陳德賽，吳華麗

(1.四川省成都市第七中學(xué)，成都 610041；2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

動(dòng)車(chē)組車(chē)輛橫向失穩(wěn)原因辨識(shí)方法研究

陳德賽1，吳華麗2，*

(1.四川省成都市第七中學(xué)，成都 610041；2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

動(dòng)車(chē)組車(chē)輛橫向穩(wěn)定性是車(chē)輛服役安全的評(píng)估指標(biāo)，曾發(fā)生多起橫向失穩(wěn)故障。通過(guò)橫向失穩(wěn)的失效鏈路分析，根據(jù)車(chē)輛橫向失穩(wěn)的特征頻率、振動(dòng)傳遞關(guān)系，辨識(shí)了車(chē)輛橫向失穩(wěn)的3類(lèi)原因。通過(guò)輪對(duì)、軸箱和構(gòu)架異常振動(dòng)，結(jié)合車(chē)輛運(yùn)行線路，辨識(shí)踏面異常磨耗是車(chē)輛橫向失穩(wěn)的主要原因；通過(guò)構(gòu)架和車(chē)體枕梁的振動(dòng)傳遞關(guān)系，辨識(shí)蛇行減振器和二系橫向減振器阻尼值減小是車(chē)輛橫向失穩(wěn)的主要原因；通過(guò)構(gòu)架振動(dòng)的多邊形特征頻率，辨識(shí)車(chē)輪多邊形是車(chē)輛橫向失穩(wěn)的主要原因。提出的車(chē)輛橫向失穩(wěn)原因辨識(shí)方法應(yīng)用于某型動(dòng)車(chē)組，為該型動(dòng)車(chē)組橫向失穩(wěn)原因辨識(shí)提供了參考。

鐵道車(chē)輛；橫向失穩(wěn)；失穩(wěn)影響因素；失效鏈路；失穩(wěn)原因辨識(shí)

0 引言

動(dòng)車(chē)組在2015年5～7月期間發(fā)生了7起橫向失穩(wěn)故障，至今其橫向失穩(wěn)原因沒(méi)有明確解釋。

國(guó)內(nèi)有大量的學(xué)者研究過(guò)鐵路車(chē)輛橫向失穩(wěn)。董浩[1]對(duì)鐵道車(chē)輛運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性機(jī)理及分岔類(lèi)型進(jìn)行了深入研究。賈璐等[2-3]分別采用構(gòu)架加速度幅值、輪對(duì)加速度均方根值、構(gòu)架加速度均方根值、輪軌導(dǎo)向力之和均方根值、UIC構(gòu)架加速度幅值來(lái)表征車(chē)輛橫向失穩(wěn)，并對(duì)比分析了5種評(píng)價(jià)方法下所得臨界速度，這5種橫向失穩(wěn)表征方法可作為借鑒。陳政南等[4]對(duì)車(chē)體和構(gòu)架橫向加速度、輪軸橫向和輪軸垂向力3個(gè)方面在車(chē)輛橫向失穩(wěn)時(shí)呈現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)性能特征進(jìn)行了分析，歸納和總結(jié)可以通過(guò)構(gòu)架和車(chē)體的橫向振動(dòng)加速度來(lái)評(píng)判車(chē)輛是否橫向失穩(wěn)，還可以通過(guò)輪軌橫向力和垂向力出現(xiàn)的特征來(lái)輔助判斷；田光榮[5]針對(duì)鐵路貨車(chē)的時(shí)域和頻域特征，提出了我國(guó)鐵路貨車(chē)蛇行失穩(wěn)評(píng)判的限值；甘敦文[6]采用統(tǒng)計(jì)特征量來(lái)描述高速列車(chē)橫向失穩(wěn)，建立描述高速列車(chē)車(chē)輛橫向加速度信號(hào)分布的高速列車(chē)高斯混合振動(dòng)模型，基于貝葉斯聚類(lèi)算法實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)橫向穩(wěn)定性的識(shí)別；張雪珊等[7]采用數(shù)值仿真的方法，研究了高速車(chē)輪橢圓化問(wèn)題將導(dǎo)致車(chē)輛系統(tǒng)橫向蛇行失穩(wěn)，嚴(yán)重惡化其運(yùn)行品質(zhì)，并大大降低其橫向穩(wěn)定性。以上學(xué)者對(duì)鐵道車(chē)輛運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性機(jī)理、振動(dòng)特征和辨識(shí)方法進(jìn)行了研究，但目前尚未開(kāi)展基于車(chē)輛系統(tǒng)振動(dòng)辨識(shí)車(chē)輛系統(tǒng)橫向失穩(wěn)原因的研究。

