某型高速动车组异常晃动问题调查研究

李晓峰 崔利通 沈文林

【摘 要】某高速动车组在运营期间出现了异常横向晃动现象，在一定程度上影响了旅客乘坐舒适性。为调查晃动问题发生的原因，在晃动明显的车辆相应位置的转向架布置测点开展振动专项线路测试，获得了车辆在实际运行期间的平稳性指标及振动主频，确定了仅在全线局部位置发生晃动现象，属一次蛇行运动，局部位置轮轨匹配等效锥度过低是引起车辆晃动的主要原因，转向架横向稳定性评估结果表明均满足标准要求，为确保动车组后续安全运营提出相关建议。

【关键词】低频横向晃动；平稳性；轮轨匹配；蛇行运动

【中图分类号】U266 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）09-0040-03

0 引言

我国高速铁路发展迅速，快速、舒适是典型的特点，极大程度地提高了人民出行的便利性，在引进、消化、吸收再创新过程中，积累了不同类型的运用经验，优化了原始设计，最终设计出适应我国现状的“复兴号”高速动车组，各型故障的调查研究是极为重要的。某高速动车组在运营过程中，乘客、随车人员相继反映车辆存在横向晃动现象，一定程度上影响了旅客乘坐舒适性。用户和工厂对此高度重视，立即对该问题开展了详细、深入的调查研究。调查主要围绕晃动现象是否影響动车组安全运行、导致晃动问题的可能原因、抑制晃动问题的措施3个方面展开。经多次讨论，为掌握车辆的实际振动状态，最终确定开展线路试验，即在晃动明显的车辆的转向架布置振动测点进行线路测试，通过真实的振动形态判断晃动问题类型，进而提出对应的解决方案。

目前，我国采用的高速动车组均为转向架形式的轨道车辆，转向架又称走行部，是保证高速动车组安全平稳性运行的核心因素，是高速动车组的关键技术之一。转向架一般采用近似锥形的车轮踏面，具有运行中自动对中功能，可在无特有转向机构的前提下顺利通过曲线，但是在具有上述优点的同时，也带来了特有的蛇行运动特性。蛇行运动属自激振动，属非线性振动，一般可将转向架式车辆的蛇行运动分为2类：一次蛇行（又称车体蛇行）和二次蛇行（又称转向架蛇行）[2]。一次蛇行一般频率较低，车体晃动表现较为明显，城铁、普通铁路客车等出现的晃动现象多与一次蛇行相关，影响一次蛇行的主要因素包括轮轨匹配等效锥度和二系悬挂刚度特性等。

1 调查研究

调查研究的主要目标为回答上述3个问题，即评估安全性、查找可能原因、提出解决方案，因此调查的思路也紧密围绕这3点展开。首先对作为核心因素的车轮踏面外形及轮轨匹配状态进行了调查，并同掌握的服役性研究规律做对比；其次是通过线路振动响应测试，掌握晃动时刻车辆各位置的真实振动状态，一方面可用于安全性评估，另一方面可用于分析晃动产生的原因；最后根据各项调查结果进行深入的分析。

1.1 轮轨匹配

轮轨匹配状态直接影响车辆的动力学性能，实际等效锥度可作为研究异常振动的关键因素之一，通常按照UIC519标准来计算等效锥度。由于线路状态调查存在一定的困难，利用丹麦格林伍德公司研发的Minprof便携式车轮外形测量仪对发生晃动的该列动车组全列车轮进行了踏面外形测试，按照UIC519标准与国内高铁线路设计实用的标准60钢轨廓形[5]进行轮轨匹配分析，结果可知全列等效锥度为0.14～0.16，通过与前期相同型号的动车组长期服役跟踪试验获得的规律对比发现，在当前运行里程下车轮磨耗、等效锥度等均未见异常；由于镟修后运行里程较短，为排除车轮镟修质量的问题，我们查阅了新镟修后的车轮外形数据，并未发现异常，车轮镟修质量满足要求，经对车轮进行多项调查后，基本排除了车轮型面出现异常而导致晃动的原因。新镟修车轮实测与标准踏面对比如图1所示。

1.2 振动响应

振动响应分析思路主要基于实际线路测获得的车辆振动状态，首先分析车辆平稳性指标，尤其是横向晃动明显的时刻；其次对车体振动信号进行频域分析，获得晃动时刻的主要频率成分；然后对晃动时刻的构架横向振动加速度进行分析，按照标准[1]评估转向架横向稳定性；最后根据轴箱、构架、车体振动信号分析晃动原因。

