钢轨异常磨耗对构架横向加速度影响研究_王晨.pdf

 振动与冲击 第 38 卷第 20 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol．38 No．20 2019 基金项目 国家自然科学基金 51575458 ; 中国铁道科学研究院基金项 目 2017YJ009 ; 中国铁路总公司科技研究开发计划项目 2017J011 － B ; 中国铁路总公司科技研究开发计划项目 2017J007 － M ; 西 南交通大学博士生创新基金 2014300179 收稿日期 2018 －05 －29修改稿收到日期 2018 －07 －12 第一作者 王晨 男， 博士生， 1987 年生 通信作者 罗世辉 男， 教授， 博士生导师， 1964 年生 钢轨异常磨耗对构架横向加速度影响研究 王晨1，邬平波1，罗世辉1，许自强2，马卫华1，董孝卿2 1． 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室， 成都610031; 2． 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081 摘 要 针对某型高速动车运行过程中转向架构架横向加速度报警的问题， 构建了车辆多体动力学模型， 结合实 测磨耗钢轨外形， 研究了异常磨耗钢轨与构架横向加速度报警间的关系。仿真分析发现当动车高速运行于实测的轨道不 平顺线路上时， 长期未打磨钢轨区段对应的轮对、 构架横向加速度明显要大于一次打磨和二次打磨钢轨。随着钢轨磨耗 加剧， 轮轨接触等效锥度也呈上升的趋势， 降低了车辆稳定性。并且通过现场实验验证长期未打磨钢轨对应构架横向加 速度明显大于新打磨钢轨。研究结果表明 钢轨轨面长期未打磨而出现不正常的宽光带磨耗与轨距角磨耗增大了轮轨间 等效锥度， 是导致轮轨接触不良主要原因， 而轮轨接触不良是造成动车组构架横向稳定性变差的重要因素。 关键词 高速动车组; 构架; 钢轨异常磨耗; 加速度报警; 实验 中图分类号 U216文献标志码 ADOI10． 13465/j． cnki． jvs． 2019． 20． 035 A study on the effect of an abnormal worn rail on the lateral acceleration of a bogie frame WANG Chen1， WU Pingbo1， LUO Shihui1， XU Ziqiang2， MA Weihua1， DONG Xiaoqing2 1． Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China; 2． China Academy of Railway Sciences，Locomotive Car Research Institute，Beijing 100081，China AbstractFor exploring the causes of altered bogie lateral accelerations of certain high speed trains，this paper aims at analyzing the relationship between the profile of worn rails and the dynamic behaviors of such high speed trains． A dynamic model was developed with actual measured wheel and rail profiles． The effect of the worn wheel/rail relationship on transverse vibration of the bogie frame was investigated． Simulation results indicated that the lateral acceleration of wheelsets and the bogie frame running on long- term unpolished rails was remarkably higher than those on