海南环岛高速铁路动车组晃车原因分析及整治措施

张 金，田常海，刘丰收，俞 喆，张训全

(中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所， 北京 100081)

目前，我国速度200 km/h及以上高速铁路线路主要运行4种动车组，采用4种车轮廓面。其中，CRH1型动车组的车轮廓面为LMD，CRH2型动车组的车轮廓面为LMA，CRH3型动车组的车轮廓面为S1002CN，CRH5动车组的车轮廓面为XP55。同时，高速铁路线路主要铺设1种国内自主研发生产的60 kg/m U71Mn或U75V钢轨。4种车轮廓面与1种钢轨廓形匹配存在轮轨接触关系不良的问题，主要表现为动车组转向架构架横向加速度报警、抖车及晃车[1]。

在车轮廓面难以改变的情况下，通常只有通过钢轨廓形打磨来实现轮轨关系合理匹配。但是钢轨廓形打磨不合适会造成轨头廓形不良，容易引起动车组构架横向加速度报警或晃车。如武广、京沪和哈大高速铁路钢轨轨距角侧打磨量不足，部分地段引起动车组构架横向加速度报警；合武高速铁路钢轨轨距角侧打磨量过大，部分地段引起晃车。通过科学的钢轨打磨形成合理的轨头廓形，可有效抑制或减轻动车组异常振动、钢轨波浪形磨耗、钢轨表面裂纹、剥离掉块等疲劳伤损的发生和发展，改善轮轨匹配关系，提高列车运行平稳性，延长钢轨的使用寿命[2]。

本文针对海南环岛高速铁路东段CRH1型动车组晃车的原因展开深入调查分析，提出钢轨打磨治理措施，并制定详细的钢轨打磨方案以修正轨头廓形，改善轮轨匹配关系，解决动车组晃车的问题，提高动车组运行的舒适性及安全性。

1 动车组晃车原因分析

海南环岛高速铁路东段于2010年12月通车运营，设计速度200 km/h，主要运行CRH1型动车组，全线约300 km(双线)铺设攀枝花钢铁(集团)公司生产的60 kg/m U71Mn钢轨，开通前广州工务机械段使用GMC-96X打磨车进行了全线钢轨预打磨。2014年3—5月份完成了第1次全线钢轨预防性打磨。2015年11月—2016年8月，海南环岛高速铁路东段区间线路上几乎所有CRH1型动车组均出现了车体严重晃动情况。

为了寻找CRH1型动车组晃车的具体原因，课题组深入现场开展调查研究，重点检查和分析了晃车严重区段的轨道几何尺寸、焊接接头平直度、钢轨光带及轨头廓形的情况。

1.1 轨道几何尺寸

工务段对轨道静态几何尺寸进行了检测，并结合便携式添乘仪的线路动态检查数据进行了数据处理分析。分析结果表明：轨底坡、轨距、水平、高低、轨向、扭曲、轨道不平顺、轨距变化率等主要技术指标偏差基本不超限，主要超限指标为水平加速度3级、垂向加速度2级。

1.2 焊接接头平直度

使用电子平直尺对区间线路进行了闪光焊接头平直度测量，仅个别测点平直度偏高(左股0.25，0.30 mm/m，右股0.25，0.20 mm/m)，大部分测点平直度均小于0.10 mm/m。检测结果表明，闪光焊接头平直度良好，未见明显高接头或严重低塌。

1.3 钢轨光带

钢轨光带观测结果如图1所示。可以看出，未晃车区段钢轨光带正常，基本居中，光带距内侧作用边约20 mm，距外侧非作用边约22 mm，光带宽度约29 mm。晃车区段钢轨光带异常，主要表现为：①钢轨光带明显偏向轨距角，光带距内侧作用边约13 mm，距外侧非作用边约18 mm，光带宽度约40 mm;②钢轨表面清晰可见2种不同颜色的光带，新旧光带有一定的偏移，新光带朝钢轨内侧作用边偏移；③直线地段出现左右股钢轨光带周期性交替侧磨，间距约为18～20 mm，反映出钢轨与轮对侧面间歇性接触。

图1 钢轨光带观测情况

1.4 轨头廓形

图2为钢轨轨头实测廓形与设计廓形对比情况。可以看出，未晃车区段钢轨轨头实测廓形与设计廓形基本接近，内侧工作边R80圆弧处最大偏差+0.17 mm，R13圆弧处最大偏差-0.45 mm，偏差在-0.6～+0.2 mm 内，满足表1要求；晃车区段钢轨轨头实测廓形与设计廓形差异较大，内侧工作边R80圆弧处最大偏差-0.48 mm，R13圆弧处最大偏差-0.76 mm，偏差超出-0.6～+0.2 mm，不满足表1要求。其中“+”，“-”分别表示钢轨轨头实测廓形高于或低于设计廓形。

