移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)車軌道剛度檢測(cè)技術(shù)

潘振，金花，柴雪松，楊亮，暴學(xué)志

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)車軌道剛度檢測(cè)技術(shù)

潘振，金花，柴雪松，楊亮，暴學(xué)志

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)車是鐵路線路工程領(lǐng)域的新型試驗(yàn)平臺(tái)，利用加載車可以開(kāi)展軌道剛度的連續(xù)檢測(cè)。本文從加載力、軌道變形測(cè)試兩個(gè)關(guān)鍵因素出發(fā)分析了加載車軌道剛度檢測(cè)的可靠性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，介紹了軌道剛度測(cè)試的重復(fù)性和剛度薄弱區(qū)段的測(cè)試效果。

軌道變形 加載車 軌道剛度

國(guó)內(nèi)外研究表明，軌道剛度對(duì)車輛運(yùn)行性能有著直接影響。但是，由于其線下基礎(chǔ)的形式多樣，軌道綜合剛度具有非常強(qiáng)的離散性。常規(guī)的地面定點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)和方法只能選擇有限測(cè)點(diǎn)來(lái)檢測(cè)軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，無(wú)法掌握線路全部軌道結(jié)構(gòu)的總體情況，也很容易遺漏狀態(tài)不良的軌道區(qū)段。美國(guó)、日本、瑞典等國(guó)家研制了移動(dòng)設(shè)備來(lái)進(jìn)行線路軌道剛度的試驗(yàn)研究［1-3］，我國(guó)也開(kāi)展了此類研究［4］。2011年，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研制出新的移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)車，見(jiàn)圖1。該車由儀器試驗(yàn)車(圖1中左側(cè))和動(dòng)力加載車(圖1中右側(cè))兩輛車組成。

圖1 移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)車

1 軌道剛度檢測(cè)原理

軌道剛度定義為當(dāng)一個(gè)集中荷載作用在鋼軌上時(shí)鋼軌產(chǎn)生單位下沉所對(duì)應(yīng)的集中荷載大小。假設(shè)集中荷載為P，軌道最大變形為Zmax，則軌道剛度k=P/ Zmax。該剛度包含了扣件剛度、道床剛度等軌道部件的剛度。

從軌道剛度的定義可知，軌道剛度檢測(cè)的兩個(gè)關(guān)鍵測(cè)量參數(shù)是力和軌道變形。加載車通過(guò)對(duì)鋼軌施加恒定的荷載，同時(shí)測(cè)試加載前后的鋼軌變形差，經(jīng)計(jì)算得到軌道剛度。

車體振動(dòng)、軌道不平順對(duì)加載到鋼軌上的力大小有很大的影響，但加載車進(jìn)行軌道剛度測(cè)試時(shí)要求加載力是恒定值，因此如何控制加載力使其恒定成為加載車軌道剛度測(cè)試的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。軌道自身就存在高低不平順，如何在加載車移動(dòng)時(shí)對(duì)軌道的變形進(jìn)行測(cè)量同時(shí)消除軌道自身不平順的影響是加載車軌道剛度檢測(cè)的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2 移動(dòng)恒定加載控制技術(shù)

國(guó)際上，移動(dòng)加載有兩種實(shí)現(xiàn)方式:美國(guó)、日本的加載車采用的是液壓伺服作動(dòng)器直接通過(guò)輪對(duì)向軌道進(jìn)行可控加載［1-2］，瑞典的軌道剛度檢測(cè)車則通過(guò)液壓作動(dòng)器激勵(lì)質(zhì)量塊振動(dòng)來(lái)間接產(chǎn)生動(dòng)態(tài)激振力［3］。國(guó)內(nèi)加載車采用的是液壓伺服作動(dòng)器這種方式。

在加載車運(yùn)行時(shí)，車體振動(dòng)及軌道上各種波長(zhǎng)和頻率的不平順都可能影響加載控制精度。尤其是軌道短波不平順作為高頻激擾輸入到輪軌間的加載界面時(shí)，對(duì)加載精度影響很大。對(duì)此通過(guò)理論仿真分析提出實(shí)現(xiàn)恒定加載的技術(shù)關(guān)鍵。

2.1 理論分析

建立圖2所示的仿真模型，圖中m1為車體質(zhì)量，k1，b1為車輛懸掛參數(shù)，m2為加載轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，k2，b2為車體與加載架之間的剛度和阻尼，也就是液壓加載系統(tǒng)的剛度和阻尼。k3，b3為軌道剛度和阻尼。由模型可知，如果要減小干擾力F，只能是盡量減小k2值。

