1、高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed Railway第 2 卷 第 3 期2 0 2 3 年 6 月Vol.2 No.3June 2 0 2 3动车组异常振动区段钢轨打磨整治策略及应用效果杨光1，李晨光1，成棣2，刘超3（1.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；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081；3.中国铁路北京局集团有限公司 北京高铁工务段，北京 100860）摘要：针对某高速铁路区段出现的动车组异常振动情况，开展异常振动区段钢轨状态测试及轮轨匹配分析，利用动力学仿真方法
2、，分析了实测轮轨匹配关系下动车组抖车原因，制定钢轨整治策略，评估打磨效果。结果表明：抖车区段钢轨廓形存在不同程度正偏差，光带宽度普遍在35 mm以上；实测轮轨型面匹配的等效锥度偏大，转向架横向加速度出现510 Hz的频率特征，极易激起车体弹性振动，出现抖车现象；以设计廓形为目标廓形，采用对称和非对称2种打磨模式，对抖车区段钢轨廓形进行打磨整治后，未再出现抖车情况，钢轨廓形满足打磨验收要求，钢轨光带控制在2030 mm范围，实测轮轨匹配等效锥度降至0.2以下。关键词：高速铁路；动车组；钢轨打磨；等效锥度；横向振动加速度中图分类号：U213.4 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn
3、.2097-0846.2023.03.011典型动车组异常振动现象包括转向架横向加速度报警、车体晃动和车体抖动等1，其中，车体抖动（简称：抖车）主要影响旅客乘车体验。既有研究结果表明，高速动车组服役性能与轮轨型面匹配状态密切关联2-3，当车轮与钢轨匹配等效锥度增大，转向架蛇行运动频率达到 810 Hz，与动车组车体一阶菱形模态频率接近时，易出现抖车情况4-5。通过车轮旋修或钢轨打磨均可有效改善抖车情况6-7。针对某高速铁路区段出现的动车组抖车情况，开展了抖车区段钢轨服役状态检测及轮轨匹配评估，采用动力学仿真手段，基于实测数据分析了该区段发生抖车的原因，指导抖车区段钢轨打磨整治工作。1 抖车区段
4、钢轨廓形及光带 某高铁线路抖车区段铺设60 kg/m U71MnG钢轨，最近一次廓形打磨时间为2018年，打磨目标廓形为设计廓形8。通过对抖车区段钢轨轨头廓形和光带情况进行现场测试，为分析抖车原因、制定钢轨打磨方案提供数据支撑。抖车区段典型钢轨廓形测试结果见图1，图中蓝色廓形为设计廓形，红色廓形为实测廓形，横坐标正值表示钢轨工作边一侧，实测廓形高于标准廓形为正偏差，低于标准廓形为负偏差。如图1所示，与设计廓形相比，左、右股实测钢轨廓形在-20+10 mm范围基本重合，在+10+32 mm 存在不同程度正偏差，钢轨廓形偏差关键控制区域9的最大偏差达到+0.75 mm。图1钢轨廓形文章编号：209
5、7-0846（2023）03006006收稿日期：20221217；修回日期：20230206基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（N2022G011）；中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目（2020YJ072）第一作者：杨光（1989），男，副研究员，博士。E-mail：第 3 期杨光等：动车组异常振动区段钢轨打磨整治策略及应用效果进一步对比抖车区段各测点钢轨廓形与设计廓形，廓形最大偏差统计结果见图2。整个区段钢轨廓形整体呈现不同程度正偏差状态，多数测点左、右股廓形最大偏差在+0.4 mm左右，偏差最大位置（测点9）的廓形已由图 1给出；部分测点左、右股钢轨廓形偏差存在较