图2 钢轨轨头实测廓形与设计廓形对比情况(单位：mm)

注：廓形验收范围为钢轨轨头横向-25～+32 mm。

1.5 原因分析

通过调研分析发现，晃车严重区段轨道几何尺寸主要技术指标偏差基本不超限，闪光焊接头平直度良好，未见明显高接头或严重低塌。但是，钢轨轨头廓形内侧工作边R80和R13圆弧处明显凹陷，造成轮轨匹配关系不良，钢轨光带不居中，偏向轨距角侧，直线地段出现左右股钢轨光带周期性交替侧磨。因此车轮与钢轨非正常接触是导致CRH1型动车组晃车的主要原因。相关研究表明[3-4]，对钢轨进行打磨从而修正轨头廓形是改善轮轨接触关系、消除动车组异常振动的有效措施。

2 钢轨打磨方案制定

为了确保钢轨打磨质量，达到修正轨头廓形、改善轮轨匹配关系、解决CRH1型动车组晃车的目的，制定合理的钢轨打磨方案至关重要。打磨方案包括打磨廓形设计和打磨工艺参数设定。

2.1 打磨廓形设计

钢轨打磨廓形设计应充分考虑轮轨接触关系，保证直线和大半径曲线上轮轨接触始终处于钢轨踏面中心，即轨头踏面中心区域和车轮踏面中心区域接触，小半径曲线上轮轨发生共形接触，即轨距角与轮缘形成共形接触，使轮轨接触应力最小，横向蠕滑率和蠕滑力最小，从而达到轮轨合理匹配的目的[5-6]。

根据铁总运[2014]357号《高速铁路钢轨打磨管理办法》[7]中第十七条规定：“铺设标准60 kg/m钢轨且允许运行除动车组以外客车的区段，以及铺设60N钢轨的区段，钢轨打磨的目标廓形为60N廓形；铺设标准60 kg/m钢轨且仅运行动车组的区段，钢轨打磨的目标廓形为设计廓形”，综合考虑海南环岛高速铁路东段钢轨的实际服役情况，本着打磨量最小以降低成本的原则，确定本次修理性打磨的目标廓形为设计廓形。钢轨修理性打磨目标廓形与60轨标准廓形对比如图3所示。打磨后轨头非工作边-10°至轨头内侧工作边+60°(轨距角侧为正角度)实测廓形应与设计廓形基本符合，误差应达到表1要求。

图3 钢轨修理性打磨目标廓形(设计廓形)与60轨 标准廓形对比

2.2 打磨工艺参数设定

打磨工艺参数设定是实现廓形打磨的关键环节。钢轨打磨列车使用的砂轮类型、打磨砂轮分布角度、打磨电机功率和打磨作业速度都将影响打磨切削量，直接关系到廓形打磨的效果。通过科学合理的打磨工艺参数设定(打磨砂轮分布角度、打磨电机功率及打磨作业速度)，可以减少打磨遍数，高效地实现打磨廓形与目标廓形相吻合，并能保证较好的钢轨表面粗糙度，以及实现打磨平面均匀光滑过渡，轨面无连续发蓝带及周期性打磨痕迹。

通过对比晃车严重区段钢轨轨头实测廓形与设计廓形的差异，进行数据分析研究，并结合GMC-96X打磨车的实际状态，经过多次打磨试验尝试，最终制定出具有实际可操作性的打磨作业模式和合理的打磨工艺参数，见表2，并确定采用4遍打磨来达到修正轨头廓形的目的。

