孟繁國(guó) 張紫龍 馬德東

(1. 中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司， 沈陽(yáng) 110001； 2. 中鐵物總運(yùn)維科技有限公司， 北京 100036)

沈丹客運(yùn)專線于2015年9月1日開(kāi)通，全線鋪設(shè)CRTS Ⅲ型軌道板和60 kg/m、 U71MnG鋼軌，設(shè)計(jì)速度250 km/h，線路長(zhǎng)207.756 km，最大坡度24.6‰；全線隧道58座，總長(zhǎng)90.115 km。運(yùn)行車輛為CRH380B和CRH5型動(dòng)車組，日均運(yùn)行列車27對(duì)，其中CRH5型動(dòng)車組20對(duì)、CRH380B型動(dòng)車組7對(duì)。

沈丹客運(yùn)專線從2016年開(kāi)始出現(xiàn)動(dòng)車組車體抖動(dòng)問(wèn)題，表現(xiàn)為車廂橫向、垂向的異常振動(dòng)。CRH5G型動(dòng)車組在隧道內(nèi)抖動(dòng)較明顯，占抖動(dòng)區(qū)間長(zhǎng)度的85.2%。因受軌道形式等因素限制，目前僅能通過(guò)鋼軌大機(jī)打磨的方式緩解動(dòng)車組抖動(dòng)問(wèn)題。

鋼軌廓形打磨能有效改善輪軌接觸關(guān)系，降低車體振動(dòng)，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命[1-5]。因此，如何評(píng)價(jià)大機(jī)打磨對(duì)車輛抖動(dòng)問(wèn)題的改善情況，以及確定合理的打磨周期，最大程度地提高打磨效率，成為當(dāng)前迫切需要研究解決的問(wèn)題。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及數(shù)據(jù)測(cè)試

選取不同線路條件的典型試驗(yàn)段進(jìn)行定期觀測(cè)，采集區(qū)間內(nèi)鋼軌廓形、光帶分布、軌面平順度(波磨)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)；固定車型CRH5型動(dòng)車組，采集鏇輪后的車輪踏面數(shù)據(jù)以及不同線路條件下車體振動(dòng)加速度[6-8]。

1.1 試驗(yàn)車體選取

選取CRH5G-5163進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)，該車運(yùn)行里程156.2萬(wàn)km，鏇輪后走行2.36萬(wàn)km，且車況較好，具有一定代表性。

1.2 線路試驗(yàn)段選取

綜合分析沈丹客運(yùn)專線2016年以來(lái)的日常添乘數(shù)據(jù)，針對(duì)普通工況(隧道外坡度6‰以下直線地段)、隧道工況、曲線工況和坡道工況(坡度20‰以上的長(zhǎng)大坡道)等不同的線路條件，確定了線路觀測(cè)試驗(yàn)段，其中普通工況為本次試驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)工況。

1.3 車體振動(dòng)加速度采集

利用平穩(wěn)性測(cè)試儀對(duì)車體振動(dòng)加速度進(jìn)行采集，采集數(shù)據(jù)包括縱向(X)、橫向(Y)和垂向(Z)3個(gè)方向的振動(dòng)加速度。添乘儀器采樣頻率為 2 000 Hz，精度為0.01 g。采集時(shí)間為2018年5月17日、6月29日、8月23日和9月27日，采集位置為1號(hào)車尾部、2號(hào)轉(zhuǎn)向架中心左側(cè)1 m附近。采集方式為全線通采，列車每次啟動(dòng)后開(kāi)始采集、每次停車后停止采集。

1.4 車輪踏面廓形采集

利用miniprof車輪廓形測(cè)量?jī)x，在沈陽(yáng)南動(dòng)車所對(duì)CRH5G-5163車輪數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，車輪測(cè)量編號(hào)如圖1所示。

圖1 車輪測(cè)量編號(hào)圖

鏇輪后不同階段的車輪踏面磨耗情況如圖2所示，從圖2可以看出車輪踏面磨耗形式主要為踏面凹形磨耗，同時(shí)伴隨著輕微輪緣磨耗。鏇輪后運(yùn)行23.7萬(wàn)km時(shí)，踏面最大磨耗值達(dá)2.09 mm，并形成“假輪緣”，最大輪緣磨耗約0.58 mm。