rails with once and twice polishment． During the testing process，the equivalent conicity would increase with running distance for unpolished rails． The main reason for poor contact between wheel and rail was found to be gauge angle worn and the camber worn rail has not been polished for a long time． Key words high- speed train; bogie frame; abnormal worn rail; acceleration alarm; field test 我国高速动车组经过多年的服役， 总体运营状态 良好， 但在部分路段出现动车组转向架构架横向振动 偏大引起构架横向加速度报警， 进而导致车辆降速甚 至停车的问题， 严重影响到线路正常运行秩序。而车 辆稳定性是高速铁路重要的动力学指标之一， 直接影 响车辆运行安全性、 舒适性。为此国内外均进行了大 量的研究 True［1 ］提出非线性稳定性计算方法代替了 传统的线性方法; Polach 等 ［2 －3 ］提出了基于分叉理论的 平稳性评价标准， 通过大量的实验数据采集总结不同 踏面等效锥度曲线对轮对分叉稳定性影响; 朴明伟 等 ［4 ］研究了抗蛇行减振器参数对构架横向稳定性影 响; 罗世辉 ［5 ］基于惯性力与轮对蛇行频率及波长间的 关系， 研究轨距对机车车辆稳定性的影响; Cui 等 ［6 －7 ］ 基于轮轨接触理论， 研究了凹磨踏面对车辆稳定性影 响; Zhang 等 ［8 －9 ］在现场测量磨耗踏面基础上， 分析了 不同磨耗踏面与轨道车辆运动稳定性及分岔类型间 关系。 而本文针对高铁线路上某型高速动车横向报警的 问题， 对发生失稳报警区段磨耗钢轨进行测量。利用 测试数据生成不同磨耗状态下轮轨接触关系。利用多 体动力学软件 SIMPACK 构建某型高速动车模型， 仿真 分析轮轨磨耗对车辆横向稳定性的影响， 并结合现场 实验分析构架横向加速度超标原因。 ChaoXing 1高速动车构架横向加速报警问题 随着我国高速铁路网的逐步建成、 运营规模不断 扩大， 动车组稳定性恶化导致的转向架横向加速度超 限报警的问题明显增加。造成运营动车组停车或降 速， 极大地影响了线路的正常运行 ［10 ］。2010 年武广线 动车组就陆续出现了转向架横向报警、 车体晃动的问 题， 而2015 年1 －5 月更是发生180 余次， 涉及到京沪、 武广铁、 哈大等多条高铁线路。为解决转向架横向加 速度报警问题， 减少对铁路正常运行影响， 对近年来发 生转向架横向报警问题线路区段进行了统计分析后发 现， 报警线路区段钢轨主要有三种形式 长期未打磨的 钢轨; 进行过一次打磨钢轨; 进行过二次打磨钢轨， 报 警基本集中在长期未打磨区段。 图 1 为长期未打磨钢轨轨面图形， 第一次调研发 现报警区段长期未打磨而导致异常磨耗钢轨主要有两 种形式 一种具有轨距角磨耗特征， 存在明显的轨距角 磨耗情况， 在钢轨内侧出现清晰的磨耗情况。另外报 警区段还有部分钢轨存在宽光带特点， 光带宽度普遍 在 40 mm 以上， 光带最宽达到了 60 mm， 而且光带中心 向轨道内侧偏移滚动圆中心。 2动力学分析与实验验证 2． 1高速动车组动力学模型 为了研究高速动车横向失稳的原因， 本文根据实 际情况， 基于多体系统动力学理论， 建立了高速动车动 力学模型。车辆轴重 17 t， 最大运行速度 300 km/h。 整个模型由 1 个车体、 2 个构架、 2 个枕梁、 4 个轮对外 加一系悬挂、 二系悬挂等构成的多刚体系统， 一系悬挂 包括一系钢弹簧、 垂向减振器、 转臂定位， 二系悬挂包 括空簧、 抗侧滚扭杆、 横向减振器、 垂向减振器、 双抗蛇 行减振器， 牵引方式采用 Z 字形牵引杆。计算工况为 满载工况， 轮对滚动圆半径 0． 46 m， 轨底坡 1∶ 40， 踏面 采用实测磨耗踏面， 钢轨选用四种不同磨耗钢轨。轨 道垂向刚度 40 MN/m， 垂向阻尼 90 kN． s/m， 横向刚度 30 MN/m， 横向阻尼 65 kN． s/m。