CRH5型动车组车体异常抖动原因分析及对策

2019-10-18张金

铁道建筑 2019年9期

张金

（中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081）

CRH5型动车组的原型车是法国阿尔斯通公司为芬兰国铁生产的SM3 动车组，2004年经铁道部引进，后由长春轨道客车股份有限公司进行自主化、国产化改造。改造后的CRH5型动车组设计最高运营速度为250 km/h，具有抗风、沙、雨、雪、雾等恶劣天气的能力，可在-40 ℃的高寒及高海拔条件下正常运行，多用于东北和西北地区。CRH5 型动车组运营过程中，在京沪、哈大、哈齐、沈丹、兰新二线、西宝等高速铁路线路上出现了多起车体异常抖动的情况［1-3］，乘车舒适性显著降低，严重影响动车组运行安全。本文以哈齐客运专线为研究对象，对异常抖动的车辆状态和抖车区段的线路情况进行调查，分析CRH5型动车组车体异常抖动的原因，并提出有效的对策，以确保动车组运行的舒适性和安全性。

1 车辆状态调查

1.1 车辆振动情况

哈齐客运专线CRH5 型动车组车轮镟修后运行15.4 万km 时，车体出现异常抖动的情况。车体振动时频特性和车体横向振动加速度见图1、图2。可以看出，车辆运行产生异常抖动时，车体振动时频特性显示出6～8 Hz 的集中频率，且横向振动能量较大，振动加速度幅值超过0.5g，由此可以推断出6～8 Hz是引起车辆异常抖动的主振频率。

图1 车体振动时频特性

图2 车体横向振动加速度

1.2 车轮磨耗情况

对发生车体异常抖动的动车组进行调查，发现车轮踏面存在较大的凹形磨耗，如图3所示。可以看出：①镟修后运行20万km 的动车组车轮踏面凹形磨耗约1.2 mm，全线出现了严重的车体抖动；②镟修后运行15 万km 的动车组车轮踏面凹形磨耗约0.8 mm，部分区段出现了不同程度的车体抖动；③新镟修的动车组车轮踏面接近XP55标准车轮廓面，个别区段出现了轻微的车体抖动。调查结果表明：动车组运行15 万～20万km，车轮踏面出现1.0 mm左右凹形磨耗时，将造成轮轨接触关系不良，进而引发动车组车体异常抖动。

图3 车轮踏面磨耗情况

2 线路情况调查

2.1 轨道几何尺寸

对哈齐客运专线抖车区段的轨底坡和轨距进行了检测，结果见表1。可知，轨底坡测量值介于1：47～1：42，轨距测量值介于1 434.7～1 435.1 mm，均在标准规定的范围内。

表1 轨底坡和轨距检测结果

2.2 钢轨踏面硬度

表2为哈齐客运专线抖车区段的钢轨踏面硬度测量结果，可见，左股钢轨踏面硬度平均值为290.8 HB，右股钢轨踏面硬度平均值为291.6 HB，左右股钢轨的踏面硬度值均在母材U71MnG 硬度值260～300 HB 的范围内，基本无加工硬化。

表2 钢轨踏面硬度测量结果 HB

2.3 钢轨表面不平顺

图4（a）为哈齐客运专线抖车区段的钢轨波浪形磨耗宏观形貌，可以看出钢轨表面存在肉眼可见的波浪形磨耗，波长约为100 mm。对该区段钢轨表面不平顺重新进行了检测，结果见图4（b）—图4（d），可以看出，左股钢轨波浪形磨耗的特征波长L为100 mm，对应的最大波深D约为0.079 mm；右股钢轨波浪形磨耗的特征波长L也为100 mm，对应的最大波深D约为0.070 mm。根据钢轨表面存在波长约100 mm 的波浪形磨耗，并结合实际运行速度200 km/h 进行换算，得到钢轨波浪形磨耗引起的振动频率约为550 Hz，与车体异常抖动的主振频率6～8 Hz差异较大，表明钢轨波浪形磨耗不是引起动车组抖车的根本原因。

图4 钢轨表面不平顺情况

2.4 轨头廓形和钢轨光带

对哈齐客运专线抖车区段典型的轨头廓形和钢轨光带情况进行了调查，如图5所示。可以看出：①在所有动车组均出现严重抖车的地段，钢轨实测廓形60D-H 与设计廓形60D 比较，轨距角R80 圆弧处明显凸出，最大偏差约为+0.80 mm，钢轨光带不居中，偏向轨距角侧，宽度约为40 mm；②在部分动车组出现抖车的地段，钢轨实测廓形60D-S与设计廓形基本接近，钢轨光带较居中，宽度约为25 mm；③在个别动车组出现轻微抖车的地段，钢轨实测廓形60D-L 与设计廓形比较，轨距角R80 圆弧处略微凹陷，最大偏差约为-0.20 mm，钢轨光带居中，宽度约为20 mm。调查结果表明，钢轨廓形打磨不到位使得工作边轨距角凸出，导致轮轨关系匹配不良，引起动车组车体异常抖动。

图5 抖车区段典型的轨头廓形和钢轨光带情况

3 动车组抖车原因分析及对策

3.1 轮轨匹配等效锥度

等效锥度是用于评价轮轨接触几何状态的重要指标，决定着轮轨之间的匹配程度。等效锥度的大小与动车组的动力学性能密切相关，等效锥度过小将导致动车组出现晃车，等效锥度过大将引起动车组构架横向加速度报警［4］。

为了分析动车组车体异常抖动的原因，利用UIC 519—2004［5］中的积分法，采用 FORTRAN 软件编程，计算了不同工况下的名义等效锥度，结果见图6和表3。