1.2.1 测试方案

在该动车组晃动较明显的车辆相应的转向架布置测点，测点类型主要为振动加速度、位移、GPS等。转向架测点主要包括轴箱、构架端部、构架中部、车体枕梁、抗蛇行减振器等，对同一转向架的4个端部均进行了测点布置，便于通过振动相位分析转向架及车体的振动形态，数据采集设备采用美国HBM公司生产的eDAQ，是在高速动车组测试中已有成熟运用经验。

加速度传感器通过固定安装座在测点位置固定，线缆布置时在保证相对运动部件之间的运动裕量前提下，尽可能地沿车辆既有线路、管路等布置，数采设备固定在车下设备舱内，由车载电源提供用电。根据本次测试的主要目标，结合既有试验的经验，将加速度、位移信号的采样频率设置为2 000 Hz，GPS的采样频率设置为500 Hz。经用户多方努力协调，运行线路单程约500 km，包含了反映晃动严重的区段。

1.2.2 平稳性分析

利用车体枕梁位置的加速度信号按照标准进行平稳性指标计算发现，全程线路仅个别位置横向平稳性指标大于2.75但小于3.0，垂向平稳性指标大于2.5小于2.75，仍符合评定标准[1]中合格的要求。对平稳性指标较大区域进行详细分析，从时域信号可看出存在明显谐波振动，主频约1.5 Hz，幅值小于0.1 g，小于标准要求0.25 g的要求；为进一步分析晃动频率与速度、线路位置的关系，对车体枕梁信号进行时频分析，利用短时傅里叶变换方法计算可知，在线路局部位置出现约1.5 Hz主频信号能量集中，晃动主要发生在正线运行，速度约在300 km/h，同时利用GPS定位了晃动具体区段，为用户检查线路提供了重要信息。全程平稳性结果及局部时域信号如图2所示。

1.2.3 横向稳定性评估

车辆发生横向晃动时，乘坐舒适性降低，此时车辆运行状态是否安全是首要关注项。由于未装测力轮对，所以可通过构架横向振动加速度来评估转向架的横向稳定性状态，高速动车组整车试验规范、TSI标准等均做了规定，0.5～15 Hz（3～9 Hz）滤波后构架横向振动加速度连续10次小于0.8 g，动车组配备了车载失稳报警监测装置，采用一致的判定方法，当监测到转向架存在失稳报警故障时，按照监测逻辑进行动车组降速运行，确保车辆安全。

按照标准对构架横向振动加速度信号滤波处理方法，结果发现全程构架横向振动加速度幅值均小于0.4 g，远小于报警限值0.8 g，不存在构架失稳报警风险，当车体出现明显晃动时刻，构架横向振动加速度幅值也小于0.4 g，因此车辆的横向稳定性评估是满足标准要求的，不存在安全性问题，为用户提出车辆可继续运营的安全性分析建议。

1.3 原因分析

前述小节对晃动时刻的平稳性、运行安全性等首要问题做了回答，接下来通过转向架各位置测点的振动信号等分析实际振动时转向架及车体的振动形态，对应车辆设计模态等，确定晃动原因。

选取晃动明显时刻，对轴箱、构架、车体枕梁测点信号进行滤波处理，由于晃动主频约1.5 Hz，故将滤波频率设置为0.5～5 Hz带通，便于找到引起車体枕梁产生1.5 Hz主频信号的原因。通过对比车体晃动时刻轴箱—构架—车体的相位关系，发现车体4个端部横向相位一致，2位转向架的4个端部横向相位一致。车体枕梁左右侧垂向相位相反，2位转向架的4个构架端部垂向相位无明显关系，构架和枕梁垂向相位基本一致，故晃动形式存在明显滚摆，通过分析轴箱至构架至车体的横向振动传递关系可知，轴箱、构架先于车体发生低频横向晃动（如图3所示）。

根据在动车组设计时的动力学仿真计算和滚动振动台架试验结果可知，该车辆的上心滚摆模态频率为1.3～1.5 Hz。因此，初步分析认为本文调查研究的车辆横向低频晃动形式以车辆上心滚摆为主，转向架先发生低频晃动，晃动主频与车辆固有的上心滚摆模态频率接近，车体发生共振，表现为明显的横向晃动，是较为典型的一次蛇行运动。