动车组主要参数见表 1。轨道采用实测的高速铁路轨道不平顺激励 如图2 。 图 1第一次调研钢轨异常磨耗 Fig． 1 The picture of long time unpolished rail 表 1车辆主要参数 Tab． 1 Theparameters of the high- speed train 参数数值 车体质量/t 39 构架质量/t 2． 3 枕梁质量/t 0． 7 车体转动惯量/ kg． m296000/1700000/1650000 构架转动惯量/ kg． m22100/2600/4000 车辆定距/m 17． 375 一系钢簧三向刚度/ MNm －1 120/12/0． 9 参数数值 轮对质量/t 1． 6 齿轮箱质量/t 1． 8 枕梁转动惯量/ kg． m2450/60/500 轮对转动惯量/ kg． m2800/140/800 齿轮箱转动惯量/ kg． m2190/1300/1400 轴距/m 2． 5 二系空簧三向刚度/ MNm －1 0． 12/0． 12/0． 18 图 2实测高速铁路轨道不平顺 Fig． 2 Themeasuredhigh- speed railway track irregularity 542第 20 期王晨等 钢轨异常磨耗对构架横向加速度影响研究 ChaoXing 2． 2磨耗钢轨对车辆横向稳定性影响 在实测的高速铁路不平顺轨道上， 高速动车组以 不同的速度 200 ～300 km/h， 步长10 km/h 运行， 分析 其动力学性能。其构架横向加速度和车轴横向力如图 3、 图 4 所示。如图构架横向加速度都是随着速度的增 加而增大， 从图中可以发现轨距角磨耗钢轨对应的构 架、 轮对横向加速度要远大于其他三种情况。当速度 超过 240 km/h 以后宽光带钢轨对应的加速度数值也 明显超过其他两种情况。一次打磨钢轨构架横向加速 度与二次打磨钢轨之间有一定的差值， 但相对较小。 图 3构架横向加速度 Fig． 3 The bogie frame lateral acceleration 图 4车轴横向力 Fig． 4 The lateralwheelset force 为更清楚的对比不同磨耗钢轨对车辆横向性能的 影响， 图 4 给出了各个速度下不同磨耗钢轨对应的车 轴横向力变化曲线。从图中可以发现， 当速度小于 240 km/h时一次打磨钢轨、 二次打磨钢轨和宽光带磨 耗钢轨对应车轴横向力差值并不是非常明显。速度大 于 240 km/h 时， 三者间开始出现差值， 且差值随速度 增大更加明显。轨距角磨耗钢轨对的车轴横向力在整 个速度范围内都要大于其他三种情况。 图 5、 图 6 为采用不同磨耗钢轨的高速动车组以 300 km/h 的速度在上述线路上运行时， 前构架横向加 速度时间历程曲线和相应的功率谱密度， 通过现场试 验和标准发现构架横向失稳频率区间主要集中在 10 Hz以下区间， 因此本文只对低频区间内振动情况进 行分析。 由图 5 知一次打磨、 二次打磨钢轨对应构架横向 振动加速度约为 4． 2 m/s2和 2． 9 m/s2， 宽光带钢轨和 轨距角磨耗钢轨对应的构架横向加速度分别达到 5． 9 m/s2和 7． 5 m/s2。说明长期未打磨钢轨会严重影 响到车辆横向稳定性， 破坏了该型车辆的正常运行。 图 6 为构架横向加速度功率谱密度， 从中可以发现轨 距角磨耗钢轨和宽光带磨耗钢轨对应构架加速度功率 谱密度集中在 4． 5 ～7． 5 Hz 区间里。 图 5构架横向加速度时间历程 Fig． 5 The time history responses of bogie frame lateral acceleration 图 6构架横向加速度功率谱密度 Fig． 6 The PSD of bogie frame lateral acceleration 轮对横向加速度是构架横向激励主要来源， 轮对 振动会直接影响到构架稳定性，因此某种程度上轮对 横向加速度也是车辆动态稳定的重要指标。在相同轨 道参数和随机不平顺条件下， 在 300 km/h 运行速度 下， 对图7 和图8 所示4 种不同磨耗轨面对应导向轮对 横向加速度和功率谱密度曲线进行分析。 图 7轮对横向加速度时间历程 Fig． 