复兴号动车组抖车晃车振动机理及自动识别与应用方案研究.pdf

第 43 卷第 4 期2023 年 8 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CARVol.43 No.42023Aug.复兴号动车组抖车晃车振动机理及自动识别与应用方案研究朱韶光1，2，3（1 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094；2 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；3 中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路与城轨交通系统技术国家工程研究中心，北京 100081）摘 要 部分动车组在线路运行时会偶发车体非正常振动现象，严重影响了旅客乘坐舒适性，复兴号动车组装有平稳性监测系统，但未能区别车体振动类型，监测到异常振动后无法指导现场进行检查维修。为提高旅客乘坐舒适性，指导动车组对车体异常振动进行检修与维护，提出了抖车晃车的概念并根据其振动特征，给出了抖车晃车自动识别方法；结合大样本数据得到了动车组抖车晃车预警/报警机制和限值。同时利用异常振动数据给出了抖车晃车产生机理和应用处置方案。最后根据车线故障划分的判断方法，通过 WTDS 系统与 EMIS 系统相结合，建立了抖车晃车地图，可根据不同报警情况并结合车轮旋修等运用数据，实现抖车晃车故障的自动识别和故障检修策略推送。关键词 抖车；晃车；自动识别；处置方案；抖车晃车地图中图分类号：U266 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2023.04.16随着安全监测技术的不断进步，国内外动车组正朝着“智能化”、“集成化”趋势发展。为提高旅客乘坐舒适度，日本新干线 2019 年最新下线的试验列车 Alfa-X，增加了车体平稳性监测装置，我国 2017 年正式运营的复兴号动车组每节车厢均安装有平稳性监测系统。但上述系统监测到平稳性报警后，未能区分振动类型，无法精细化指导运用检修，因此有必要开展动车组车体振动状态识别技术，自动判断车体振动类型，指导动车组智能运维。目前动车组车体存在的异常振动主要表现为2 种：第一种为一次蛇行引起的车体晃动现象，为便于区分和理解，通常称为“晃车”，晃车主要发生在车轮旋修初期，表现为车体整体左右摇摆，类似风中摇曳的小船，严重时乘车人无法正常站立；第二种为二次蛇行引起的车体抖动现象，通常称为“抖车”，抖车主要发生在车轮旋修末期，表现为车体座椅、行李架等异常抖动，车体中部抖动明显大于车体端部，并伴有异响。因抖车晃车特征明显，发生时间和产生机理不同，可对其进行自动识别和故障诊断。1 抖车晃车机理研究 通 过 线 路 振 动 测 试、轮 轨 匹 配 测 量、模 态 测试、仿真分析等手段对发生明显抖车的动车组进行分析。动车组抖车现象主要发生在线路的个别区段，此时车体平稳性指标和车体加速度明显增大，加速度频谱在 710 Hz 存在明显主频，其能量占比明显，如图 1图 4 所示。服役跟踪数据如图 5所示，抖车主要发生在车轮磨耗后期，通常车轮旋图 1抖车时车体平稳性指标增加文章编号：1008-7842（2023）04-0094-06引用格式：朱韶光.复兴号动车组抖车晃车振动机理及自动识别与应用方案研究J.铁道机车车辆,2023,43(4):94-99.基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划系统性重大项目（P2018J001）；中国铁道科学研究院集团有限公司重点科研项目（2021YJ273）作者简介：朱韶光（1984-）男，高级工程师（修回日期：2022-01-06）第 4 期复兴号动车组抖车晃车振动机理及自动识别与应用方案研究修后运行 15 万 km 以上时抖车现象更明显。抖车区段 3 个不同位置实测轮轨匹配等效锥度均较大，见表 1，等效锥度增大更容易引起构架产生蛇行运动，从而传递至车体的能量较大。模态测试结果见表 2，抖车车体菱形模态频率通常较低，更接近抖车频率和转向架构架蛇行频率。综上分析，发生动车组抖车现象的根本原因是车轮磨耗后期，如图 6 所示，在经过个别线路区段时，轮轨关系恶化引起轮轨匹配等效锥度增大，动车组稳定性下降，在部分线路区段激发构架 8 Hz左右周期性蛇行运动。