鐵路線路動車組動力學(xué)響應(yīng)檢測應(yīng)用研究

楊榮峰,王林棟,章 亮

(1 南車集團公司 青島四方機車車輛股份有限公司,山東青島266111;2 中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所,北京100081)

在鐵路線路上的動態(tài)檢測試驗中,采用動車組進行動力學(xué)響應(yīng)檢測。該動車組裝有測力輪對和加速度傳感器,用于測試動車組在線路上的運行穩(wěn)定性和運行平穩(wěn)性[1],檢測軌道線路存在的缺陷,并準確地給出缺陷所在的里程標和線況,為鐵路維修、養(yǎng)護提供指導(dǎo)。因此,動車組動力學(xué)響應(yīng)檢測是新建線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試的重要環(huán)節(jié)。

動力學(xué)響應(yīng)檢測中,動車組是試驗設(shè)備的載體,是線路動態(tài)響應(yīng)的直接作用對象。因此,動車組的技術(shù)狀態(tài)直接決定了試驗數(shù)據(jù)和線路評判結(jié)果的準確性,技術(shù)狀態(tài)良好的動車組是動態(tài)試驗的基本要求。在鐵路線檢測中,發(fā)現(xiàn)動車組部分車輛的自身狀態(tài)逐漸惡化,導(dǎo)致振動加劇,部分測試結(jié)果偏離軌道的真實水平。所以,在線路檢測試驗中,如何科學(xué)準確地分析試驗數(shù)據(jù),合理公正地評價線路質(zhì)量成為關(guān)鍵問題。

本文對動車組在鐵路上的運行穩(wěn)定性和運行平穩(wěn)性進行了分析,闡述了軌道線路存在的缺陷及改進措施,為新修建鐵路的整治、養(yǎng)護提供參考;本文還分析了試驗過程中車輛的振動特性和變化趨勢,提出判斷車輛異常振動的方法,為檢測車的應(yīng)用和維修提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 測試指標及評判標準

動力學(xué)響應(yīng)檢測指標主要包括兩方面:運行穩(wěn)定性和運行平穩(wěn)性。試驗中各指標應(yīng)符合《客運專線鐵路工程竣工驗收動態(tài)檢測指導(dǎo)意見》的相關(guān)要求。

1.1 運行穩(wěn)定性

(1)脫軌系數(shù):Q/P≤0.8。

(3)輪軸橫向力:H≤10+P0/3。

P0為靜軸重。

(4)橫向穩(wěn)定性:當構(gòu)架橫向加速度峰值出現(xiàn)連續(xù)6次以上達到或超過極限值8～10 m/s2(與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計相適應(yīng))時,判定轉(zhuǎn)向架失穩(wěn),即停止提速。

1.2 運行平穩(wěn)性

根據(jù)車體橫向和垂向不同頻段加速度加權(quán)結(jié)果,計算橫向和垂向平穩(wěn)性指標W。等級劃分為:

W≤2.50為優(yōu),2.50＜W ≤2.75為良好,2.75＜W ≤3.00為合格。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 運行穩(wěn)定性

根據(jù)鐵路動力學(xué)響應(yīng)檢測數(shù)據(jù),脫軌系數(shù)、輪軸橫向力均小于要求的限值;輪重減載率多次超過0.80,但是均為單峰減載值,未出現(xiàn)連續(xù)兩個峰值減載超過0.80的情況;構(gòu)架橫向加速度也符合要求,轉(zhuǎn)向架未出現(xiàn)橫向失穩(wěn)。因此試驗過程中運行穩(wěn)定性符合要求。

考慮到鐵路長期運營后,輪重減載率單峰值超過0.80的點可能會出現(xiàn)惡化,是安全上的隱患,因此應(yīng)予以檢查消除。下面對線路輪重減載率大的特征點進行歸納、分析,便于更加清晰、正確地了解減載現(xiàn)象的原因和本質(zhì),提高線路檢測水平,同時為線路維修提供參考。

圖1為輪重減載率大的點隨里程的分布圖。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)總結(jié)輪重減載率有以下特點:

(1)輪重減載率未出現(xiàn)連續(xù)兩個峰值減載大于0.80的情況。

(2)輪重減載率大于0.80的點較少,且最大值小于1.0。

(3)輪重減載率大于0.80的點集中在3個線路區(qū)段,對應(yīng)里程分別為K 605、K 675、K 741附近。

(4)線路反復(fù)檢測后發(fā)現(xiàn),輪重減載率大的點發(fā)生位置具有重復(fù)性。

結(jié)果表明,運行穩(wěn)定性試驗?zāi)軌蛴行У貦z測軌道線路缺陷,是評判軌道線路質(zhì)量的有效方法。

圖1 輪重減載率大的點隨里程分布散點圖

2.2 運行平穩(wěn)性

圖2為車體垂向平穩(wěn)性大的點隨里程的分布圖。橫向平穩(wěn)性分布規(guī)律與垂向平穩(wěn)性類似。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)總結(jié)平穩(wěn)性有以下特點:

