兰新客专高速列车转向架蛇行运动稳定性及影响研究*

王安国， 杨梁崇， 屈 升

(1 中车长春轨道客车股份有限公司， 长春 130062；2 中国铁路兰州局集团有限公司 车辆处， 兰州 620100；3 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室， 成都 610031)

蛇行运动是由于轮轨几何关系和蠕滑力引起的特殊现象，是铁道车辆系统的固有特性。稳定且能快速收敛到平衡位置的蛇行运动对车辆系统影响不显著，是车辆运行过程中不可避免的现象。文中通过线路实测数据分析了转向架横向稳定性的失稳谐波出现的原因及影响。

车辆系统蛇行运动的根本原因在于轮轨非线性关系，可以通过优化适当的一、二系悬挂参数、车辆结构参数和轮轨匹配关系，提高蛇行运动临界速度。

蛇行运动稳定性的影响因素众多，即包括轮轨关系、悬挂参数，也有质量参数、结构参数，甚至还有气候因素、线路条件等。这些因素并不是孤立影响的，而是相互联系共同影响车辆蛇行运动稳定性；只不过有些因素的影响显著，有些因素影响次要。有很多学者对此做过相关的研究工作[1-4]。

影响车辆蛇行运动稳定性常见的、主要的因素有等效锥度、一系和二系悬挂参数等。

1 车辆稳定性测试

通过在车组的1车1位转向架和车体安装加速度传感器进行车辆线路实测，获取一个旋轮周期的线路实测数据。

安装加速度传感器的位置有构架端部、车体、制动吊梁和电机。试验时所有采样频率均为2 000 Hz。其中构架端部加速度传感器用于分析转向架横向稳定性，车体枕梁加速度传感器用于分析转向架失稳谐波向车体的传递及车辆平稳性指标，制动吊梁和电机用于分析转向架小幅失稳谐波对其影响。

图1 构架端部安装的加速度传感器

根据动车组整车试验规范依据(铁运〔2008〕28 号)标准评定：当构架加速度滤波0.5～10 Hz、峰值有连续振动10 次以上达到或超过极限值8 m/s2时，判定转向架失稳。

选取旋轮周期末期的数据进行分析，对构架横向加速度数据进行0.5～10 Hz带通滤波，构架横向加速度在少量局部路段存在小幅失稳谐波成分。幅值为0.4g，频率为8.1 Hz。小幅蛇行谐波幅值远小于标准中的8 m/s2的限值要求，转向架未发生失稳，见图2。

图2 构架横向加速度(0.5～10 Hz带通滤波)

由于实际运营的车辆参数都是确定的，而轮轨接触几何关系会随着车轮磨耗、线路参数而改变，等效锥度是表征轮轨接触几何关系最直接、最重要的参数，所以等效锥度对蛇行运动稳定性的影响也最显著。随着车辆运营里程的增加，等效锥度增大、临界速度降低。

在测试前对全列车组的踏面进行测试，与CN60标准钢轨进行匹配，得到车组全列等效锥度。见图3。

图3 车组全列等效锥度

CRH5型车采用的踏面为XP55，标准XP55踏面与标准CHN_60钢轨匹配，等效锥度为0.06。经过一个旋轮周期的运行，1车1位转向架的1轴轮对和2轴轮对等效锥度线性增长到0.377和0.392，此时等效锥度较大，车辆临界速度下降，这是导致转向架出现小幅失稳谐波的一个重要原因。

从图2可以看出，车辆在绝大部分路段并未出现明显的谐波成分，谐波成分仅在小部分路段出现。在这些出现谐波的局部路段，车轮与钢轨型面不良的轮轨匹配，导致车辆在局部路段发生小幅失稳的主要原因。

通过车轮踏面旋修，恢复车轮踏面至标准廓形，可以有效的消除失稳谐波成分，另一方面，通过打磨局部路段的钢轨，改善轮轨匹配状态，也是缓解小幅失稳谐波、延长车轮旋修里程的有效手段。

2 小幅谐波的影响分析

转向架构架横向加速度存在幅值为0.4g的小幅失稳谐波，远小于极限值8 m/s2，未达到失稳限值，但是可能会对转向架造成其他影响，本节从车辆平稳性指标、电机振动、制动吊梁的振动3个角度分析失稳谐波的影响。