第1遍：打磨轨顶和外侧非工作边，角度覆盖范围为-11°～+3°，轨顶分布32个砂轮，外侧分布64个砂轮，打磨速度15 km/h。

第2遍：同样打磨轨顶和外侧非工作边，角度覆盖范围为-11°～+3°，轨顶分布32个砂轮，外侧分布64个砂轮，打磨速度15 km/h。

第3遍：重点打磨轨顶兼顾外侧非工作边，角度覆盖范围为-9°～+3°，轨顶分布80个砂轮，外侧分布16个砂轮，打磨速度15 km/h。

第4遍：轨头全覆盖打磨并修理光带，角度覆盖范围为-9°～+49°，内侧分布68个砂轮，轨顶分布12个砂轮，外侧分布16个砂轮，打磨速度16 km/h。

表2 打磨模式和工艺参数

注：①正角度打磨钢轨内侧，负角度打磨钢轨外侧;②以1号电机为作业前进方向，反方向作业时应对模式进行颠倒;③根据打磨效果和设备状态需要对打磨模式进行适当调整。

3 打磨整治效果跟踪评价及验证

为了分析晃车区段钢轨打磨整治效果，使用静态检测手段钢轨廓形测量仪对打磨后轨头廓形进行了检测，并观测了光带情况；使用动态检测手段便携式添乘仪对线路状态进行了检查。通过静态和动态检测手段对打磨效果的跟踪分析可知，打磨修正了轨头廓形，改善了轮轨接触关系，消除了动车组横向振动幅度超限，解决了动车组晃车的问题。同时，对打磨前后等效锥度及轮轨接触点对分布情况进行了分析研究，进一步验证了通过钢轨打磨改变轮轨接触关系，实现轮轨合理匹配，整治动车组晃车效果非常显著。

3.1 打磨后轨头廓形及光带情况

使用钢轨廓形测量仪对晃车严重区段打磨后轨头廓形进行了检测，并观测了光带情况，如图4所示。可以看出：打磨后轨头实测廓形与设计廓形基本接近，内侧工作边R80圆弧处最大偏差+0.04 mm，R13圆弧处最大偏差-0.42 mm，偏差满足表1的要求，原来内侧工作边R80和R13圆弧处凹陷得到有效整治；光带基本居中，宽度约30 mm，距内侧工作边约为21 mm，距外侧非工作边约为20 mm，光带变化趋于稳定，表明轮轨匹配状态良好。

3.2 打磨前后线路动态检查情况

使用便携式添乘仪对线路动态情况进行了检查，晃车严重区段打磨前后水平加速度超限情况对比，如图5所示。可以看出，打磨前水平加速度3级26处、2级 50处、1级21处，打磨后水平加速度3级0处、2级 0处、1级0处。这充分地说明了钢轨打磨对减小动车组横向振动幅度有显著的作用，打磨后轮轨接触关系得到改善，轮轨匹配更加合理，添乘时人体感觉舒适，提高了动车组的运行品质。

图5 晃车严重区段打磨前后水平加速度超限情况对比

3.3 打磨前后等效锥度及轮轨接触点对分布情况

图6 打磨前后轮轨接触点对分布

利用UIC 519—2014MethodforDeterniningtheEquivalentConicity[8]中的积分法，通过Fortran软件编程计算了打磨前后等效锥度及轮轨接触点对分布情况。打磨前后轮轨接触点对分布如图6所示。可以看出，打磨前轮轨接触点对分布较集中，打磨后轮轨接触点对分布较分散；与打磨前相比，打磨后轮轨接触范围更大。相同接触载荷条件下，较大的接触面积将导致较小的接触应力，有利于减小轮轨磨耗，提高滚动接触疲劳寿命。

等效锥度是用于表征轮轨几何接触关系的重要参数，决定着轮轨之间的匹配程度。轮轨匹配等效锥度的大小与动车组运行过程中的动态响应密切相关。等效锥度过小导致动车组运用过程中出现晃车现象；等效锥度过大引起动车组车辆构架横向振动报警[9]。图7为打磨前后轮轨匹配等效锥度曲线，可以看出轮对横移量1.5 mm范围内，打磨前后轮对踏面具有相同的等效锥度；轮对横移量1.5～6.0 mm内，打磨后的等效锥度明显大于打磨前的；轮对横移量3 mm时的名义等效锥度，打磨前约为0.075，打磨后约为0.115。根据相关文献报道[4]，轮轨匹配等效锥度的合理区域为0.08～0.35，等效锥度小于0.08时易产生晃车，等效锥度大于0.35时易产生水平加速度超限。通过钢轨打磨使晃车区段的等效锥度由0.075提高到0.115，达到轮轨匹配等效锥度的合理范围，改善了轮轨匹配关系，解决了动车组晃车的问题。

图7 打磨前后轮轨匹配等效锥度曲线

4 结论与建议

1)钢轨轨头廓形内侧R80和R13圆弧处明显凹陷，导致等效锥度过小，轮轨匹配关系不良，是造成CRH1型动车组晃车的主要原因。

2)通过钢轨打磨整治措施，可以修正轨头廓形，改善轮轨匹配关系，解决动车组晃车的问题。

3)建议深入开展钢轨预防性打磨技术研究，形成最优化的打磨方案,进行合理的钢轨预防性打磨，并为制定科学合理的钢轨打磨周期提供依据。