动车组车体蛇行失稳机理与影响因素试验研究*

孟 葳

（中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京100081）

动车组服役以来，个别线路出现车体失稳问题，表现为车体2 Hz 以内的低频晃动，也称为车体蛇行或晃车。车体失稳将导致乘客乘坐舒适度显著降低，影响动车组的运行品质。

车体失稳的根本原因是车体固有频率与轮轨激扰频率发生了耦合，轮轨激扰能量传递至车体引起耦合振动导致了车体失稳晃动现象［1-2］。不少学者对引起车体失稳的因素进行了研究，从车辆悬挂参数优化［3-4］、线路激扰［5-6］、轮轨匹配等效锥度［7-8］等方面进行了论证，同时提出了改善措施。

某服役动车组在城际线路出现较大范围的动车组车体失稳晃车问题，同时车体失稳出现了与以往不同的轮轨匹配特征：服役等效锥度随着运行里程呈降低的趋势；钢轨新打磨后部分区段出现明显晃车；车轮踏面磨耗异常。针对动车组轮轨等效锥度新趋势引起的晃车问题，论文展开车体失稳机理与影响因素的试验研究。主要试验工作包括：车辆振动测试、轮轨型面测试与匹配等效锥度分析、旋修质量分析、研磨子与车轮异常磨耗分析、线路轨道不平顺与晃车关系分析、高级修与晃车关系测试等，最终通过试验研究提出控制措施。

1 车体失稳特征分析

车体失稳发生在个别线路区段，为了准确定位晃车线路区段，对晃车动车组运营的多条城际线路进行了添乘测试，测试平稳性结果如图1 所示。由图可知：

（1）添乘测试结果显示城际线路3 的车体失稳最为明显；

（2）车体失稳特征为车体横向振动加速度存在周期性谐波，谐波频率0.6～0.7 Hz，200 km/h 速度级的对应波长约为80 m。晃车导致车体横向平稳性上升，个别动车组平稳性超过2.5 限值标准，乘坐舒适性显著降低。

2 车体失稳原因分析

根据现场运用经验以及一些学者对晃车的研究，论文从轨道、车辆、轮轨匹配、轨道不平顺等方面进行了深入研究，分析车体失稳原因。

2.1 钢轨廓形原因分析

对城际线路3 处车体失稳区段进行了上线调研，实际钢轨光带照片如图2 所示，实测廓形与标准廓形对比如图3 所示，实测轮廓与标准踏面等效锥度对比如图4 所示。分析发现调研区段钢轨的典型特征是：直线区段钢轨光带存在突变，同一侧钢轨的光带宽度在15～35 mm 范围变化，同时钢轨轨距角存在周期性侧磨，侧磨长度约80 m，车辆通过该区段的速度为200 km/h，侧磨波长与0.7 Hz的晃车波长吻合。

图1 动车组车体失稳的振动特征

测试分析直线区段14 个钢轨廓形发现：轨顶（横坐标0～15 mm）范围有11 个廓形出现负偏差，即低于打磨廓形60N，占比79%。轨顶负偏差将使得轮轨接触区域向轨顶集中，降低了轮轨匹配等效锥度；同时仅2 个廓形在±25 mm 范围偏差未超过0.2 mm 的打磨限值，钢轨廓形存在打磨不到位现象。将实测廓形与标准车轮踏面外形匹配，等效锥度结果显示仅2 处大于设计值（与60N 匹配），占比14%。调研区段轮轨匹配等效锥度偏低容易引起车体失稳［1，7］。

综上所述，钢轨打磨不到位导致轮轨匹配等效锥度过低是动车组晃车的主要激发因素，钢轨交替侧磨增加了晃车发生几率。

图2 光带交替变化

2.2 车轮踏面原因分析

（1）服役等效锥度降低问题

对不同旋后运行里程的同型号动车组进行了踏面测试并计算等效锥度，结果统计见表1。不同旋后运行里程等效锥度分布如图5 所示。根据图表可知：新旋修或服役动车组存在等效锥度偏低的现象，平均值小于0.033（设计值0.04）；6 列服役小；最大磨耗区域在踏面90～110 mm 区域，磨耗区域相对滚动圆70 mm 已经偏离超过20 mm（轮轨横移量最大约为15 mm），非实际轮轨接触区域。

2.3 研磨子作用分析

动车组转向架安装了研磨子（也称为踏面清扫动车组等效锥度随着旋后运行里程增加总体呈负增长趋势。

（2）车轮踏面异常磨耗

等效锥度降低的动车组车轮踏面存在异常磨耗现象，旋后运行12 万km 的动车组车轮踏面测试结果如图6 所示，其中图6（a）为实测踏面与标准踏面在滚动圆区域对比图，图6（b）为轮轨接触特性，图6（c）为实测踏面照片。该服役车轮踏面存在2 个特征：接触区域集中在65～80 mm，滚动圆70 mm 处踏面斜率小于标准外形，匹配等效锥度偏装置），研磨子具有提高轮轨黏着系数的作用，对抑制车轮接触疲劳、预防踏面等效锥度上升过快有良好作用。

图3 实测廓形与标准廓形对比

图4 实测廓形与标准踏面等效锥度对比

表1 车体失稳动车组踏面锥度测量结果

图5 不同服役里程等效锥度统计

图6 车体失稳动车组车轮踏面外形与接触特性

上节发现等效锥度随运行里程呈降低趋势，为了验证研磨子作用对等效锥度的影响，选取一列动车组对3 车厢的研磨子进行了切除，并跟踪动车组车轮运用等效锥度的演变规律，结果如图7 所示。研究发现：

（1）研磨子作用的车等效锥度随着运行里程的增加有略微降低的趋势；其中旋后运行2.8 万km时，等效锥度相比旋后降低，此后随着运行里程进一步增加等效锥度降低不明显。