本研究在對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)穩(wěn)定性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為，建立車(chē)輛系統(tǒng)橫向失穩(wěn)鏈路，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展基于車(chē)輛振動(dòng)的橫向失穩(wěn)原因辨識(shí)研究，研究數(shù)據(jù)均來(lái)源于課題組研究工作。

1 車(chē)輛橫向失穩(wěn)機(jī)理及失穩(wěn)影響因素分析

1.1 車(chē)輛橫向失穩(wěn)機(jī)理

車(chē)輛橫向穩(wěn)定性機(jī)理研究用到的評(píng)價(jià)指標(biāo)為臨界速度，圖1為3種典型的系統(tǒng)失穩(wěn)分岔形式，其中最靠近坐標(biāo)左側(cè)的失穩(wěn)速度(圖1a、1b中的B點(diǎn))為非線性臨界速度，橫坐標(biāo)軸上的失穩(wěn)速度點(diǎn)A為線性臨界速度，車(chē)輛橫向穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)為非線性臨界速度[8]。

圖1 典型失穩(wěn)分岔形式Fig.1 Typical bifurcation form of lateral instability

1.2 車(chē)輛橫向穩(wěn)定性影響因素研究

本研究通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立某型動(dòng)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。車(chē)輛蛇行臨界速度計(jì)算采用的軌道激擾類(lèi)型為理想軌道不平順，即假定軌道不平順?lè)禐?，僅在初始條件下給車(chē)輛施加一橫向脈沖激擾；計(jì)算方法采用“恒速”法，即給定某一計(jì)算速度，觀察在初始激擾下構(gòu)架蛇形運(yùn)動(dòng)的收斂情況，若收斂則增大計(jì)算速度，反之則降低速度，直至找到列車(chē)穩(wěn)定的最大運(yùn)行速度。

圖2 車(chē)輛蛇行臨界速度計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of critical speed of vehicle system

通過(guò)基于車(chē)輛-軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的單參數(shù)影響規(guī)律分析和相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研，確定影響動(dòng)車(chē)組橫向穩(wěn)定性的車(chē)輛系統(tǒng)中關(guān)鍵影響因素集，如表1所示。因素集中各參數(shù)的影響曲線如3所示。

由圖3可知影響因素與車(chē)輛橫向穩(wěn)定性的映射關(guān)系：

1)抗蛇行減振器阻尼與臨界速度的映射關(guān)系為

y=3.960 7x+462.93,x≤10%c

y=-0.25x+505.1x>10%c

2)二系橫向減振器阻尼變化量與臨界速度的映射關(guān)系為

y=691.42·e0.0157x,x≤-20%c

y=-0.847 6x+473.71,x>20%c

3)一系縱向定位剛度變化量與臨界速度的映射關(guān)系為

y=-0.971 4x+380,x≤10

y=-0.22x+364.6,x>10

4)同軸輪徑差與臨界速度的映射關(guān)系為

y=-81.371x+409.9x≤1.3

y=-15.784x+323.32,x>1.3

5)同轉(zhuǎn)向架輪徑差與臨界速度的映射關(guān)系為

y=-26.964x+435.54,x≤3

y=-52.667x+518.36,x>3

6)低階多邊形深度與臨界速度的映射關(guān)系為

y=-620.34x+449.66

7)高階多邊形深度與臨界速度的映射關(guān)系為

y=-92.44lnx-61.241

表1 車(chē)輛系統(tǒng)橫向穩(wěn)定性關(guān)鍵影響因素集Table 1 Key factors of lateral stability of vehicle system