从图6中可以看出，随着车辆运行里程的增加，车轮踏面凹形磨耗不断增大，等效锥度逐渐变大。另外，由表3可知：①新镟修的车轮与实测钢轨60D-H，60D-S，60D-L 匹配的名义等效锥度 0.057，0.052，0.051 接近XP55 标准车轮与60D 钢轨匹配的名义等效锥度0.054；②运行一段时间出现凹形磨耗的车轮与实测钢轨60D-H，60D-S，60D-L 匹配的名义等效锥度对比，60D-L 较小，60D-S 次之，60D-H 较大；③运行20 万km 的车轮与60D-H 钢轨匹配的名义等效锥度为0.310，大于其与60D-S 钢轨匹配的名义等效锥度0.209，也大于运行15万km 的车轮与60D-H 钢轨匹配的名义等效锥度0.223，同时均不满足欧洲铁路TSI标准中规定的“速度为230

上述情况表明：①踏面凹形磨耗的车轮对钢轨轨头廓形比较敏感，其与轨头廓形状态较差的钢轨匹配时等效锥度过大是引起动车组车体异常抖动的主要原因；②踏面良好的车轮对钢轨轨头廓形不敏感。因此只要对车轮踏面进行镟修，恢复到设计廓形，就可以大幅度降低等效锥度，改善轮轨匹配关系，解决动车组抖车的问题。

图6 不同工况下名义等效锥度随运行里程的变化情况

表3 不同工况下的名义等效锥度计算结果

3.2 轮轨接触几何关系

根据车辆状态和线路情况的调查结果，以CRH5型动车组的XP55 标准车轮、磨耗车轮（运行15 万km 和20 万km）和不同实测廓形钢轨（60D-L，60D-S，60D-H）为研究对象，建立轮轨匹配几何关系计算模型，分析各种工况下的轮轨接触几何关系。

图7为XP55标准车轮与实测钢轨 60D-L，60D-S，60D-H 的轮轨接触点对分布情况。可以看出XP55 与60D-L，60D-S 的轮轨接触点主要集中在轨头踏面中心；而与60D-H 的轮轨接触点则偏向轨距角侧，轮轨接触点分布范围较宽，使轮轨横向力增大，并且接触点位置出现跳跃，车辆在运行过程中容易产生较大的轮径差，进而引起动车组车体异常抖动［7］。实测钢轨60D-H的轨距角凸出，与XP55标准车轮匹配时轮轨接触关系不良，可以通过钢轨打磨使60D-H 变成60D-S或60D-L，从而改善轮轨接触关系，实现轮轨合理匹配，达到解决动车组抖车的目的。

60D-L 钢轨与XP55 标准车轮的轮轨接触几何关系最佳，故此选择60D-L 钢轨与不同磨耗车轮进行匹配，其轮轨接触点对分布情况如图8所示。可以看出，随着车辆运行里程的增加，车轮踏面磨耗量逐渐增大，且出现了明显的踏面凹形磨耗，轮轨接触点由轨头踏面中心逐步偏向轨距角，轮轨接触范围逐渐变宽，轮轨横向力不断增大。与此同时，在凹形磨耗车轮的两侧会出现多个不同的接触位置（即轨顶处存在多个不同的轮轨接触光带），且接触位置过渡存在一定的跳跃现象，车辆运行过程中车轮有一定横移量时会出现轮轨接触位置突变，如遇其他线路激扰时会引起动车组抖车。

图7 XP55标准车轮与不同实测钢轨的轮轨接触点对分布情况（单位：mm）

图8 60D-L钢轨与不同磨耗车轮的轮轨接触点对分布情况（单位：mm）

CRH5型动车组的车轮标准廓形为XP55，XP55 车轮为锥形车轮，具有5.5%的锥度，适合在法国1∶20轨底坡和1 360 mm 轮背内侧距的线路上运用，与我国1∶40轨底坡和1 353 mm轮背内侧距的条件明显不同。由于轨底坡变小，轮轨接触点必然偏向轨距角侧，而轮背内侧距变小，不仅使轮轨之间的游间加大，而且名义轮轨接触的平衡点也发生了改变，这些因素导致轮轨匹配关系不理想。在车轮廓面不能改变的情况下，通过钢轨打磨形成适合于动车组车轮廓面的轨头廓形可以实现轮轨关系的合理匹配。但是，如果钢轨打磨不合适导致轨头廓形不良（轮轨关系不匹配），容易引起动车组构架横向加速度报警、抖车或晃车，危及动车组运行安全。武广、京沪、哈大等高速铁路钢轨轨距角侧打磨量不足，部分地段引起动车组构架横向加速度报警及抖车；合武、秦沈等高速铁路钢轨轨距角侧打磨量过大，部分地段引起晃车［8］。

为改善我国轮轨匹配关系，提高动车组运行品质，避免动车组出现异常振动情况（横向加速度报警、抖车或晃车），须要对钢轨打磨廓形进行设计。中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所经过多年轮轨关系研究，根据轮轨接触理论设计出适用于我国高速铁路的钢轨打磨廓形60D 和60N［9］。60D和60N 廓形已被纳入中国铁路总公司颁布的铁总运〔2014〕357 号《高速铁路钢轨打磨管理办法》［10］，广泛用于指导高速铁路钢轨的廓形打磨。近年来实践证明［7-8］，按照 60D 和 60N 廓形的偏差下限进行 60 kg/m标准钢轨打磨，打磨后的钢轨与凹形磨耗的XP55 车轮匹配情况良好，可有效改善轮轨接触关系，解决CRH5型动车组抖车的问题。