7 The time history responses of wheelset lateral acceleration 642振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 图 8轮对横向加速度功率谱密度 Fig． 8 The PSD of wheelset lateral acceleration 从图可以看出， 在车辆运行速度为 300 km/h 时， 轨距角磨耗钢轨对应的轮对横向加速度明显大于其他 钢轨， 其最大横向加速度达到 8． 5 m/s2; 宽光带磨耗钢 轨对应的轮对横向加速度也较大能够达到 7． 6 m/s2。 对于二次打磨和一次打磨钢轨二者间对应的轮对横向 加速度相对较小都在5 m/s2之内。而发现长期未打磨 钢轨对应轮对横向加速度功率谱密度频段也集中在 4． 5 ～7． 5 Hz之间。 2． 3现场实验 为验证钢轨异常磨耗对构架横向加速度的影响， 选择同一动车组进行添乘实验， 实验线路选择在发生 构架横向失稳区段 7 上行线 该区段出现较长的轨距 角磨耗钢轨 以及与之相邻的钢轨打磨区段下行线 该 区段钢轨刚完成打磨 。实验车辆以 300 km/h 速度先 后通过两个实验线路， 实验测试内容主要为测量构架 横向振动加速度在两个实验区间的数据， 从而获得的 构架和轴箱振动波形。如图 9 所示刚刚完成打磨区段 对应车辆构架横向加速度变化区间集中于 － 1． 75 ～ 1． 75 m/s2之间， 而长期未打磨钢轨对应车辆构架横向 加速度最大幅值要远大于刚刚打磨钢轨， 幅值达到 －8 ～8 m/s2。两种工况下轮对横向加速度变化区间分 别为 －2． 2 ～2． 5 m/s2和 －7 ～8 m/s2。通过实验可以 发现钢轨长期未打磨是造成动车组转向架构架横向加 速度报警重要原因。 图 9实验区间构架和轮对横向加速度 Fig． 9 The bogie frame and wheelset lateral acceleration 另一方面为验证打磨后， 钢轨型面的变化情况， 对 打磨前后钢轨廓形进行跟踪测量 第一次调研 异常磨 耗钢轨， 第二次调研 打磨完成 6 个月钢轨， 第三次调 研 打磨完成 12 个月钢轨 ， 如图 10 分别为刚刚完成 打磨、 打磨后 6 个月、 12 个月钢轨图片及廓形。 三次钢轨调研发现， 钢轨未打磨前光带宽度达到 了 50 mm， 该区段报警频发。钢轨打磨后光带宽度恢 复到 20 ～30 mm， 半年后与一年后再次对该区段调研， 光带宽度变化不大。从图中可以看出， 打磨前钢轨轨 距角和宽光带磨耗比较突出， 打磨后的钢轨廓形与标 准钢轨廓形接近， 轨距角处打磨量略大， 打磨后的两次 跟踪测量钢轨廓形与打磨钢轨基本一致， 廓形变化很 小。对失稳区间打磨以后钢轨演变开展跟踪研究， 从 跟踪数据来看， 钢轨打磨基本消除了宽光带、 轨距角磨 耗等问题。打磨后钢轨廓形演变缓慢， 一年之内未在 出现异常磨耗问题， 但跟踪测量的时间还较短， 这一结 论还需对廓形变化进行长期跟踪验证。 3高速动车组构架横向报警原因分析 通过前文研究发现构架横向加速度过大与钢轨磨 耗存在紧密联系 ［11 ］。而在以往研究中知道轮轨匹配等 效锥度直接反应轮轨之间的接触关系 ［12 －13 ］， 与车辆运 行过程中的动态响应密切相关 ［14 ］。轮轨等效锥度往往 随着钢轨磨耗产生很大的变化。因此有必要专门针对 磨耗钢轨等效锥度进行研究。 图 11 为长期未打磨钢轨、 一次打磨钢轨、 二次打 磨钢轨与标准钢轨廓形的对比。图形显示长期未打磨 钢轨、 一次打磨钢与标准钢轨廓形差距较大， 其中一次 打磨钢轨轨距角附近较标准廓形突出; 二次打磨钢轨 廓形与标准廓形基本接近， 但现场调研发现少部分钢 轨也存在与标准钢轨廓形差距较大的情况; 宽光带磨 耗钢轨磨耗区域主要集中在轨头上方 －25 ～25 mm 区 742第 20 期王晨等 钢轨异常磨耗对构架横向加速度影响研究 ChaoXing 域， 轨头磨耗严重， 侧轨磨耗量较小; 轨距角磨耗钢轨 除了存在着较为严重的轨头磨耗外， 侧轨磨耗也较为 明显， 其磨耗量远大于一次和二次打磨钢轨。如图 12 为打磨前后轮轨接触几何关系， 通过钢轨打磨， 有效 避免了钢轨集中磨耗而造成的钢轨内侧面与踏面的 非正常接触， 打磨也使得轮轨接触区域更加均匀而不 会集中于一定区域， 有效避免了钢轨异常磨耗情况。 