圖3 因素集中單參數(shù)對(duì)車(chē)輛橫向穩(wěn)定性的影響Fig.3 Influence of parameters on lateral stability

由圖3可見(jiàn)，抗蛇形減振器阻尼值低于設(shè)計(jì)值時(shí)，車(chē)輛的橫向穩(wěn)定性隨數(shù)值的減小逐漸劣化；高于設(shè)計(jì)值時(shí)，增幅在0～10%范圍內(nèi)二者呈遞增趨勢(shì)，超過(guò)之后橫向穩(wěn)定性隨抗蛇行減振器阻尼值的增大緩慢減小。當(dāng)二系橫向減振器阻尼值低于設(shè)計(jì)值20%以上時(shí)，車(chē)輛橫向穩(wěn)定性隨著該阻尼值的減小逐漸劣化，當(dāng)該阻尼值不低于設(shè)計(jì)值的80%以上，車(chē)輛的橫向穩(wěn)定性較平穩(wěn)，略有隨該值增大而減小的趨勢(shì)。當(dāng)一系縱向定位剛度值低于設(shè)計(jì)值的1.1倍時(shí)，車(chē)輛橫向穩(wěn)定性隨該值的減小略有增大，當(dāng)該值超過(guò)設(shè)計(jì)值的1.1倍后，車(chē)輛的橫向穩(wěn)定性基本保持平穩(wěn)。車(chē)輛橫向穩(wěn)定性隨輪徑差(同軸、同架)的增大而逐漸劣化，劣化速率分階段略有差別，對(duì)同軸輪徑差，差值在(0～1.5) mm時(shí)劣化速率較大，而后劣化過(guò)程較平緩；對(duì)于同架輪徑差，(0～3) mm段的劣化速率較緩，超過(guò)3 mm后的劣化速率較大。車(chē)輪多邊形對(duì)車(chē)輛橫向穩(wěn)定性的影響取決于多邊形階數(shù)和深度，低階多變形對(duì)車(chē)輛橫向穩(wěn)定性的影響較小，高階多邊形對(duì)其影響顯著，劣化速率高?；趩螀?shù)對(duì)車(chē)輛橫向穩(wěn)定性的影響規(guī)律，本研究確定了單參數(shù)的安全閾值，如表2所示。

表2 單參數(shù)閾值Table 2 Threshold value of single parameter

注：(A)+表示不低于(A)的值，(A)-表示不高于(A)的值。

2 車(chē)輛橫向失穩(wěn)辨識(shí)方法研究

車(chē)輛橫向失穩(wěn)是由于車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)輪、懸掛、軌道線路等關(guān)鍵部件的狀態(tài)逐漸退化導(dǎo)致。部件狀態(tài)退化導(dǎo)致車(chē)輛振動(dòng)響應(yīng)劣化，車(chē)輛振動(dòng)響應(yīng)劣化后進(jìn)一步導(dǎo)致部件狀態(tài)退化。通過(guò)車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，分析部件狀態(tài)退化引起車(chē)輛橫向失穩(wěn)的失效鏈路，根據(jù)失效鏈路的特征，基于車(chē)輛振動(dòng)信息辨識(shí)車(chē)輛橫向失穩(wěn)的原因。

2.1 車(chē)輛橫向失穩(wěn)的失效鏈路分析

服役過(guò)程中，二系橫向減振器和抗蛇行減振器常常出現(xiàn)減振器漏油和橡膠節(jié)點(diǎn)硬化兩類(lèi)故障，這兩類(lèi)故障會(huì)導(dǎo)致減振器阻尼減??；二系減振器阻尼減小導(dǎo)致構(gòu)架和車(chē)體枕梁橫向加速度傳遞異常，當(dāng)橫向加速度異常達(dá)到一定程度時(shí)，就導(dǎo)致了轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)。

隨著運(yùn)營(yíng)里程的增加，由于車(chē)輪偏心或輪對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)[9]等多種復(fù)雜原因，車(chē)輪多邊形逐漸產(chǎn)生，當(dāng)車(chē)輪多邊形深度超過(guò)限值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)架橫向加速度增加，橫向加速度會(huì)產(chǎn)生的特征頻率。

