轮轨异常高频振动及其影响研究

周义涵

中国铁路郑州局集团有限公司科学技术研究所 河南郑州 450000

摘要:本文首先对高频振动的问题进行了综述；分析轨道的不平顺以及轮轨接触理论。取某型动车组进行试验，利用实验仪器设备m/wheel对动车组轮对进行镟修前、后不圆度测量。得出试验轮对动车二车3轴存在27阶多边形，最大幅值13dB（0.0045mm），在200km/h速度下的主振频率为548Hz，镟修后高阶多边形消失。对该型动车组进行线路试验，结果表明，总体状态良好，镟修前后轮对测点的振动加速度最大值56.31g；轴箱振动加速度最大值31.88g；构架横向、垂向振动加速度最大值0.36g与2.3g；车体横向、垂向平稳性最大值2.06与3.11；一系垂向最大位移10.4mm。通过分析振动加速度全程时频图，发现轴箱、构架、车轴存在主要频率有：轮对弯曲频率80Hz、26~27阶车轮多边形频率540Hz、波长80mm轨道波磨频率720Hz、动车组固有频率800Hz、波长60mm~70mm的钢轨波磨频率800~900Hz。

关键词：高频振动；轮轨接触；镟修

国Nielsen J C O和Johansson A[11-14]通过试验采集车轮和钢轨冲击载荷的振动数据，并进行数据分析研究，总结车轮不圆度主要是出现1-5次谐波，提出消除车轮不圆或者减慢车轮不圆发展的建议。Kuntze H. B.[15]参照德国高速列车的结构参数建立了车轮磨耗仿真计算模型，通过仿真车轮初始不圆化的发展变化情况，结果发现两种现象：一种车轮不圆磨耗逐渐加剧；一种车轮不圆由低阶次向高阶次不圆进行转变。Ekberg A等[16]进行了高频动力轨道相互作用的综合模拟和RCF冲击预测，以评估短距轨道波磨对铁路车轮RCF的影响，确定可能产生RCF影响的操作条件。Wu X等[17]通过有限元法建立车辆轮轴模型，建立了具有柔性轮组的车辆-轨道耦合动力学模型，以研究车轮多边形磨损对车辆轮轴动态应力的影响。分析了基于模态应力恢复方法的多边形磨损引起的车轮轴的高频振动和动应力。Jin X S和Wen Z F[18,19]建立线性摩擦工作模型和弯曲轨道耦合的半轨道车辆的动力学计算模型，研究了不同波长和深度的情况下，轨道波磨对车辆的动力学行为的影响。

1 轨道传感器的布置

下根据兰新客专线路设置与试验计划，选取长大下坡区段K1724与相邻直线区段进行试验。试验开始前，试验人员上线对该区段进行调研，测试试验区段钢轨特性与钢轨状态。

表3.2-2 轨道振动测试方案

轨道测试测点布置如图1-1所示：

①分别在20‰坡道和相邻直线区段布置2个断面；

②传感器测点位置，钢轨、弹条、轨枕、轨道板；应力测点位置：轨腰位置；

③ 一个断面共布置共4个加速度测点、8个轮轨力测点以及4个位移测点，共16个通道。

图1-1 部分测点布置图

2 轨道振动测试实验分析研究

2.1 各部件振动特性的幅值与主频

振动加速度的采样频率为5000Hz，统计试验车镟修后振动加速度在0~2000Hz范围内的主频，如图2-1~图2-2所示。

图2-1 试验车通过长下坡段时轨道加速度主频统计

图2-2试验车通过直线段时轨道加速度主频统计

根据图2-1和图2-2可看出：试验车通过两个不同区段时，轨道结构振动加速度的主频有所差别，频率统计见表2-1。从表中可以看出：钢轨的主频率为946Hz、1030Hz，与轨道模态测试结果基本一致；弹条的主要频率为513~526Hz，坡道上还存在651Hz（该频率与模态测试的585Hz频率接近），钢轨的主频在弹条上也有出现，但不是主要频率；轨道板的主频包含了钢轨与弹条的频率，但是轨道板质量大振动加速度幅值较小。

2.2振动传递分析

图2-5~图2-7为动车组通过波磨区段时各测点垂向振动加速度时域、频率以及加速度级对比图。

动车组以204km/h通过波磨波磨区段时，动车组各部件的振动加速度显著增加，车轴、盘毂、轴箱、构架、车体的垂向振动加速度最大值分别达到34.18g、38.69g、26.08g、16.83g、0.33g。总的来说轮对上的测点振动加速度最大，向上传递振动加速度幅值降低。

从频域来看，各测点都出现了800Hz~900Hz的主振频率，该频率为钢轨波磨频率；轮对测点（车轴、盘毂）主频率比较分散，低频、高频都有被激发的主频；轴箱、构架的主频率就是800Hz~900Hz频率以及其1倍频；车体主频率在50Hz以内，800Hz~900Hz频率传递到车体振动幅值已大大降低。

从速度级图来看，在800Hz~900Hz频率段，车轴、盘毂、轴箱、构架的振动加速度级基本相当，说明该频率传递时并没有明显衰减，到了车体后才大大衰减。

图2-5镟修前测点垂向振动加速度时域波形

图2-6镟修前测点垂向振动加速度频域波形

图2-7镟修前测点垂向振动加速度级对比

2.3 镟修后波磨区段运行分析

镟后动车组通过波磨区段的垂向、横向振动加速度时域、频域与速度级对比见图2-8~2-13.