通过钢轨打磨优化钢轨廓形， 改善轮轨之间的接触关 系， 也能预防钢轨异常磨耗的发生， 延长钢轨的使用 寿命。 图 10跟踪测量打磨后钢轨廓形变化 Fig． 10 Track and measure the profiles of rail after grinding 图 11不同钢轨外形比较 Fig． 11 Different kinds of wear rail 842振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 图 12轮轨接触关系 Fig． 12 The wheel/rail contact relationship 等效锥度主要是用来评判轮轨接触外形指标。等 效锥度作为轮轨关系中的重要参数之一， 直接关系到 车辆的动力学性能。欧洲铁路联盟更是直接将其列入 日常车辆检测目录当中， 用以评估轮轨间的匹配情况， 以便随时掌握轮轨接触情况， 及时进行镟修、 打磨。在 目前广泛运用的 quasi- linear 轮轨接触模型 ［15 ］中主要 包括以下三个参数 λ 等效锥度; ε 接触角之差; σ 侧滚角。 当轮对处于平衡位置的时候其等效锥度 λ 计算公 式为 λ Rwsinδ0 Rw－ RR e0 RRsin δ0 e0cos δ0－ r0sin δ0 1 式中 踏面外形接触点半径 Rw; 轨头外形接触点半径 RR; 平衡位置接触角 δ0; 左右接触点距离之半 e0; 正常 接触点轮径 r0。 由于轮对踏面斜度的存在， 在运动过程中在受到 线路不平顺的影响， 轮对会离开其平衡位置， 使得左右 滚动圆之间产生一定的轮径差， 同时轮对纵向不同步 使得轮对在运动过程中产生一定的摇头角。 左右轮对接触角的差值可以由以下公式获得 ε e0 Rw－ RR e0 Rwsin δ0 e0cos δ0－ r0sin δ0 2 绕纵轴侧滚角可以通过下面公式表示 σ e0sin δ0 e0cos δ0－ r0sin δ0 3 当接触角 δ0较小的时候， sin δ0≈δ0， cos δ0≈1， 则 式 1 中接触点附近等效锥度可以简化为 λ δ01 RR Rw－ R R 4 从式 4 中可以发现， 等效锥度主要受接触点处钢 轨与踏面曲率半径和接触角大小的影响。由轮对蛇行 运动的频率公式 ωw λ br 槡0 V 可知过大的等效锥度必然 会导致轮对蛇行频率的升高。 如图 13 通过采用实测轮对磨耗踏面与四种钢轨 进行配合分析发现 宽光带钢轨、 轨距角磨耗钢轨的匹 图 13不同轮轨接触等效锥度 Fig． 13 The equivalentconicity of different worn rails 942第 20 期王晨等 钢轨异常磨耗对构架横向加速度影响研究 ChaoXing 配等效锥度较大。当轮对横向位移在 3 mm 以内时各 个等效锥度均较小， 除轨距角磨耗钢轨以外均小于 0． 3; 当轮对横向位移达到 6 mm 轨距角磨耗钢轨和宽 光带钢轨等效锥度分别达到了 0． 75 与 0． 4， 一次打磨 钢轨匹配等效锥度为 0． 28， 二次打磨钢轨匹配等效锥 度 0． 25。从等效锥度角度来看， 长期未打磨钢轨轨面 磨损较严重， 特别是轨距角磨耗钢轨， 与磨耗踏面匹配 等效锥度较大。在以往的理论研究和运营实践中发 现， 车辆临界速度与轮轨等效锥度之间的关系如图 14 所示， 车辆临界速度与等效锥度平方成反比关系， 随着 等效锥度增大临界速度逐步减小， 稳定性恶化。过大 的等效锥度容易引起轮对严重的蛇行失稳， 进而引起 转向架构架的振动加剧， 影响车辆横向稳定性。 图 14临界速度与等效锥度关系曲线 Fig． 14 The relationship curve between equivalent conicity and critical velocity 关于构架横向稳定性问题现阶段各国在标准中均 进行了相应的规定 欧洲标准 TSI L84［16 ］中规定了构架 加速 度 进 行 实 时 连 续 监 测 和 采 样， 采 样 频 段 为 3 ～9 Hz; 国际铁路联盟 UIC515［17 ］同样对构架加速度 进行实时连续监测和采样， 采集数据进行10 Hz 低通滤 波进行处理; 我国目前采用的高速动车组整车实验规 范 ［18 ］中对构架横向稳定性进行判断时， 构架横向加 速度带通滤波频段设置为 0． 