2.1 小幅失稳谐波对车辆平稳性指标的影响

利用车体测点数据，按照GB 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，计算车辆平稳性指标。

从图4可以看出，车辆横向平稳性指标均小于2.5限值，评定等级为优秀。在绝大多数路段横向平稳性指标均小于2.0，在局部路段横向平稳性指标偏大，达到2.45。

图4 车辆横向平稳性指标

平稳性指标计算时至考虑40 Hz以下的频率成分。将车体横向加速度进行短时傅立叶变换，获取车体横向加速度对应的时频图。从图5的时频图中可以看出，车辆平稳性指标偏大的对应的位置，车体0～40 Hz主要频率成分集中于8 Hz左右。

图5 车体横向加速度时频图

对车体横向加速度和构架横向加速度均进行0.5～10 Hz带通滤波，分析其时域振动传递。

通过图6可以看出，转向架小幅失稳谐波由转向架通过二系悬挂传递至车体，对应的车体横向加速度变大，这是造成车辆横向平稳性指标局部区段偏大的原因。

截取小幅失稳谐波区段的构架横向加速度和车体横向加速度，进行FFT变换，分析构架小幅失稳谐波与车体的频域传递关系。图7中构架小幅失稳谐波为8.5 Hz，传递至车体，谐波传递比例为8∶1。

图6 构架与车体横向加速度时域传递

图7 构架与车体横向加速度频域传递

2.2 小幅失稳谐波对电机振动的影响

CRH5型车电机为体悬式，通过弹性元件吊挂在车体底架上。如图8所示。

转向架小幅失稳谐波与电机之间的振动传递有4种情况：(1)构架-车体-电机；(2)轮对-万向轴-电机；(3)构架-车体-电机和轮对-万向轴-电机这2种振动传递均存在；(4)构架-车体-电机和轮对-万向轴-电机这两种振动传递不存在。

从图9中可以看出，小幅蛇行情况下，车体存在谐波，电机并未有显著的谐波成分，因此在转向架小幅失稳谐波情况下，均未通过构架-车体-电机和轮对-万向轴-电机这两种振动传递对电机造成影响。转向架小幅失稳谐波对电机横向振动的影响较小。

图8 CRH5型车电机悬挂结构

图9 车体与电机振动加速度振动传递

2.3 小幅失稳谐波对制动吊梁的影响

CRH5型车制动吊梁是连接在构架上的附属部件，制动吊梁连接制动闸片，来实现车组的机械制动。制动吊梁与构架件是通过弹性元件与构架相连接的。

转向架小幅失稳谐波传递至制动吊梁，一方面谐波幅值被放大，放大比例约为2∶3。另一个方面制动吊梁横向加速度未滤波的原始信号也被明显放大。见图9。

将图10局部放大得到图11，可以看出，失稳谐波传递至制动吊梁，制动吊梁未滤波原始信号存在明显的冲击特征，每一个谐波对应2个冲击。制动闸片连接在制动吊梁上，未制动时制动闸片是自由活动的，并且与制动盘存在小的间隙。构架谐波传递至制动吊梁，再传递至制动闸片，而此时轮对存在小幅蛇行，闸片与轮对存在相对运行，轮对上的制动盘两侧的制动闸片与制动盘相互作用导致了冲击，反过来将冲击信号传递至制动吊梁所致。

图10 构架谐波与制动吊梁振动传递

3 结 论

对兰新专线的动车组进行了长期的线路跟踪试验，根据实测的数据分析后可以得出以下结论：

(1) 通过对旋轮周期末期的数据进行分析发现在局部路段存在小幅失稳的现象。对整列车的等效锥度进行测量和统计分析发现，旋轮周期末期的等效锥度有了明显的增大，部分车辆的等效锥度由初期的0.06增大到0.377和0.392；车轮与出现谐波路段钢轨的不良轮轨匹配。这是导致车辆在局部路段发生小幅失稳的两个主要原因。

(2) 分析了小幅失稳对车辆平稳性指标、电机振动和制动吊梁的影响。分析发现，小幅失稳的频率可以明显的传递到车体，对车辆的平稳性有很大的影响，振动传递比例为8∶1；小幅失稳对于电机的振动影响不大；小幅失稳传递至制动吊梁幅值被放大，放大比例2∶3。

图11 构架谐波与制动吊梁振动传递

可以看出失稳现象对于车辆的运行是有很大的不利影响的，运行中应该尽量避免该现象的出现，一旦出现可以通过车轮踏面旋修，恢复车轮踏面至标准廓形，有效的消除失稳谐波成分，另一方面，通过打磨局部路段的钢轨，钢轨轮轨匹配，也是缓解小幅失稳谐波、延长车轮旋修里程的有效手段。