引起转向架一次蛇行运动的根本原因是轮轨匹配状态不良，当实际轮轨匹配等效锥度较低，其蛇行运动频率较低，易发生一次蛇行，因此要求实际车轮和钢轨廓形在镟修或打磨时应保持在一定的偏差范围内，确保其具有良好的匹配关系，从根本上改善动车组的动力学性能，避免异常振动问题的发生。

（1）从车辆角度来说，在悬挂参数设计时仅考虑了车轮与标准钢轨廓形匹配，受限于无法获取将来运行线路的钢轨实际打磨后廓形，仅能被动地提高车辆对线路的适应能力，虽可通过适当降低二系悬挂刚度来缓解车辆晃动，但仍需考虑保证在车轮磨耗后期车辆具有较强的抑制转向架二次蛇行的能力，二者显然是矛盾的。作为高速动车组，首先要保证转向架具有较强的抑制转向架二次蛇行的能力，这是直接影响运行安全的，应在二者之间寻求一种平衡；其次可通过合理的车轮型面设计并匹配适当的悬挂参数在保证运行安全性前提下尽量避免一次蛇行的出现，提高车辆乘坐舒适度。

（2）从线路角度来说，应尽可能地提高钢轨廓形打磨精度，减小与基准廓形的偏差，以保证具备良好的轮轨匹配状态，确保动车组安全、平稳运行。

通过对车轮型面、平稳性指标、车体振动频率、转向架横向稳定性等一系列的调查研究，基本可判定该次车辆晃动问题为车辆的一次蛇行运动，主要原因为在车轮新镟修后运行时与局部路段钢轨型面匹配不良，实际匹配等效锥度较低，转向架蛇行频率与车体滚摆的模态接近，导致车体滚摆幅值放大，该现象仅影响乘坐舒适性，不影响运行安全。随着运行里程增加，车轮型面磨耗后，实际匹配等效锥度变大，转向架蛇行频率与车体滚摆模态错开，晃动现象将逐步消失。

2 结语

针对某高速动车组运营期间发现的横向晃动现象，本文从车轮踏面外形状态、车轮镟修质量、转向架实际振动状态等方面进行了详细的调查和分析，得出以下结论：？譹？訛本次车辆横向晃动属于一次蛇行，一定程度上降低了旅客乘坐舒适性，初步判断为与局部路段轮轨匹配等效锥度过低引起，随着动车组运行里程增加，车轮磨耗后横向晃动将逐步自动消失。？譺？訛在车辆发生横向晃动时刻，转向架的构架稳定性满足标准要求。？譻？訛建议用户控制线路钢轨廓形打磨精度，重点关注该列动车组后续运行状态。

高速动车组的设计是一项综合、复杂的系统工程，其中的转向架设计作为关键技术之一，与动车组能否高速运行及运行过程是否安全、舒适密切相关。在设计转向架时，既要满足横向稳定性的安全性要求，又要提高旅客乘坐舒适性，这就需要有一套合理的悬挂参数设计，即处理好一次蛇行和二次蛇行之间的矛盾，不能顾此失彼，但也应有所侧重。建议应加快推进车辆、线路部门的交流，在新产品设计及既有产品性能优化提升时充分考虑线路在维护周期内的状态变化，轮轨界面是动车组外界激扰输入的最主要方面，这样才能保证动车组在轮轨维护周期内具有预期良好的动力学性能。

参 考 文 献

[1]铁运〔2008〕28号.高速动车组整车试验规范[S].

[2]王福天.车辆系统动力学[M].北京：中国铁道出版社，1981.

[3]黄彩虹，梁树林，宋春元，等.高速动车组车体低频横向晃动的影响因素研究[J].机车电传动，2014（1）：16-20.

[4]O Polach.On nonlinear methods of bogie stabilityassessment using computer simulations.Proc IM-eehE Part F：J Rail and RaPid Transit ImeehE[Z].2006，220：13-27.

[5]周清跃，刘丰收，田常海，等.高速铁路轮轨形面匹配研究[J].中国铁路，2012（9）：33-36.

[6]牟崇辉，贺文爱.中国高铁技术领域专利发展态势分析[J].企业科技与发展，2017（2）.

[责任编辑：钟声贤]