6、大差异，测点 10 的左、右股廓形偏差量差异达到 0.45 mm，廓形对称性不良。当临近旋修的车轮型面与该区段钢轨廓形匹配时，可能会出现局部轮轨匹配不良情况。钢轨光带可反映出轮轨接触范围，使用钢板尺对抖车区段钢轨光带进行了测量，测点9的钢轨光带状态见图3，图片左侧为钢轨非工作边，右侧为钢轨工作边。图3（a）左股钢轨光带宽度38 mm，光带中心偏工作边；图3（b）右股钢轨光带37 mm，光带中心也偏工作边。统计分析其他测点钢轨光带情况，钢轨光带普遍在3540 mm范围内，其中光带宽度35 mm以上，占比约75%。2 动车组抖车原因分析 一般认为，轮轨匹配的名义等效锥度超过 0.35后，转向架蛇行
7、运动频率更易接近车体模态频率而激发抖车现象1,4。选取发生抖车的动车组实测车轮型面以及抖车区段实测钢轨型面，计算实测轮轨型面匹配的等效锥度，并定义轮对横移量为3 mm时的等效锥度为名义等效锥度10。实测车轮型面见图4，与标准车轮型面相比，实测车轮型面主要在-20+20 mm范围内存在差异，可见车轮长期服役后，其踏面中心区域产生了一定程度磨耗，磨耗量约0.7 mm。抖车区段各测点对应的名义等效锥度计算结果见图5。实测车轮型面与钢轨设计廓形匹配的名义等效锥度为0.17，由图5可见，抖车区段实测钢轨廓形对应的名义等效锥度普遍在0.3以上，个别位置超过0.35，测点9对应的名义等效锥度达到0.39。同
8、时，联合分析图5和图2可见，名义等效锥度较大的位置基本与钢轨廓形正偏差较大的位置对应。等效锥度曲线的非线性变化也可能引起动车组异常振动11，选取设计廓形和实测廓形（测点9）分别与实123456789100.00.20.40.60.81.0 左股 右股最大偏差/mm 测点图2钢轨廓形偏差图3钢轨光带0.230.250.30 0.290.36 0.360.320.310.390.34123456789100.00.10.20.30.40.50.6名义等效锥度测点图5轮轨匹配名义等效锥度-80-60-40-200204060-100102030 标准型面 实测型面垂向位置/mm横向位置/mm图4车轮
9、型面61高速铁路新材料第 2 卷测车轮型面匹配，分析等效锥度随轮对横移量变化情况。如图6所示，设计廓形对应的等效锥度曲线相对平缓，且等效锥度均在0.2左右；实测廓形对应的等效锥度曲线呈现先减小后增大的变化，在轮轨横移量较小时，等效锥度均在0.4以上，这表明在轮对横移量较小（直线区段）时，轮轨等效锥度偏高就易引起转向架蛇行运动失稳11。轮轨接触点分布范围与钢轨光带宽度基本对应，且与等效锥度正相关12。图7给出了设计廓形和实测廓形（测点9）分别与实测车轮型面匹配时的轮轨接触点分布情况。与设计廓形相比，由于工作边一侧存在较大正偏差，实测轮轨型面匹配下的轮轨接触点分布相对分散，这与图3现场钢轨光带的情
10、况基本一致。从轮轨接触几何匹配情况来看，由于实测轮轨匹配的接触范围较宽，等效锥度偏高，动车组高速运行时，可能出现转向架蛇行运动失稳。进一步利用动力学仿真，分析不同轮轨匹配关系下转向架横向振动加速度情况。动车组车辆动力学模型采用文献13中的相关参数，轨道激扰采用实测轨道几何不平顺，车轮型面采用抖车动车组实测车轮型面，钢轨型面采用抖车区段钢轨实测廓形（旋后20万km），同时，采用设计廓形用以不同轮轨匹配关系的对比分析。图8给出了车辆以300 km/h直线运行时的转向架横向振动加速度时域和频域仿真计算结果。如图8（a）所示，与设计廓形相比，实测廓形对应的横向加速度明显更大，设计廓形对应的横向加速度有
11、效值（RMS）为1.54 m/s2，实测廓形对应的横向加速度 RMS 值为2.44 m/s2，这表明实测车轮与实测钢轨廓形匹配时，转向架横向运动更加剧烈；转向架横向加速度频域特征如图8（b）所示，实测廓形对应的横向加速度频谱在510 Hz内的加速度幅值明显大于设计廓形，这一特征频率范围已覆盖车体弹性模态频率，极易激发车体弹性振动，发生抖车现象4-5。轮轨匹配及动力学仿真初步分析结果表明，与设计廓形相比，抖车动车组实测车轮型面与抖车区段实测钢轨廓形匹配的轮轨接触点分布范围更大，轮轨匹配等效锥度整体在0.3以上，车辆高速运行时，转向架蛇行运动频率出现510 Hz的频率特征，与车体弹性模态频率接近时
