基于动车组横向稳定性的等效锥度限值研究

许自强

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京 100081）

基于动车组横向稳定性的等效锥度限值研究

许自强

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京 100081）

轮轨接触几何匹配关系直接影响动车组的振动性能，轮轨接触不匹配可造成动车组构架横向加速度报警、车体晃车等问题。通过对镟修后初始等效锥度和车体晃车进行研究，提出镟修后初始等效锥度限值，评价镟修质量。通过对服役动车组等效锥度的跟踪、镟修到限等效锥度分布范围与报警轮对等效锥度值的统计，提出LMA、LMB、LMC、LMD型4种车轮踏面不同速度级的服役等效锥度限值，评估动车组横向稳定性。根据等效锥度限值对车轮进行管理可以控制轮轨型面与接触关系，有效缓解构架横向加速度报警与车体晃车问题，实现车轮状态修，提高镟修经济性。

横向稳定性；车体晃车；等效锥度限值；LMB型车轮踏面；轮轨接触

1 概述

我国高速动车组经过多年服役，总体运营状态良好，但部分动车组于2010年开始出现构架横向加速度报警问题，至2014—2015年，构架横向加速度报警呈多发趋势，造成动车组降速运行或停车，影响运营秩序。为分析原因，针对10条线路20多处报警区段开展上线测试，同时对报警动车组车轮状态、悬挂特性进行深度调研与优化研究。通过调研、试验、仿真，针对构架横向加速度报警问题提出以下控制措施：报警区段钢轨打磨、推广新的轮轨廓形、优化车轮镟修周期、调整车辆悬挂参数、提高车轮镟修质量。采取这些措施后构架横向加速度报警问题显著降低，2016年比2015年降低58%，2017年上半年仅发生1起构架横向加速度报警问题[1]。构架横向加速度报警问题研究过程见图1。

图1 构架横向加速度报警问题研究过程

随着钢轨打磨以及新轮轨廓形的推广，降低了轮轨匹配等效锥度设计值，间接导致车轮镟修初始轮轨匹配等效锥度降低，车体晃车（车体横向平稳性显著变差，出现1～2 Hz的低频晃动）问题越发明显。虽然晃车发生在个别区段且持续时间不长，但是明显影响乘客乘坐舒适性。

随着研究的深入，发现轮轨匹配等效锥度可以较准确地反映动车组振动性能，等效锥度过低将导致车体晃车，而等效锥度过高又会导致构架横向稳定性下降甚至蛇行失稳（见图2）[2]。等效锥度作为轮轨关系的量化指标之一，可以直接反映轮轨接触状态以及预测动车组的运行行为。我国对等效锥度的研究还较少，也未制定专门规范，急需进行深入研究[3]。

图2 等效锥度与动车组横向稳定性的关系

2 等效锥度现状

等效锥度作为轮轨关系的线性化指标，已被广泛用于表征轮轨接触几何特征。国际铁路联盟标准UIC 519定义名义等效锥度是指在轮对横移幅值为3 mm时所对应的等效锥度，我国等效锥度采用该定义。欧盟铁路互联互通技术规范（TSI）和国际铁路联盟标准UIC 518都采用等效锥度指标评估轮轨接触几何关系。表1为TSI规定的轮轨等效锥度设计限值，表2为UIC 518规定的服役动车组轮轨等效锥度建议限值[4-5]。在等效锥度指标设计过程中，由于欧洲各国的线路条件不一致（如轨距、轨底坡、廓形、运行速度等），各国并没有依照等效锥度标准执行，而是根据线路条件以及运用情况灵活掌握，采用轨边设备、人工测试等方法测试并计算等效锥度，对车轮实行状态修。

表1 TSI规定的轮轨等效锥度设计限值

表2 UIC 518规定的服役动车组轮轨等效锥度建议限值

3 车体晃车与初始等效锥度控制

车体晃车的主要原因是轮轨接触几何关系不佳，直接反映为等效锥度过低。等效锥度越低，轮对、构架的横向蛇行运动频率也越低，如果与车体侧滚、摇头频率接近就易激发车体的固有频率，引起车体晃车。下面给出轮对、构架横向蛇行运动频率的经验公式。