5 ～10 Hz。通过以上标准 可以发现其对构架横向加速度频率主要关注低于 10 Hz频段。针对这个问题专门对该动车组不同速度 下整车振动模态进行分析。为了便于比较， 在前文动 力学模型基础上线性化模型， 计算整车运行在 100 ～ 500 km/h 速度范围内的根轨迹。根轨迹法是指当系统 中某个参量由零到无穷大变化时， 其闭环特征根在平 面上移动的轨迹， 以横坐标表示模态的实部 阻尼比 ， 纵坐标表示模态的虚部振动频率 Hz 。本文将车辆速 度设置为参数， 考察在不同速度状态下转向架的振动 模态， 并通过根轨迹图找到不同速度下车辆的振动特 性。计算步长为 10 km/h， 根轨迹对应的频率即为车辆 在该速度下的振动模态， 如图 15 所示动车组转向架构 架300 km/h 时横向振动模态频率约为7 Hz 左右， 在上 文标准中专门关注 10 Hz 以下频段振动是有原因的。 通过前文中仿真分析， 长期未打磨区段车辆转向架构 架横向加速度振动频段约为 4． 5 ～ 7． 5 Hz， 与 7 Hz 横 移模态相吻合， 二者相对应容易出现耦合振动情况。 图 15车辆根轨迹图 Fig． 15 Theroot- locus of vehicle 4结论 本文针对高速动车组构架横向失稳的问题， 对失 稳区段磨耗钢轨外形进行现场实测， 结合实测钢轨外 形对车辆动力学性能进行仿真分析， 并且现场测试两 种磨耗区间构架横向振动情况， 研究表明 失稳区间钢 轨存在大量 50 mm 以上宽光带和轨距角磨耗现象， 对 应的构架与轮对横向振动加速度幅值明显较大， 两次 打磨钢轨对应构架和轮对振动幅值则要小得多。对报 警区段钢轨进行打磨， 外形恢复至设计廓形， 可以缓解 构架报警问题。而且打磨以后钢轨磨耗演变情况较为 平缓， 一年以内未在出现异常磨耗的情况。 通过对轮轨关系研究发现， 长期未打磨钢轨的等 效锥度明显大于一次打磨和二次打磨钢轨， 过大等效 锥度会导致高速运行稳定性下降。此外动车组在 300 km/h时构架自身横向模态频率大约在 7 Hz 左右， 与构架此时横向加速度频率存在叠加可能， 当构架横 向加速度频率处于这个区间时， 会使得构架的振动水 平升高， 进而影响到车辆正常运行。 鉴于构架报警区段多发于长期未打磨钢轨和一次 打磨钢轨， 建议工务部门严格执行高速铁路钢轨打磨 管理办法 中规定的打磨周期。对重复出现构架横向 加速度报警的地段， 应该及时安排打磨， 特别是出现 50 mm以上光带和轨距角磨耗钢轨区段需要重点关注， 如果出现该种情况尽快安排维护。如果暂时无法进行 检修钢轨打磨， 那么适当降低动车组通过该区间运行 速度也能够减少构架发生报警情况。 本文主要研究了钢轨异常磨耗对车辆构架失稳的 影响， 在未来的研究中将进一步关注踏面磨耗对构架 报警的影响。 参 考 文 献 ［1］ TRUE H． The dynamics of a railway freight wagon wheelset with dry friction damping the suspension［ J］ ． Vehicle System 052振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing Dynamics， 2004， 38 2 159 －168． ［2］ POLACH O，NICKLISCH D． Wheel/rail contact geometry parameters in regard to vehicle behaviour and their alteration with wear［ J］ ． Wear， 2016， 366/367 200 －208． ［3］ POLACH O． Wheel profile design for target conicity and wide tread wear spreading ［J］ ．Wear， 2011， 271 1/2 195 －202． ［4］ 朴明伟，梁树林，方照根， 等． 高速转向架非线性与高铁 车辆安全稳定性裕度［ J］ ． 中国铁道科学，2011，32 3 86 －92． PIAO 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