不同k2(硬模式及軟模式)時(shí)干擾力波形對(duì)比如圖3所示。對(duì)于車輛振動(dòng)，假定其頻率為3 Hz，幅值為25 mm。采用剛度約100 kN/mm常規(guī)作動(dòng)器時(shí)稱為硬模式。作動(dòng)器剛度減小為1 kN/mm稱為軟模式?？梢?jiàn)，即使車體振動(dòng)幅值為75 mm，軟模式時(shí)干擾力幅值亦明顯小于硬模式。

對(duì)于1 mm幅值不同波長(zhǎng)軌道不平順，不同k2值引起的干擾力如圖4所示?？梢?jiàn)，硬模式的干擾力明顯大于軟模式的。

圖2 仿真模型

圖3 不同k2時(shí)干擾力波形對(duì)比

圖4 不同k2值時(shí)干擾力對(duì)比

2.2 實(shí)施方案

基于仿真分析的結(jié)論，創(chuàng)新性地在加載車的作動(dòng)器上串接了氣囊儲(chǔ)能器，由其吸收車輛振動(dòng)和軌道不平順帶來(lái)的作動(dòng)器位移。在合理設(shè)置氣囊儲(chǔ)能器壓力值的情況下，作動(dòng)器系統(tǒng)的總體剛度降低至1 kN/mm以下，從而顯著減小了移動(dòng)過(guò)程中的干擾力，實(shí)現(xiàn)高精度恒定加載。液壓系統(tǒng)及氣囊儲(chǔ)能器的布置如圖5所示。

圖5 氣囊儲(chǔ)能器布置示意

3 軌道變形動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)

3.1 檢測(cè)原理

加載車在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，車體自身的振動(dòng)以及軌道靜態(tài)不平順等會(huì)作為干擾因素影響鋼軌變形的檢測(cè)精度。為此，采用圖6所示雙弦測(cè)法來(lái)提高檢測(cè)精度。

圖6 雙弦測(cè)法原理示意

圖6 中A″B″C″和A'B'C'表示由3個(gè)測(cè)點(diǎn)組成的同一檢測(cè)梁由于車輛浮沉和點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的位置變化。由弦測(cè)法原理可知，兩者測(cè)得的軌道位移都等同于由AOC檢測(cè)弦測(cè)量到的數(shù)值(Δ+y0)，因此采用單一弦測(cè)法可以消除車輛振動(dòng)對(duì)軌道位移值檢測(cè)的影響。

另外，采用兩套完全相同的弦測(cè)系統(tǒng)，分別檢測(cè)加載前后的軌道位移值，可得到加載前的軌道位移值yL和加載后的軌道位移值yH。其中，yL=Δ+y0，yH=Δ +y0+y1。顯然yH－yL=y1，這樣基線誤差Δ、軌面靜態(tài)不平順y0均從測(cè)量數(shù)據(jù)中剔除，從而得到軌道彈性下沉量y1，也就是鋼軌變形值。

3.2 合理的弦長(zhǎng)

確定合理的弦長(zhǎng)值是弦測(cè)法的基本要求。以60 kg/m鋼軌、輪重P=125 kN為例，計(jì)算不同鋼軌剛度下單輪加載影響線，如圖7所示。從圖中可看出，在加載點(diǎn)4 m以外，輪載對(duì)軌道變形影響極小。

圖7 單輪加載影響線

由于實(shí)際上無(wú)法實(shí)現(xiàn)4 m弦長(zhǎng)布置，因此考慮加載輪和鄰輪的共同影響，在2 m左右選擇最優(yōu)弦長(zhǎng)值。圖8為加載輪+鄰輪影響線(局部放大)圖，可看出，基線點(diǎn)選擇在距加載輪1.7 m處時(shí)，對(duì)于剛度在70～120 MN/m的軌道，影響線引起的誤差控制在0.02 mm以內(nèi)。對(duì)于剛度為50 MN/m的軌道，影響線引起的誤差控制在0.1 mm左右，相對(duì)于其接近2.4 mm的軌道變形，誤差可忽略不計(jì)。因此，3點(diǎn)弦測(cè)的弦長(zhǎng)取為1.7 m。

圖8 加載輪+鄰輪影響線(局部放大)

3.3 實(shí)施方案

根據(jù)弦測(cè)法原理，為了同時(shí)檢測(cè)左右軌的鋼軌變形，系統(tǒng)總計(jì)需要12個(gè)傳感器，分布情況及編號(hào)如圖9所示。

圖9 軌道變形檢測(cè)系統(tǒng)組成

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 加載力精度驗(yàn)證試驗(yàn)

