某型动车组制动盘异常振动分析及缓解措施研究*

王宏谋

(北京纵横机电科技有限公司, 北京 100094)

伴随车辆和轨道运用时间的增加，轮轨磨耗现象和特征在不断变化，车辆异常振动现象也出现明显变化，从最初的车体低频晃动到构架蛇行失稳，发展到近两年问题较突出的螺栓松动、裂纹、脱落等高频异常振动问题。国外对轮轨高频振动研究较早，J.Kalousek[1-3]等在1992年已开始对车轮多边形现象进行研究，我国对高频振动研究起步虽然较晚，但金学松[4-6]等近年对车轮多边形现象开展了大量研究，中国铁道科学研究院对轮轨高频振动开展了大量调查研究工作[7-8]。

研究车辆异常振动产生机理固然重要，但通过现象找到影响其振动的原因，分析其内在规律，采取一定措施使得问题得以尽快解决，消除安全隐患保证铁路安全平稳运营是首要任务。以兰新高速铁路某型动车组在运营时的制动盘异常振动为例，研究缓解高频异常振动的方法。

1 试验设计

某型动车组在兰新高速铁路运营过程中部分车辆出现制动盘螺栓异常断裂现象。为尽快消除安全隐患，首先对制动盘进行了线路振动测试和整备状态模态测试与分析，发现制动盘存在固定主频的异常振动现象，该频率与其固有频率相似，即制动盘在车辆运营过程中出现了共振现象。随后对轮轨几何状态进行了测试和分析，寻找引起制动盘出现共振的原因，最后给出了解决方法和建议，并进行了实车验证。

2 车辆振动测试分析

2.1 振动测试分析

对存在异常振动的车辆进行线路振动测试，分别在车轮、轴箱、车轴、制动盘等位置布置加速度传感器。如图1和图2所示，制动盘在514 Hz和843 Hz附近存在明显的频率峰值，同时由车轮到制动盘的传递过程中在514 Hz附近制动盘存在明显放大现象。

图1 制动盘频谱

图2 制动盘频谱对比

如图3和图4所示，当车辆经过某些特殊区段时，制动盘频谱在850～900 Hz幅值迅速增加，同时车轮、车轴幅值在该频段也迅速增加。

图3 特定区段频谱对比

图4 特定区段不同测点频谱对比

2.2 模态测试分析

如图5和图6所示，采用锤击法对整备状态下的制动盘和车轮进行了模态测试，其结果见表1。测试结果可知制动盘在530 Hz和850 Hz附近，车轮在850 Hz附近均存在明显模态频率。该频率成分与线路振动频谱主频相似，初步推断制动盘在上述两个频率附近出现了共振现象。

图5 制动盘模态试验

图6 制动盘模态稳态图

部件阶数1234制动盘频率/Hz528.2631.9667.4852.2阻尼比/%2.453.2811.5250.549车轮频率/Hz345.5 383.8 648.1 844.5 阻尼比/%1.357 0.083 1.395 0.875

3 轮轨几何测试分析

对于铁路车辆，轮轨是其主要的激励源之一，为寻找引起制动盘共振的原因，对制动盘所在转向架车轮进行了多边形测试，同时对线路某些特殊区段进行了钢轨粗糙度测量。

如图7和图8所示，被测车辆存在车轮多边形现象，主要为26～28阶多边形，幅值为0.06 mm，钢轨特定区段存在明显波磨现象，其波长为60～70 mm,幅值为0.05 mm。

图7 车轮测试结果

图8 钢轨波磨测试结果

如图9所示，车轮多边形和钢轨波磨随速度增加，其激扰频率不断增大，但列车在线路上大部分以某一固定速度级运行，经调研，该型动车组在高速铁路主要以193 km/h速度运行，此时车轮多边形激扰频率为510～549 Hz，与制动盘的固有频率528 Hz基本吻合，钢轨波磨激扰频率为766～894 Hz,与制动盘852 Hz车轮845 Hz基本吻合。该现象与实测振动数据相同，因此初步推断制动盘异常振动是由于车轮多边形和钢轨波磨频率与制动盘固有频率耦合引起的。

图9 车轮多边形和钢轨波磨频率与速度关系

4 缓解措施与验证

缓解车轮多边形和钢轨波磨引起的高频振动可从消除激扰源和破坏轮轨系统耦合两种方式实现。

4.1 消除激扰源

消除激扰源，可通过车轮旋修和钢轨打磨来实现。为验证上述分析和推断，对被试车辆车轮进行了旋修，随后又进行了线路振动测试，如图10和图11所示，旋修后在514 Hz附近频谱幅值明显降低，加速度幅值明显减小。图12为车辆经过波磨区段和正常区段加速度波形图，从图中可知钢轨不存在波磨时加速度幅值明显降低。

4.2 破坏轮轨系统耦合

破坏轮轨系统耦合现象，可通过换线运行、变速运行、改变结构固有频率等方式实现。

换线运行即车辆调离原发生高频振动的线路，从而避免原线路轨道激扰引起的车轮固有参数耦合，文中采取措施可避开制动盘852 Hz与原线路钢轨波磨频率耦合。变速运行可使车轮多边形频率与钢轨波磨频率随之变化，从而避开制动盘固有频率。改变结构固有频率，即更改制动盘模态频率，使其与原激扰频率不发生耦合。

图10 旋修前后频谱图对比

图11 旋修前后振动加速度数值对比

5 结 论

车辆出现明显异常振动，大部分是由于结构模态频率与系统激励频率耦合引起的，钢轨波磨与车轮多边形尤其是两者相互作用形成的耦合激励会引起较大的高频冲击。冲击频率若与零部件模态频率重合将显著降低轨道、动车组零部件使用寿命，造成安全隐患。为预防安全事故的发生，铁路车辆管理部门应建立车辆异常振动预防措施，通过消除激扰源或破坏轮轨系统频率耦合等方式抑制高频异常振动现象，确保车辆运营安全。

图12 钢轨正常区段与存在波磨区段加速度波形对比