蛇行运动频率与部分车体菱形模态频率耦合，引起车体较大幅度周期性振动，车体平稳性显著降低，同时传递至座椅与行李架，导致出现异常抖动与噪音1。同理，对晃车现象进行分析，发现晃车主要发生在车轮旋修初期或钢轨打磨初期，在个别线路区段轮轨实际匹配等效锥度较低，激发一次蛇行频率与车体上心滚摆或下心滚摆频率耦合，引起晃车现象。2 抖车特征及智能识别策略 利用服役跟踪和异常振动测试的抖车数据进行抖车特征分析，得到监测报警数据，如图 7、图 8所示，利用复兴号动车组车体平稳性监测系统预警/报警得到的大样本数据进行抖车特征验证，得到动车组抖车特征如下：（1）车体平稳性指标明显增加，通常垂向平稳性指标会大于横向平稳性指标。（2）车体加速度波形表现为明显的正弦波，幅值会出现连续地超过 0.03 g 的现象。（3）抖车时车体加速度主频为 710 Hz，且能表 1抖车区段 3 个位置实测轮轨匹配等效锥度轴号一轴二轴三轴四轴抖车区段位置10.3770.3770.3730.377抖车区段位置20.3790.3710.3690.375抖车区段位置30.3790.3750.3730.376表 2不同车厢模态测试结果对比序号12车厢抖车车体其他车体菱形模态频率/Hz专项试验8.110.5工作模态7.98.110.310.7实验室模态8.410.4图 2抖车波形图 3抖车频率特征图 4抖车频率分布图 5有/无抖车现象车体加速度服役跟踪数据对比95铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 量占比明显。通过对京沪、兰新等线路抖车异常振动数据2和平稳性监测系统大样本数据进行分析，结合车载视频监测数据、试验人员及乘务人员人体感知等情况，初步确定动车组抖车的识别策略为：（1）车 体 横 向 或 垂 向 加 速 度 611 Hz 带 通滤波。（2）车体横向加速度连续 10 s 均方根值超过0.02 g/0.03 g 且 车 体 横 向 平 稳 性 指 标 超 过 2.5/2.75，即认为发生抖车预警/报警。（3）车体垂向加速度连续 10 s 均方根值超过0.03 g/0.04 g 且 车 体 垂 向 平 稳 性 指 标 超 过 2.5/2.75，即认为发生抖车预警/报警。3 晃车特征及智能识别策略 与抖车相似，通过对晃车异常振动数据和平稳性监测系统大样本数据进行分析，如图 9图 12所示，动车组发生晃车时，会产生如下特征：（1）车体横向平稳性指标会明显增加，垂向平稳性指标变化不明显。（2）车体横向加速度波形表现为明显的正弦波，幅值会出现连续地超过 0.03 g 的现象。图 7服役跟踪测试系统图 8监测系统报警数据图 6抖车机理示意图图 9车体横向平稳性散点图图 10晃车加速度波形图96第 4 期复兴号动车组抖车晃车振动机理及自动识别与应用方案研究（3）晃车时车体加速度频率为 0.52 Hz，且能量占比明显。通过对京津、沿海、南宁等典型晃车数据进行分析3-4，结合晃车时间对人体感受的影响，初步确定晃车的识别策略为：（1）车体横向加速度 0.53 Hz 带通滤波。（2）车体横向加速度连续 10 s 均方根值超过0.03 g/0.04 g 且 车 体 横 向 平 稳 性 指 标 超 过 2.75/3.0 即认为发生晃车预警/报警。4 抖车晃车应用处置措施研究 根据抖车、晃车机理，结合京沪、兰新、京津、沿海等线路抖车晃车问题解决方案，总结抖车、晃车处置措施。4.1抖车处置措施抖车主要发生在车轮磨耗后期，车辆运行稳定性下降，个别线路区段轮轨实际匹配等效锥度增大，构架产生蛇行运动，蛇行运动频率与车体模态频率耦合，引起了车内某些零部件的抖动。根据抖车的产生原因，并总结不同线路的缓解措施，得到抖车主要产生原因和相应缓解措施如下：（1）车轮磨耗，导致抖车。缓解措施：测量车轮外形，分析磨耗轮与标准轨匹配等效锥度，根据机辆动客函202136 号文中等效锥度标准，判断是否对车轮进行旋修。（2）钢轨廓形，导致抖车。缓解措施：建立联网 报 警 系 统，多 车 在 同 一 位 置 报 警，检 查 钢 轨 廓形，利用实测轮轨等效锥度限值，视情况对钢轨进行打磨。（3）悬挂参数异常，导致抖车。缓解措施：某车厢频繁报警，车轮磨耗正常，重点检查横向、垂向、抗蛇行等减振器参数是否存在超差，必要时对减振器进行拆解检查。（4）车 体 模 态 频 率 较 低，导 致 抖 车。