轮对蛇行运动频率公式：

构架蛇行运动频率公式：

式中：v为运行速度，m/s；b为滚动圆中心距的一半，m；r0为名义滚动圆半径，m；l1为转向架固定轴距的一半，m；λ为蛇行运动波长，m。

通过式（1）、式（2）可以发现：轮轨、构架的蛇行运动频率与等效锥度呈正比[6]。初期列车运行速度不高时认为车体晃车发生在列车低速运行情况下，但随着高速铁路的发展，车体晃车有了新变化，一般发生于车轮镟修后列车高速运行时。由于镟床精度、人为误差等原因导致镟修后车轮的等效锥度比设计值低，在运行至某些区段时，蛇行运动频率与车体固有侧滚频率耦合，发生1～2 Hz的车体晃车，车体横向平稳性显著降低，影响列车舒适性。

由于车轮镟修控制指标并未包含等效锥度，无法有效区分镟修等效锥度过低导致的车体晃车。所以以LMB型车轮踏面为例，提出镟修后初始等效锥度限值的建议，通过等效锥度控制车轮镟修质量。

3.1 镟修后初始等效锥度

选取不同型号、不同运行速度、运行在不同线路的动车组进行测量并计算镟修后初始等效锥度，研究其分布区间。采用LMB型车轮踏面的测试动车组统计见表3。

（1）被测试动车组车轮与60 kg/m标准钢轨廓形（简称TB60）匹配等效锥度均值为0.16，标准差0.02，等效锥度分布于0.08～0.24。

（2）LMB型车轮踏面与TB60匹配设计值为0.17，镟修后统计发现初始等效锥度在设计值±0.03范围内的占比为85%（见图3）。测试数据直方图统计见图4。

表3 采用LMB型车轮踏面的测试动车组统计

图4 测试数据直方图统计

3.2 等效锥度下限修正

通过统计得到的初始等效锥度限值并不能完全代表实际情况，根据晃车动车组车轮的测量与试验结果，对初始等效锥度下限进行修正。

车体晃车和轮对等效锥度的测试结果见图5。由图5可知某动车组运行时出现了车体晃车，车体横向平稳性指标达2.75（见图5（a））。同时，从测试结果发现部分轮对的等效锥度较低，当等效锥度低于0.12时车体发生晃车（见图5（b））。

此外，还测试了京津城际[7]、衡柳客专等线路的车体晃车。研究结果显示等效锥度小于0.12时车体容易发生晃车。

综合初始等效锥度统计和晃车线路试验，LMB型车轮踏面的镟修后初始等效锥度限值为0.12～0.20。对我国动车组使用的LMA、LMC、LMD型车轮踏面也采用相同方法进行研究，提出4种与TB60匹配的车轮踏面镟修后初始等效锥度限值（见表4）。

以前等效锥度的测量、计算一直采用人工方法，耗时耗力而且误差较大。通过对不落轮镟床进行升级改造，实现了对车轮踏面与等效锥度的实时测量。该功能已在各铁路局推广运用，可以实现对镟修车轮进行实时等效锥度计算。所以镟修后等效锥度限值已经具备试用考核条件，后续可以通过镟床的数据统计、动车组镟修后运行性能跟踪，对初始等效锥度限值进行考核与修正。

图5 车体晃车和轮对等效锥度测试结果

表4 与TB60匹配的车轮踏面镟修后初始等效锥度限值

4 构架横向加速度报警与服役等效锥度的限值研究

车轮镟修后随着运行里程的增加，车轮磨耗持续加深，等效锥度与构架横向加速度也随之增加。当等效锥度达到一定值时，构架容易出现蛇行失稳[8]。以LMB型车轮踏面为例，通过镟修到限等效锥度统计、不同运行里程等效锥度分布以及早期报警等效锥度统计，研究LMB型车轮踏面的服役等效锥度限值。

沪昆、武广高铁的CRH3型系列动车组不同运行里程的车轮等效锥度统计见图6。由图6可知，不同线路、不同动车组的车轮等效锥度发展趋势相同，均是随运行里程的增加而增大。共统计了431组数据，其中等效锥度超过0.40的数据有39组，占比9%。

镟修到限动车组车轮的等效锥度统计见图7。共测试了320组有效数据，车轮与TB60匹配等效锥度最大值为0.46，平均值为0.34。从图7还发现整列动车组等效锥度分布呈现一定的离散性，等效锥度较低的轮对蛇行稳定性较好，但现阶段都是整列进行镟修，镟修经济性还有提升空间。