圖2 垂向平穩(wěn)性大的點隨里程分布散點圖

(1)平穩(wěn)性多處超過2.50,個別點超過2.75,但均未超過3.0。

(2)平穩(wěn)性大的點集中在線路上的個別區(qū)段。

(3)線路反復(fù)檢測后發(fā)現(xiàn),平穩(wěn)性大的點發(fā)生位置具有重復(fù)性。

(4)平穩(wěn)性值沿里程明顯分為兩段,以K 655為分界線。K 655左側(cè)區(qū)域平穩(wěn)性大的點明顯多于右側(cè)區(qū)域。

試驗結(jié)果表明,該線路整體平穩(wěn)性為優(yōu),但個別區(qū)段為良好或合格。運行平穩(wěn)性試驗對線路的整體平穩(wěn)性和局部平穩(wěn)性均能給出有效的評判。

3 線路缺陷分析

動力學(xué)試驗結(jié)果中出現(xiàn)輪重減載率和平穩(wěn)性大的點,說明部分線路區(qū)段存在較大缺陷。特別是輪重減載率大的點具有潛在的危險性,對應(yīng)的線路缺陷必須予以消除[2]。因此如何查找、診斷減載率大的點對應(yīng)的線路缺陷是解決問題的關(guān)鍵。

根據(jù)對線路缺陷多次檢測和診斷的經(jīng)驗,發(fā)現(xiàn)有些線路缺陷明顯、易查,有些缺陷隱蔽、難查。因此根據(jù)查找難度本文將產(chǎn)生輪重減載的線路缺陷分為兩種:顯性缺陷和隱性缺陷。

顯性缺陷是指利用現(xiàn)有的常規(guī)檢測方法能夠方便、準確發(fā)現(xiàn)的線路缺陷,例如非常明顯的高低不平順、三角坑、焊縫打磨不平等。顯性缺陷易出現(xiàn)在道岔、焊縫、過渡段、隧道等位置。

隱性缺陷是指常規(guī)檢測方法難以發(fā)現(xiàn),需要采用特殊手段才能發(fā)現(xiàn)的線路缺陷,例如扣件緊固力不足、墊板缺失等。隱性缺陷處軌道往往存在垂向剛度不一致,在線路檢測中稱為“空吊”。車輪經(jīng)過隱性缺陷位置時,輪軌間垂向作用力隨之出現(xiàn)突變,如果壓力減小則表現(xiàn)為輪重減載。

在檢查引起輪重減載的原因時,首先可利用常規(guī)手段查找顯性缺陷,在排除顯性缺陷后再仔細、認真查找隱性缺陷。輪重減載率大的點有時是由多種線路缺陷引起的,應(yīng)綜合排查。

線路測試結(jié)果中,輪重減載率大的點多出現(xiàn)在隧道內(nèi)(無砟軌道)。維修人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn),隧道內(nèi)的線路缺陷主要是高低不平順、三角坑和少量的墊板缺失。通過調(diào)整墊板厚度,線路打磨等措施整治后,該區(qū)段輪重減載率明顯減小。

4 車輛異常振動分析

與試驗初期相比,試驗后期(運行約1萬km后)動車組部分車輛振動明顯增大,運行平穩(wěn)性指標超過2.50,車輛狀態(tài)惡化。

圖3是試驗前期與試驗后期在同一段線路、同樣速度級下的車體垂向加速度波形?？梢钥闯?試驗后期振動加速度幅值明顯增加,且具有周期性。圖4是試驗后期車體垂向振動加速度的頻譜圖。振動主頻為26.1 Hz,對應(yīng)運行速度為250 km/h。計算得到振動波長為2.66 m。此波長與車輪踏面周長基本一致。

圖3 在同一段線路、同樣速度級下,試驗前期與試驗后期車體垂向振動加速度波形對比

圖4 試驗后期,車體垂向振動加速度頻譜圖

在線路狀態(tài)變化可以忽略的情況下,動車組的多輛車在多數(shù)線路區(qū)段中的測試結(jié)果有類似現(xiàn)象,且周期振動的波長與運行速度無關(guān)。因此判斷是車輛自身狀態(tài)逐漸惡化引起的異常振動。

5 對異常振動的處理方法和建議

車輛出現(xiàn)異常振動后,會影響試驗精度,并進一步引起對線路的評判誤差。所以在線路檢測試驗中應(yīng)排除車輛異常振動因素,減小誤差。試驗中可以從以下方面分析是否存在異常振動:

(1)在試驗前后,觀察、測量車輪外形是否正常。(2)在試驗前后,檢查減振器、空氣彈簧等懸掛裝置是否正常。

(3)在同樣試驗工況下,分析動力學(xué)性能測量結(jié)果是否基本一致。

如果存在異常振動,應(yīng)通過對車輛進行檢查、維修等措施予以消除,以保證試驗結(jié)果的準確性。

6 結(jié)束語

動力學(xué)響應(yīng)檢測是檢測線路缺陷的有效手段,能有效地評判車輛在線路上的運行安全性和運行平穩(wěn)性,為線路維修和整改提供科學(xué)依據(jù)。

車輛異常振動是線路檢測中的有害因素,會影響檢測結(jié)果,應(yīng)通過測量、分析和維修等方法予以消除。

[1]倪純雙,黃 強,王悅明,等.機車車輛動力學(xué)試驗數(shù)據(jù)分析處理軟件DASO[J].中國鐵道科學(xué),2004,(1):28-33.

[2]手冢和彥.脫軌與運行安全性[C].國外高速列車譯文集(5),1997:424-430.2 Locomotive&Car Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)