（1）各测点垂向振动加速度最大值分别为21.06g、21.96g、31.60g、17.63g、0.16g；横向振动加速度最大值分别为39.00g、22.99g、6.99g、17.49g、0.10g；对比镟修前差别不明显。

（2）从频域以及加速度级来看，镟修后各测点振动加速度主频仍为800~900Hz以及其1倍频。

图2-8测点垂向振动加速度时域波形对比

图2-9测点垂向振动加速度频域波形对比

图2-10 测点垂向振动加速度级对比

图2-11测点横向振动加速度时域波形对比

图2-12测点横向振动加速度频域波形对比

图2-13测点横向振动加速度级对比

2.4长下坡段振动传递特性分析

镟修后，长下坡段钢轨、弹条、轨道板之间的垂向振动加速度传递，如图2-14~图2-15所示。

（1）跨端的主频率为946Hz与1020Hz；跨中的主频率为760Hz、946Hz、1020Hz，幅值小于跨端；扣件的主频率为520Hz、650Hz。

（2）钢轨主频率946Hz、1020Hz为钢轨固有频率。

（3）弹条被激起的520Hz、650Hz为轮轨激扰频率与扣件固有频率，从4.3节发现520Hz频率在镟前、镟后都存在，该频率为扣件固有频率；650Hz为轮轨激扰频率。

（4）轨道板振动加速度幅值较小，但钢轨、弹条频率在轨道板都有出现。

图2-14 钢轨、弹条、轨道板垂向振动加速度

图2-15 钢轨、弹条、轨道板垂向振动加速度级

镟修后，长下坡段钢轨、弹条、轨道板之间的横向振动加速度传递，如图2-16~图2-17所示。

镟修后钢轨主频率未变；轮轨激扰没有500~700Hz的频率，弹条固有频率未被完全激发出来。

图2-16钢轨、弹条、轨道板横向振动加速度

图2-17 钢轨、弹条、轨道板横向振动加速度级

3 结论

本文首先对轮轨高频振动研究现状进行综述，详细介绍了高频振动检测原理；开展了传感器选型、安装布置研究；研究了高频振动的产生因素，利用实际服役动车组进行试验、采集数据、分析研究：

（1） 试验期间，试验转向架各测点的振动加速度未出现异常大值。统计镟修前后测试数据发现：轮对测点的振动加速度最大值56.31g；轴箱振动加速度最大值31.88g；构架横向、垂向振动加速度最大值0.36g与2.3g；车体横向、垂向平稳性最大值2.06与3.11；一系垂向最大位移10.4mm。

（2） 轨道振动测试发现：下坡段轨道的作用力大于直线段。从镟修后钢轨、弹条（扣件）、轨道板振动加速度频率分析发现：钢轨的主频率为940Hz~1100Hz；弹条的主频率为510~530Hz，部分数据存在650Hz频率；轨道板频率与钢轨相似，但是幅值较小。车轮镟修降低了轨道测点的振动加速度，降低幅度为15％~66％。

（3）车辆和轨道动态和静态试验得到的主振频率统计见表6.1-1，由图表可知：500~600Hz为频率密集区，其中包含轮对、扣件的固有频率，车轮多边形与钢轨波磨频率等。720Hz频率与钢轨波磨频率相对应，同时扣件也存在相近的固有频率。

表6.1-1 频率统计

参考文献

[1] Nielsen J C O, Johansson A. Out-of-round railway wheels-a literature survey[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F Journal of Rail & Rapid Transit, 2000, 214(F):79-91.

[2] Morys,Kuntze H B. Simulation analysis and active compensation of the out-of-round phenomena at wheels of high speed trains[C]//Proceedings of the World Congress on Railway Research WCRR. 1997, 97:16-19.

[3] Ekberg A, Kabo E, Nielsen J C O, et al. Subsurface initiated rolling contact fatigue of railway wheels as generated by rail corrugation[J]. International Journal of Solids & Structures, 2007, 44(24):7975-7987.

[4] Wu X, Chi M, Wu P. Influence of polygonal wear of railway wheels on the wheel set axle stress[J]. Vehicle System Dynamics, 2015, 53(11):1535-1554.

[5] Jin X S, Wen Z F, Wang K Y, et al. Three-dimensional train–track model for study of rail corrugation[J]. Journal of Sound & Vibration, 2006, 293(3–5):830-855.