圖2 動(dòng)車組車輪踏面磨耗情況圖

1.5 試驗(yàn)段鋼軌數(shù)據(jù)采集

對(duì)試驗(yàn)段的鋼軌情況進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)，觀測(cè)內(nèi)容包括鋼軌廓形、光帶分布、軌面平順度(波磨)等。鋼軌廓形測(cè)點(diǎn)采集間隔為300～500 m，共采集廓形34組；利用波磨測(cè)量?jī)x采集試驗(yàn)段內(nèi)軌面不平順數(shù)據(jù)。

2 不同線路條件下車體振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)分析

根據(jù)沈丹客運(yùn)專線添乘數(shù)據(jù)獲得不同線路條件下的車體振動(dòng)加速度的數(shù)據(jù)，分別研究了隧道工況、坡道工況和曲線工況下和普通工況下的車體振動(dòng)加速度對(duì)比情況。

2.1 隧道工況

隧道工況與普通工況典型車體振動(dòng)加速度對(duì)比曲線如圖3所示。

圖3 隧道工況與普通工況車體振動(dòng)加速度對(duì)比圖

從圖3可以看出，隧道工況下車體橫向、垂向振動(dòng)加速度相對(duì)普通工況增幅明顯，普通工況下車體橫向、垂向振動(dòng)加速度幅值分別約為0.04 g和0.05 g，而隧道工況下車體橫向、垂向振動(dòng)加速度幅值分別約為0.07 g和0.1 g，增幅分別為75%和100%；普通工況車體橫向、垂向振動(dòng)加速度均方根值分別為 0.011 7 g和 0.016 4 g，隧道工況車體橫向、垂向振動(dòng)加速度均方根值分別為 0.019 7 g和 0.030 5 g，增幅分別為68%和86%。

2.2 坡道工況

坡道工況與普通工況車體橫向、垂向振動(dòng)加速度對(duì)比曲線如圖4所示。

圖4 坡道工況與普通工況車體振動(dòng)加速度對(duì)比圖

從圖4可以看出，坡道工況下車體橫向、垂向振動(dòng)加速度相對(duì)普通工況相比增幅不大。坡道工況下車體橫向、垂向振動(dòng)加速度幅值分別約為0.045 g和0.56 g，增幅約12.5%和12%；均方根值分別為 0.014 2 g和 0.021 8 g，增幅分別為20%和33%。

2.3 曲線工況

曲線工況與普通工況車體橫向、垂向振動(dòng)加速度對(duì)比曲線如圖5所示。

圖5 曲線工況與普通工況車體振動(dòng)加速度對(duì)比圖

從圖5可以看出，曲線工況下車體橫向、垂向振動(dòng)加速度幅值分別約為0.05 g和0.06 g，與普通工況相比，分別增大約25%和20%；均方根值分別為 0.013 8 g和 0.019 8 g，增幅分別為18%和21%。

曲線工況下車體橫向加速度曲線相對(duì)普通工況發(fā)生了明顯偏移，這是由于車輛通過(guò)曲線時(shí)在離心力作用下出現(xiàn)了未被平衡的橫向加速度，由此車體橫向振動(dòng)加速度整體向負(fù)方向發(fā)生偏移。

3 不同車輪踏面磨耗下車體振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)分析

鋼軌廓形打磨前，普通工況下車輛鏇輪后運(yùn)行8.69萬(wàn)km和鏇輪后運(yùn)行23.7萬(wàn)km時(shí)車體橫向、垂向振動(dòng)加速度對(duì)比曲線如圖6所示。

圖6 不同車輪踏面車體實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度對(duì)比圖

從圖6可以看出，鏇輪后運(yùn)行8.69萬(wàn)km時(shí)車體橫向、垂向振動(dòng)加速度幅值分別約為0.05 g和 0.06 g，鏇輪后運(yùn)行23.7萬(wàn)km時(shí)車體橫向、垂向振動(dòng)加速度幅值分別約為0.07 g和0.08 g，車體橫向、垂向加速度幅值分別增大40%、33%，均方根值分別增大16.6%、16.7%。

4 鋼軌廓形打磨前后車體平穩(wěn)性對(duì)比

為研究鋼軌廓形打磨對(duì)車體平穩(wěn)性的影響，對(duì)比分析沈丹客運(yùn)專線下行線K 107～K 115區(qū)間6月份打磨前和9月份打磨后的添乘數(shù)據(jù)，打磨前后車體振動(dòng)加速度、車體平穩(wěn)性指標(biāo)對(duì)比如圖7、圖8所示。