將中間加載輪對(duì)更換為測(cè)力輪對(duì)，對(duì)加載后的輪軌力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。在某重載鐵路進(jìn)行測(cè)試時(shí)垂向加載300 kN、速度60 km/h情況下測(cè)力輪對(duì)測(cè)得的波形如圖10(a)所示，左右輪的輪軌力均在150 kN上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度大約5 kN。而正常情況下左右輪的輪軌都會(huì)有更大范圍的波動(dòng)，圖10(b)所示。

不同速度下多次測(cè)量的輪軌垂向力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，在移動(dòng)加載過(guò)程中不同速度下加載車能夠保持穩(wěn)定的垂向加載，但隨著速度的增加輪軌垂向力波動(dòng)增大(均方差變大)。

考慮到測(cè)力輪對(duì)自身的測(cè)量精度為3%，可以認(rèn)為移動(dòng)加載的最終精度優(yōu)于150×3%+5=9.5 kN，精度約為7%。美國(guó)TTCI的加載車的靜態(tài)加載精度為5%。一般動(dòng)態(tài)加載精度要低于靜態(tài)加載精度，因此國(guó)內(nèi)加載精度已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

4.2 軌道變形精度驗(yàn)證試驗(yàn)

在測(cè)試過(guò)程中，對(duì)動(dòng)力加載車和儀器車分別測(cè)得的弦測(cè)值波形進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖11，可見(jiàn)加載前后軌道高低的波形趨勢(shì)相同，說(shuō)明上述測(cè)試原理可行，二者相減后得到的軌道變形可信。

在無(wú)砟軌道的不同區(qū)段利用傳統(tǒng)的地面位移測(cè)試方法進(jìn)行了多次測(cè)量，并與加載車測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖10 液壓控制得到的輪軌力與正常車輛得到的輪軌力對(duì)比

表1 150 kN加載不同速度下測(cè)力輪對(duì)輪軌垂向力統(tǒng)計(jì)

圖11 動(dòng)力加載車和儀器車分別測(cè)得的弦測(cè)值波形

由表2可見(jiàn)，加載力在150 kN以內(nèi)時(shí)，加載車剛度檢測(cè)系統(tǒng)的垂向鋼軌位移檢測(cè)精度優(yōu)于0.1 mm。

表2 某無(wú)砟軌道區(qū)段不迥方法測(cè)得的鋼軌垂向位移對(duì)比

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5.1 軌道剛度檢測(cè)重復(fù)性試驗(yàn)

在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)某區(qū)段進(jìn)行了三次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。三次測(cè)試得到的軌道變形量基本一致，趨勢(shì)完全吻合?？梢?jiàn)，加載車軌道剛度測(cè)試數(shù)據(jù)具有良好的重復(fù)性，檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

圖12 多次測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性

5.2 軌道剛度檢測(cè)有效性試驗(yàn)

在進(jìn)行軌道剛度測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)多處軌道剛度薄弱點(diǎn)，然后在其中一處區(qū)段內(nèi)進(jìn)行了靜止加載對(duì)軌道變形進(jìn)行復(fù)核，具體結(jié)果如圖13所示。因此，加載車移動(dòng)測(cè)得的軌道變形與靜止時(shí)測(cè)得的軌道變形有良好的一致性。

圖13 加載車移動(dòng)和靜止時(shí)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)論

本文對(duì)加載車軌道剛度中兩個(gè)關(guān)鍵因素——加載力和軌道變形的動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)予以分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證和應(yīng)用情況，得出如下結(jié)論:

1)加載車通過(guò)改變液壓伺服作動(dòng)器的剛度實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道施加恒定荷載的目的，荷載的控制精度達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

2)加載車采用雙弦測(cè)法對(duì)加載后的軌道變形進(jìn)行測(cè)試。利用常規(guī)的地面彈片式位移計(jì)評(píng)價(jià)軌道變形檢測(cè)系統(tǒng)的精度，在150 kN以內(nèi)時(shí)，加載車剛度檢測(cè)系統(tǒng)的垂向鋼軌位移檢測(cè)精度優(yōu)于0.1 mm。

3)加載車在現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)得軌道變形具有良好的重復(fù)性，可見(jiàn)加載車軌道剛度檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

4)加載車靜態(tài)測(cè)試的軌道變形與動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果有良好的一致性。

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(責(zé)任審編李付軍)

U216.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.37

1003-1995(2015)06-0143-04

2015-01-15;

2015-03-20

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2014G009-A)

潘振(1982—)，男，河北保定人，助理研究員，碩士。