隨著運(yùn)營(yíng)里程的增加，車(chē)輪磨耗會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪踏面外形變化，軌頭廓形也會(huì)逐漸變化，輪軌接觸幾何關(guān)系改變，導(dǎo)致輪對(duì)異常振動(dòng)，進(jìn)一步傳遞給軸箱，再傳遞給構(gòu)架，導(dǎo)致車(chē)輛橫向失穩(wěn)。

在車(chē)輪磨耗時(shí)，輪徑差、線路不平順同時(shí)產(chǎn)生，當(dāng)輪徑差與線路不平順超過(guò)限值時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致輪對(duì)、軸箱和構(gòu)架的橫向異常振動(dòng)。

車(chē)輛橫向失穩(wěn)的失效鏈路如圖4所示。

2.2 基于加速度信息的車(chē)輛橫向失穩(wěn)原因辨識(shí)

根據(jù)車(chē)輛橫向失穩(wěn)的失效鏈路分析，基于可檢測(cè)獲得的車(chē)輛系統(tǒng)軸箱、構(gòu)架和車(chē)體加速度信息，反向辨識(shí)車(chē)輛橫向失穩(wěn)的原因。

1)當(dāng)車(chē)輛發(fā)生橫向失穩(wěn)時(shí)，進(jìn)一步結(jié)合失穩(wěn)特征辨識(shí)車(chē)輛橫向失穩(wěn)的原因；

2)當(dāng)構(gòu)架和車(chē)體振動(dòng)傳遞比異常(與本車(chē)歷史傳遞比相比)時(shí)，則判斷二系橫向減振器或抗蛇行減振器故障導(dǎo)致了橫向失穩(wěn)；

3)當(dāng)構(gòu)架橫向失穩(wěn)，且同時(shí)出現(xiàn)多邊形特征頻率f時(shí)，則可指導(dǎo)檢查車(chē)輪多邊形深度是否超限，可能是車(chē)輪多邊形導(dǎo)致的橫向失穩(wěn)；

4)當(dāng)車(chē)輪、軸箱和構(gòu)架均出現(xiàn)異常振動(dòng)，則是輪軌接觸幾何關(guān)系異常，導(dǎo)致了車(chē)輛橫向失穩(wěn)；同時(shí)由于踏面外形對(duì)輪軌幾何關(guān)系的影響最甚，結(jié)合車(chē)輪磨耗規(guī)律，可判斷是踏面外形或輪徑差導(dǎo)致的車(chē)輛橫向失穩(wěn)；通過(guò)不同線路的振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)同車(chē)不同線路振動(dòng)不同時(shí)，可判斷由于線路狀態(tài)異常導(dǎo)致車(chē)輛橫向失穩(wěn)。

車(chē)輛橫向失穩(wěn)辨識(shí)方法如圖5所示。

橫向失穩(wěn)原因辨識(shí)步驟：

1)提取軸箱、構(gòu)架和車(chē)體橫向加速度；

2)對(duì)構(gòu)架加速度進(jìn)行濾波，判斷其是否出現(xiàn)橫向失穩(wěn)；

3)對(duì)測(cè)點(diǎn)加速度信息進(jìn)行時(shí)域統(tǒng)計(jì)或頻域分析，提取時(shí)域統(tǒng)計(jì)值，提取主頻頻率和幅值；

4)分析其統(tǒng)計(jì)特征值及主頻與剛鏇修后的統(tǒng)計(jì)特征值及主頻的區(qū)別；

5)判斷橫向失穩(wěn)原因：根據(jù)構(gòu)架和車(chē)體枕梁的統(tǒng)計(jì)特征值傳遞關(guān)系判斷抗蛇行減振器或二系橫向減振器的阻尼減小導(dǎo)致車(chē)輛橫向失穩(wěn)；根據(jù)輪對(duì)和構(gòu)架的統(tǒng)計(jì)特征值傳遞關(guān)系融合軌道線路歷史振動(dòng)信息，判斷車(chē)輪異常磨耗導(dǎo)致車(chē)輛橫向失穩(wěn)；根據(jù)多邊形特征頻率和幅值，判斷其失穩(wěn)原因?yàn)檐?chē)輪多邊形引起的失穩(wěn)。