缓 解 措施：某型动车组某固定车厢经常发生报警，对车体进行运行模态测试，存在车体模态频率与转向架模 态 频 率 耦 合 时，利 用 高 级 修 对 车 体 进 行 升 级改造。4.2晃车处置措施晃车主要发生在车轮旋修初期，在个别线路区段轮轨实际匹配等效锥度较低，激发一次蛇行频率与车体上心滚摆或下心滚摆耦合，引起晃车现象。根据晃车产生原因并总结异常晃车处置方法，得到晃车的主要产生原因和缓解措施如下：（1）车 轮 旋 修 质 量 问 题，导 致 晃 车。缓 解 措施：测量车轮外形，分析车轮与标准轨匹配等效锥度，根据机辆动客函202136 号文中等效锥度标准，对车轮进行重新旋修，视情况提高旋修机床旋修质量，落实旋后车轮等效锥度管理办法。（2）钢 轨 廓 形 打 磨 异 常，导 致 晃 车。缓 解 措施：建立联网报警系统，多车在同一位置报警，检查钢轨廓形，视情况对钢轨进行重新打磨。（3）悬挂参数异常，导致晃车。缓解措施：某车 厢 频 繁 报 警，车 轮 等 效 锥 度 正 常，重 点 检 查 横向、垂向、抗蛇行等减振器是否存在超差，必要时对减振器进行拆解检查。5 抖车晃车地图及智能联网报警 抖车晃车主要是由于轮轨匹配异常或悬挂参数异常等原因引起的，因此快速定位异常振动是车 辆 故 障 还 是 轨 道 故 障，对 智 能 运 维 非 常 重 要。根据单车与多车报警、相同线路与不同线路报警基 本 可 锁 定 报 警 原 因，如 图 13 所 示，具 体 方 法图 11晃车频率特征图 12晃车频率分布97铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 如下：（1）单车在不同线路位置报警，初步判定为车辆原因。（2）多车在相同线路位置报警，初步判定为线路原因。（3）单车在相同位置报警，或多车在不同位置报警，则车辆与线路均有可能为故障产生原因，首先检查车辆状态，无异常后再检查线路状态，同时建立联网报警系统利用大数据进行智能识别。为实现抖车晃车自动识别和判断，利用报警时刻车辆位置信息，建立抖车晃车地图，实现抖车晃车自动识别、联网报警。当动车组发生抖车晃车等异常振动时，车载监测系统会形成包括故障代码、故障时间、故障车辆、经纬度等信息的故障包，并 通 过 动 车 组 车 载 信 息 无 线 传 输 系 统（WTDS）传输到地面。同时地面建有动车组管理信息系统（EMIS），该系统包含了动车组的所有运用检修信息。利用 WTDS 提供的故障代码、故障车组号和故障时间，匹配 EMIS 系统中的动车组运行里程、车轮旋后运行里程、车轮旋修外形数据等信息，利用经纬度并结合线路公里标数据建立抖车晃车预/报警地图。利用报警位置、报警次数、车轮旋后运行里程等信息，自动推送抖车晃车报警故障，并给出初步的故障检修策略。6 结论 晃车在个别线路区段轮轨实际匹配等效锥度较低，激发一次蛇行频率与车体上心滚摆或下心滚摆耦合。晃车时仅车体横向加速度有明显特征，加速度频率集中在 0.52 Hz。抖车在个别线路区段时，轮轨关系恶化引起轮轨匹配等效锥度增大，动车组稳定性下降，部分线路区段激发了构架 8 Hz 左右周期性蛇行运动。蛇行运动频率与部分车体菱形模态频率耦合，引起车体较大幅度周期性振动。抖车时车体加速度频率集中在 710 Hz，横向和垂向加速度均有明显特征。根据上述特征并结合大数据分析，分别给出了抖车晃车预警/报警机制和限值。结合现场处置方案，总结出抖车主要由于车轮异常磨耗、钢轨异常磨耗、悬挂参数异常等原因引起的，晃车主要由车轮旋修质量较差、钢轨廓形异常、悬挂参数异常等原因引起的，并分别给出了每种原因的处置建议。最后通过 WTDS系统与 EMIS 系统相结合，建立了抖车晃车地图，可 根 据 不 同 报 警 情 况 并 结 合 车 轮 旋 修 等 运 用 数据，实现抖车晃车故障的智能识别和智能故障检修策略推送。参考文献1 朱韶光，许自强.京沪线动车组抖车机理及线路跟踪试验研究报告（TY 字第 5510 号）R.北京：中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，2019.2 许自强，朱韶光.兰新线 CRH5 型动车组异常抖动专项试验研究报告（2016 年 JL 字第 027 号）R.北京：中国铁道科学研究院机车车辆研究所，2016.3 董孝卿.京津城际铁路动车组车轮运用情况深入研究（TY 字第 3041 号）R.