12、可能会出现抖车现象。01234567891011120.00.10.20.30.40.50.6等效锥度轮对横移量/mm 设计廓形 实测廓形图6等效锥度变化曲线-800-780-760-740-720-700-680-30-20-1001020 设计廓形 实测廓形 设计廓形 实测廓形 横向位置/mm(a)左股(b)右股680700720740760780800-30-20-1001020横向位置/mm垂向位置/mm垂向位置/mm3030图7轮轨接触点分布012345678910-10-50510振动加速度/(ms-2)振动加速度幅值/(ms-2)时间/s(a)时域(b)频域 设计廓形 实测廓形
13、0102030400.00.10.20.30.40.5 设计廓形 实测廓形频率/Hz图8转向架横向振动加速度62第 3 期杨光等：动车组异常振动区段钢轨打磨整治策略及应用效果3 抖车区段钢轨打磨策略 从钢轨抖车区段钢轨状态及轮轨匹配分析结果来看，临近旋修的车轮型面与工作边一侧存在较大正偏差，钢轨廓形匹配关系不良是动车组抖车的重要原因。除车轮旋修外，还需要对抖车区段钢轨进行打磨整治，修理钢轨廓形、改善轮轨匹配关系。根据 高速铁路钢轨打磨管理办法8相关规定：铺设标准60 kg/m钢轨且仅运行动车组的区段，钢轨打磨的目标廓形为设计廓形。综合考虑抖车区段钢轨廓形现状、运营动车组的类型及速度、轮轨匹配及
14、仿真计算结果，兼顾现场打磨资源和打磨成本，抖车区段钢轨打磨策略如下：（1）打磨廓形：采用设计廓形作为钢轨打磨目标廓形（见图9绿色廓形），打磨后钢轨外侧非工作边-10至内侧工作边+45轨头廓形应达到设计廓形要求。（2）打磨量：优先保证轨顶中心附近区域（-1+3）的打磨深度不小于0.1 mm，然后重点考虑打磨钢轨工作边侧钢轨廓形，消除钢轨正偏差。（3）打磨模式：钢轨左右股基本对称的区段，应采用对称打磨模式，为保证轨头廓形达到设计廓形要求，推荐打磨2遍，作业速度11 km/h；钢轨左右股不对称的区段，应采用非对称打磨模式，为保证轨头廓形达到设计廓形要求，推荐打磨2遍，作业速度11 km/h。4 打磨
15、整治效果分析 打磨后，测点9左右股钢轨廓形见图10，图中蓝色廓形为设计廓形，红色廓形为实测廓形。由图 10可见，打磨后实测廓形与设计廓形基本重合，仅在轨头横向+30+32 mm范围存在一定正偏差（最大值不超过0.4 mm），从图7轮轨接触点分布情况看，该位置不在轮轨接触范围内，正偏差不会影响轮轨匹配关系和动车组运行性能。进一步分析打磨后200个钢轨实测廓形与设计廓形的偏差情况，偏差分布统计结果见表1。打磨后，钢轨廓形验收要求为：轨头-25+25 mm范围偏差限值为-0.2+0.2 mm，+25+32 mm 范围偏差限值为-0.6+0.2 mm8。由表 1可见，打磨区段 90%以上的钢轨廓形偏差
16、满足打磨验收要求，打磨后，钢轨廓形质量良好。抖车区段打磨后典型测点实测钢轨廓形与实测车轮型面匹配的名义锥度由图11给出。与图5打磨前的等效锥度相比，打磨后，抖车区段实测轮轨匹配的名义锥度明显减小，均降低到0.10.2的正常范围，说明通过钢轨打磨有效改善了轮轨匹配关系。据工务部门反馈，打磨后该区段未再出现抖车情况。图9钢轨打磨设计廓形8图10打磨后钢轨廓形表1打磨后钢轨廓形偏差分布统计结果钢轨横向位置/mm-25+25+25+32偏差分布/%X-0.600-0.6X-0.2016-0.2X07470X0.286320.20.400注：X为最大廓形偏差，单位：mm。63高速铁路新材料第 2 卷打磨整治后，轮轨匹配关系得到明显改善，钢轨光带也恢复正常12，所有测点钢轨光带宽度均在 2030 mm范围内，如图12所示，左、右股光带宽度分别为24、26 mm，分布居中。5 结论及建议 开展了动车组抖车区段钢轨服役状态检测及轮轨匹配评估，采用动力学仿真手段，基于实测数据分析了该区段发生抖车的原因，指导抖车区段钢轨打磨整治工作。得到结论如下：（1）抖车区段钢轨廓形与设计廓形比较存在不同程度正偏差，最