圖7 廓形打磨前后車體振動(dòng)加速度對(duì)比圖

圖8 廓形打磨前后車體平穩(wěn)性指標(biāo)對(duì)比圖

從圖7、圖8可以看出，鋼軌廓形打磨后動(dòng)車組車體橫向、垂向加速度幅值以及橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于廓形打磨前。由此可見(jiàn)，鋼軌廓形打磨可以減小車體振動(dòng)加速度、提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性。

5 實(shí)測(cè)鋼軌數(shù)據(jù)分析

5.1 鋼軌GQI分析

GQI(grinding quality index)用于評(píng)價(jià)鋼軌打磨后廓形與設(shè)計(jì)廓形的貼合情況，貼合程度越高GQI值越高，最高值為100。對(duì)試驗(yàn)段鋼軌廓形進(jìn)行GQI評(píng)價(jià)，上行線K 83.5～K 87.5區(qū)間左右股鋼軌的GQI平均值為94.2、93.4，整體水平優(yōu)良，各測(cè)點(diǎn)GQI值如圖9所示。

圖9 上行K 83.5-K 87.5區(qū)間鋼軌GQI圖

5.2 廓形差異性分析

根據(jù)鐵總運(yùn)[2014]357號(hào)《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求[8]，運(yùn)行速度大于200 km/h的線路左、右股鋼軌廓形在-25 mm～+25 mm范圍時(shí)最大偏差值應(yīng)在±0.2 mm內(nèi)，左右股鋼軌廓形差異較小、廓形較為對(duì)稱。

通過(guò)分析左、右股鋼軌打磨前后廓形偏差可知，打磨前廓形最大差異超過(guò)0.5 mm，打磨后廓形差異均在0.2 mm以內(nèi)，左、右股廓形基本對(duì)稱。分析同股鋼軌廓形偏差值可知，打磨前廓形最大差異超過(guò)1 mm，打磨后廓形偏差在0.15 mm以內(nèi)，一致性滿足要求。整體打磨效果優(yōu)良。

5.3 鋼軌磨耗分析

沈丹客運(yùn)專線鋼軌廓形4次測(cè)量變化情況如圖10所示。從圖10可以看出，打磨后廓形變化主要發(fā)生在軌頂光帶接觸位置，每月磨耗量約為0.018 mm，年平均磨耗約為0.216 mm?？芍? a內(nèi)鋼軌廓形偏差值將超過(guò)0.4 mm，根據(jù)鐵總運(yùn)[2014]357號(hào)《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求，此時(shí)需對(duì)鋼軌廓形進(jìn)行打磨修正。

圖10 沈丹鋼軌廓形變化情況圖

5.4 鋼軌光帶分析

根據(jù)打磨后鋼軌光帶寬度、光帶內(nèi)側(cè)距工作邊距離和光帶外側(cè)距非工作邊距離現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)情況可知，光帶位置基本居中，略偏內(nèi)。實(shí)驗(yàn)段典型光帶情況如圖11、圖12所示。

圖11 上行K 115+000位置光帶圖

圖12 下行K 115+000位置光帶圖

由圖11、圖12可以看出，鋼軌光帶寬度在25～30 mm之間，位置居中，左右股對(duì)稱，無(wú)波浪形磨耗和主次光帶現(xiàn)象。左、右股鋼軌光帶內(nèi)側(cè)距工作邊距離平均值分別為22 mm、22.1 mm，光帶寬度無(wú)明顯差異。左、右股鋼軌光帶內(nèi)側(cè)距軌距角寬度平均值分別為18.7 mm、19.4 mm，二者差異在合理范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)沈丹客運(yùn)專線線路條件與鋼軌打磨對(duì)動(dòng)車組車體振動(dòng)的影響進(jìn)行研究，得到以下主要結(jié)論：

(1)車體振動(dòng)加速度與車輪凹形磨耗程度成正比。隧道內(nèi)車體橫向、垂向振動(dòng)加速度幅值明顯大于其它工況，曲線工況和長(zhǎng)大坡道工況未見(jiàn)明顯增加。

(2)鋼軌打磨后鋼軌廓形打磨可顯著改善車體振動(dòng)情況、提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性。

(3)建議每2～3 a對(duì)沈丹客運(yùn)專線鋼軌廓形進(jìn)行打磨修正，隧道內(nèi)打磨周期可適當(dāng)縮短。