[7]CRH3型动车组一级修程. TG/CL 127-2013. 铁路动车组运用维修规程[S]. 北京,中国铁路总公司, 2013.

[8]UIC 519. 2004. Method for determining the equivalent conicity[S].

EMU Frame Lateral Vibration Test Research

WANGHaolin1,ZHUShaoguang2,3,XUXianfeng1

(1East China Jiaotong University. Nanchang 330013 Jiangxi, China; 2(Locomotive and Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081， China ) 3Beijing Zongheng Electromechanical Technology Development Co., Beijing 100094, China)

The article collected and took statistics analysis the basic information of part of EMU for long term, which vibration of frame overrun in some line's operation. Making a track measurement for two EMU called A and B which overrun repeatedly. Using the method of wheel/rail relationship analysis to discusses the factors that influence part of the EMU lateral vibration overrun and puts forward some initial suggestions.

lateral vibration; wheel-wear; equivalent conicity; wheel/rail relations

1008-7842 (2016) 04-0043-05

��)男，硕士研究生(

2016-03-23)

U266

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.10

*中国铁道科学研究院基金项目(1451JL4105)