圖4 車(chē)輛橫向失穩(wěn)失效鏈路Fig.4 Failure chain of vehicle lateral instability

圖5 車(chē)輛橫向失穩(wěn)原因辨識(shí)方法Fig.5 Identification method of vehicle lateral instability

3 實(shí)例

已獲得某型動(dòng)車(chē)構(gòu)架橫向加速度，其加速度時(shí)域信息如圖6所示。采用10 Hz低通濾波，并根據(jù)UIC515標(biāo)準(zhǔn)判斷，如圖7所示，車(chē)輛已橫向失穩(wěn)。

圖6 構(gòu)架加速度時(shí)域圖Fig.6 Acceleration time domain of frame

圖7 構(gòu)架加速度失穩(wěn)判斷圖Fig.7 Judgment of acceleration instability of frame

根據(jù)構(gòu)架橫向加速度數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)域統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表3所示，進(jìn)行頻域分析，如圖8所示。

表3 加速度統(tǒng)計(jì)Table 3 Acceleration statistics m·s-2

與剛鏇修后的車(chē)輛振動(dòng)數(shù)據(jù)相比，橫向失穩(wěn)的構(gòu)架振動(dòng)具有特征頻率573 Hz，這個(gè)特征頻率是多邊形特征頻率，約為20階多邊形，其計(jì)算方法是。因此可判斷車(chē)輛橫向失穩(wěn)的原因是車(chē)輪多邊形。

圖8 頻域分析Fig.8 Frequency domain analysis

4 結(jié)論

1)基于車(chē)輛橫向失穩(wěn)機(jī)理，以車(chē)輛蛇行臨界速度為指標(biāo)，分析確定了車(chē)輛橫向失穩(wěn)的主要影響因素，包括：線路不平順、抗蛇行減振器阻尼、二系橫向減振器阻尼、一系縱向定位剛度、輪徑差、車(chē)輪踏面外形、車(chē)輪多邊形、軌頭廓形。

2)建立了車(chē)輛橫向失穩(wěn)的失效鏈路，提出了基于失效鏈路的車(chē)輛橫向失穩(wěn)的原因辨識(shí)方法，給出了具體步驟和判斷條件。

3)結(jié)合實(shí)例，對(duì)車(chē)輛橫向失穩(wěn)的原因辨識(shí)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，可有效地辨識(shí)出車(chē)輪橫向失效的原因。

[1] 董浩. 鐵道車(chē)輛運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及分岔類(lèi)型研究[D]. 成都:西南交通大學(xué),2014:53-55.

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[3] 賈璐,曾京,劉轉(zhuǎn)華,等. 五種橫向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012(10):219-221.

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Identification Method of Lateral Instability Reason of EMU Train

CHEN De-sai1，WU Hua-li2，*

(1.ChengduNo.7HighSchool,Chengdu610041,China;
2.StateKeyLaboratoryofTractionPower,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Lateral stability is a safety evaluation indicator of railway vehicles. Lateral instability happened to a type of EMU trains for several times. By failure chain analysis, three causes of lateral instability were identified. Based on the abnormal vibration of wheel-sets, axle box and frame as well as the line information, the wheel wear was identified as a main reason of lateral instability. Based on the transmission relationship of vibration from frame to beam of body, the decrease of damping value of the anti-snake damper or lateral damper was identified as a main reason of lateral instability. Based on the polygon feature frequency of frame vibration, the polygon wheels were identified as a main reason of lateral instability. The identification method of lateral instability was applied, which provided a reference for identifying the lateral instability reason of EMU trains.

railway vehicle; lateral instability; influencing factor of lateral instability; failure chain; identification of lateral instability cause

2016年11月5日

2017年1月20日

高速鐵路系統(tǒng)安全保障技術(shù)(2016YFB1200401)

吳華麗(1992年-)，女，碩士研究生，主要從事車(chē)輛系統(tǒng)故障診斷與健康預(yù)測(cè)理論方法等方面的研究。

U266

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.01.002

1673-6214(2017)01-0007-06