（2）动车组3 车厢在旋后运行1.5 万km 切除研磨子，当运行2.8 万km 等效锥度相比旋后初始值降低；此后等效锥度随运行里程增加而快速增加；当运行至12.3 万km，3 车厢等效锥度平均值达到0.15。切除研磨子后等效锥度快速增加，10 万km等效锥度增加了0.11，在旋修末期可能引起转向架蛇行失稳问题。

图7 不同车厢等效锥度随运行里程变化趋势

综上所述，研磨子作用抑制了等效锥度的增加。由于研磨子起到增黏、抑制车轮接触疲劳、控制车轮多边形的作用，不能切除研磨子，可以研究优化研磨子作用方式，改善等效锥度负增长的趋势。

2.4 旋修质量影响分析

旋修初期车体失稳与旋修质量也存在密切关系。调研发现旋床旋修薄轮缘外形后等效锥度低于设计值，原因是旋修程序采用欧洲标准，薄轮缘外形旋后等效锥度低。2019 年11 月依据［2019］100 号文《动车组车轮轮缘踏面外形暂行技术条件》对旋床的旋修程序进行了升级。旋床升级后，现场测试显示旋修等效锥度由0.025 增加至0.039，达到了提高旋修初始等效锥度的目的，对比结果如图8 所示。

图8 旋床升级前后旋修等效锥度对比

2.5 其他影响因素分析

（1）等效锥度总体趋势分析

对全路2018～2019 年以来该型号动车组旋修前的等效锥度进行了统计。统计发现：旋修前等效锥度偏低的现象普遍存在，部分路局旋修前平均等效锥度在0.05 内，但是其他路局未发生频繁车体失稳的问题，仅在个别线路区段偶有出现。旋修前等效锥度统计可知：车体失稳与运行线路的钢轨状态密切相关，实际钢轨廓形与实际车轮踏面匹配等效锥度低容易引起车体失稳现象。

（2）轨道不平顺影响分析

为了分析城际线路3 部分区段车体失稳与轨道不平顺相关性，利用高速综合检测列车检测了失稳区段的轨道不平顺数据。其中长波高低和长波轨向通道检测波长范围为1.5～120 m，图9 为轨道不平顺的PSD 曲线。通过波形对比得到如下结论：失稳线路区段的轨道几何幅值较小，且基本没有变化；长波轨向和车体横向加速度不存在明显周期性成分；但局部区段长波轨道、高低存在周期性成分，波长约为80 m。轨道不平顺对车体失稳是激扰因素之一，但测试城际线路的80 m 波长激扰不突出，应不是车体失稳的主要因素。

（3）动车组悬挂参数影响分析

利用高级修对部分动车组进行了悬挂参数检查，结果显示所有悬挂参数均在检修标准规定范围内。悬挂参数不是引起车体失稳的主要原因。

图9 失稳区段高低和轨向频谱图

3 车体失稳机理分析

（1）车体失稳机理分析

通过大量的现场调研与测试发现车体失稳的主要原因是轮轨匹配异常即等效锥度偏低。在服役动车组悬挂参数未变的情况下，新打磨的城际线路车体失稳问题凸显，钢轨打磨不到位导致等效锥度偏低诱发了动车组晃车，为主要因素；另一方面研磨子抑制了等效锥度的增加，导致车体失稳在旋修周期内持续发生，没有随着车轮运用而消失。

（2）服役过程中等效锥度负增长原因

我国动车组车轮在运用过程中在踏面滚动圆70 mm 附近容易形成凹磨［9］，研磨子可以减小踏面凹磨深度，防止等效锥度快速增大导致构架失稳。但是该型号动车组由于存在车体失稳，旋修初期，车轮踏面接触区域扩大，滚动圆65～80 mm 区域磨耗均匀，等效锥度增加缓慢，在滚动圆处也未形成凹磨。再加上接触区域存在表面硬化，研磨子作用下非接触区域踏面外侧的磨耗效果得到凸显，导致等效锥度随运行里程增加呈负增长趋势。

（3）其他因素对车体失稳影响

动车组高级修、悬挂参数对车体失稳和等效锥度负增长的影响不明显；轨道不平顺对车体失稳存在加剧作用，但车体晃动的波长与轨道不平顺的主要波长相关性不强，不是主要因素；车轮旋修方式优化后由旋修引起的等效锥度偏低得到了控制。

4 结论与建议

针对某路局出现的持续车体失稳现象，通过试验验证分析，建议采取以下措施进行控制：

（1）钢轨打磨偏差调整

钢轨标准打磨廓形与LMA 踏面匹配等效锥度偏小（0.031），当钢轨经过打磨，等效锥度容易低于晃车的经验限值0.028。建议钢轨打磨以60N 或60D 为目标廓形时，按照上偏差打磨，保证打磨后的钢轨廓形在横坐标-5～15 mm 范围内，型面曲线在标准TB60 轨和60N 轨之间，使得轮轨接触的范围更宽。

（2）提升车轮旋修质量

通过旋床旋修程序升级，提高了薄轮缘踏面的旋修等效锥度，新旋修踏面等效锥度平均值从0.025 提升到0.039，增加56%。旋后动车组晃车问题得到改善。动车组旋修后的踏面应检查等效锥度值，对旋后等效锥度幅值小于0.03 的轮对进行二次旋修。

（3）研磨子作用建议

研磨子的主要作用是增黏、抑制踏面疲劳、控制车轮多边形，但研磨子对等效锥度的增加也存在抑制作用。切除研磨子对车辆运行稳定性、车轮疲劳存在较大风险，不宜采用。建议优化研磨子作用方式，通过研磨子作用压力、作用时间的优化降低研磨子对等效锥度的抑制作用。