图6 沪昆、武广高铁的CRH3型系列动车组不同运行里程的车轮等效锥度统计

图7 镟修到限动车组车轮的等效锥度统计

2014—2015年部分构架蛇行失稳报警的轮对等效锥度统计见图8，报警等效锥度平均值为0.36，标准偏差0.04。以前LMB型车轮踏面失稳的经验等效锥度限值为0.35，但从2015年下半年采用了钢轨廓形优化、钢轨打磨、悬挂参数优化、车轮踏面外形优化与镟修、镟床升级等措施后，根据实际测试结果等效锥度限值可以适当提高。

图8 2014—2015年部分构架蛇行失稳报警的轮对等效锥度统计

综合以上研究，LMB型车轮踏面的服役等效锥度（与TB60标准钢轨廓形匹配）建议限值为0.40。针对LMA、LMC、LMD型3种动车组服役车轮踏面也进行了全面研究，得出不同速度级的4种车轮踏面服役等效锥度建议限值（见表5）。

表5 服役等效锥度建议限值

5 结束语

等效锥度指标可以较准确反映动车组的横向性能。等效锥度应在合理范围内取值，过高会导致构架发生蛇行运动，过低会导致车体晃车。通过调研与试验提出镟修后初始等效锥度限值，避免镟修后轮轨匹配等效锥度过低导致车体晃车。通过对服役动车组等效锥度的跟踪、镟修到限等效锥度分布范围与报警轮对等效锥度值统计，提出LMA、LMB、LMC、LMD型4种车轮踏面不同速度级的服役等效锥度限值，进而评估动车组横向稳定性。提出等效锥度限值只是第一步，以后还将通过不断进行测试与分析，进一步完善、修正等效锥度限值，以实现工程推广应用。

[1]许自强，董孝卿，朱韶光，等．高速动车组转向架 横向稳定性研究[R]．北京：中国铁道科学研究院机 车车辆研究所，2016．

[2]OLDRICH POLACH．Characteristic parameters of nonlinear wheel/rail contact geometry[C]. Vehicle System Dynamics, 2010.

[3]董孝卿，王悦明，倪纯双，等．服役动车组车 轮踏面等效锥度运用管理研究[J]．铁路技术创新， 2015(2)：83-87.

[4]Rolling Stock Subsystem TSI，2008／232／EC[S].

[5]International Union of Railways．UIC 518：2005 Testing and approval of railway vehicles from point of view of their dynamic behavior-safety-track fatigue-ride quality[S].

[6]王福天．车轮动力学[M]．北京：中国铁道出版社，1981.

[7]董孝卿．京津城际铁路动车组车轮运用情况深入研 究[R]．北京：中国铁道科学研究院机车车辆研究 所，2010．

[8]周清跃，俞喆，刘丰收，等．动车组构架报警效果 研究[J]．中国铁路，2016(9)：35-39．

Research on Limit Value of Equivalent Conicity Based on Lateral Stability of EMU Trains

XU Ziqiang
（Locomotive & Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The geometric matching of wheel-rail contact directly affects the vibration performance of EMU trains. Wheel-rail mismatching may cause several problems such as EMU structure’s lateral acceleration alarm and train shaking. Based on the research on the initial equivalent conicity and train shaking after lathing, the limit value of initial equivalent conicity after lathing was proposed and the lathing quality was evaluated in this paper. Based on tracking of equivalent conicity of EMU trains in operation, distribution range of equivalent conicity and statistics of equivalent conicity value of wheel sets in alarm, this paper proposed the limit value of equivalent conicity at diferent speed levels regarding four types of wheel treads, LMA, LMB, LMC and LMD respectively. The paper also evaluated the lateral stability of EMU trains. Wheel management based on limit value of equivalent conicity could be utilized to control the wheel-rail relationship in terms of profle and contact,relieving the problems of lateral acceleration alarm and train shaking. Repairing depending on track condition could be carried out, which makes lathing more economical.

lateral stability；train shaking；limit value of equivalent conicity；LMB-type wheel tread；wheel-rail contact

U270.1+1

A

1001-683X（2017）12-0029-06

10.19549/j.is sn.1001-683x.2017.12.029

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2016G008-E、2016J007-H）；中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（2015YJ047）

许自强（1984—），男，助理研究员，博士。E-mail：87602193@163.com

责任编辑 李凤玲

2017-08-11