北京：中国铁道科学研究院机车车辆研究所，2010.4 吴 宁，朱韶光，董孝卿.CRH1 型动车组更换车轮型面跟踪测试研究报告（2013 年 JL 字第 025 号）R.北京：中国铁道科学研究院机车车辆研究所，2013.图 13报警识别流程98第 4 期复兴号动车组抖车晃车振动机理及自动识别与应用方案研究The Mechanism and Intelligent Identification Research on Abnormal Vibration of Fuxing EMU Vehicle BodyZHU Shaoguang1，2，3（1 Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Co.，Ltd.,Beijing 100094,China；2 Locomotive&Car Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China；3 National Engineering Research Center of System Technology for High-speed Railway and Urban Rail Transit,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China）Abstract：Some EMU carbody occasionally happened abnormal vibration during operation seriously affects passengers comfort.The existing riding index monitoring system of Fuxing EMU unable to distinguish the abnormal vibration types of the carbody,and can t guide the inspection and maintenance on site after monitoring the abnormal vibration.In order to improve passenger comfort,and guide the EMU intelligently repair and maintain,the concept of shaking and rocking vehicle body has been proposed.According to its vibration characteristics,the intelligent identification method of shaking and rocking is established.Combined with the big data sample,the warning/alarm mechanism and limit were obtained.At the same time,on the basis of the abnormal vibration data,the mechanism and the solve method of shaking and rocking vehicle body has been obtained.Finally,using the judgment method of car line fault division,we combine WTDS system with EMIS system to establish a shake map.Using the map we can realize the intelligent identification and intelligent troubleshooting strategy push according to different alarm conditions and wheel maintenance data.Key words：shaking vehicle body；rocking vehicle body；intelligent identification；solve method；shaking and rocking map99