王林棟

（中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京 100081）

基于振動響應(yīng)的高速鐵路鋼軌波磨快速檢測方法

王林棟

（中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京 100081）

鋼軌波磨可能引起車輛部件持續(xù)振動甚至損傷，是我國高鐵需要解決的重要問題之一?，F(xiàn)有直接測量法因效率低下不能滿足長大線路的檢測需求，車載測量法的檢測精度有待提高，這2種方法均無法有效反映出波磨對車輛部件的不利影響。因此需要一種新的檢測方法，以快速發(fā)現(xiàn)與車輛部件振動和損傷密切相關(guān)的鋼軌波磨。通過多次測試我國高鐵鋼軌波磨并分析軸箱振動特征，提出振動響應(yīng)快速檢測法。該方法能夠通過高速列車上的軸箱振動加速度測試數(shù)據(jù)快速得到鋼軌波磨情況和對應(yīng)里程位置，為鋼軌打磨提供依據(jù)。

高速鐵路；鋼軌波磨；快速檢測；振動響應(yīng)

0 引言

鋼軌波磨是產(chǎn)生輪軌嘯叫噪聲和接觸共振的主要原因之一。輪軌嘯叫經(jīng)常引起局部噪聲超標(biāo)，接觸共振很容易導(dǎo)致車輛部件損傷，以至影響列車安全。隨著我國高速鐵路的長期運營，鋼軌波磨（見圖1）問題越來越受到重視。

經(jīng)過一百多年的研究，對于鋼軌波磨的特征、機理和分類已經(jīng)比較明確，并逐漸摸索出一些預(yù)防和解決的方法。1993年，Grassie和Kalousek根據(jù)經(jīng)驗和大量文獻研究結(jié)果，按鋼軌波磨的波長、機理和軌道類型，將鋼軌波磨分為6類：重載波磨（200～300 mm）、輕軌波磨（500～1 500 mm）、彈性軌枕波磨（45～60 mm）、接觸疲勞波磨（150～450 mm）、車轍型波磨（50 mm（電車）、150～400 mm）、響軌波磨（25～80 mm）[1]，其中響軌波磨、彈性軌枕波磨等已經(jīng)在我國多條高速鐵路上出現(xiàn)。佐藤吉彥等評述了世界范圍內(nèi)（特別是日本）鋼軌波磨的調(diào)查和形成機理等主要研究成果[2]。譚立成等對大量既有線鋼軌波磨現(xiàn)象進行調(diào)研，對波磨的形成機理進行初步系統(tǒng)的試驗和理論研究[3]。馬培德等對鋼軌波磨形成原因進行分析，并給出預(yù)防措施[4]。

圖1 鋼軌波磨現(xiàn)象

近年來，我國在鋼軌波磨的機理和整治方面也取得了很大進步。劉啟躍等在實驗室中對波磨形成過程進行模擬和形成機理研究[5]。張繼業(yè)等采用滾動接觸理論建立彈塑性非穩(wěn)態(tài)滾動接觸有限元模型，計算輪軌間的蠕滑力和摩擦功，從力學(xué)角度對波磨的形成和發(fā)展機理進行研究[6]。王立乾針對我國高速鐵路波磨特點，分析形成波磨的動力類成因和鋼軌材質(zhì)的影響，總結(jié)出系列預(yù)防和減緩措施[7]。姜子清等根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)試驗結(jié)果，結(jié)合仿真分析研究波磨對輪軌垂直力和水平力的影響[8]。

1 鋼軌波磨測量方法和特點

鋼軌波磨的測量方法分為2種：直接測量法和間接測量法。

直接測量法是指通過放置在鋼軌表面的傳感器測量鋼軌表面短波不平順的方法。該方法可直接測量出波磨的幾何特征參數(shù)，不受任何輪軌接觸的影響，測試結(jié)果直觀，精度較高。國際上通常采用直接測量法作為評價鋼軌波磨及制定打磨策略的測量依據(jù)。

直接測量法的缺點是測量速度慢，耗時耗力。為了快速測量，近年來出現(xiàn)了車載測量法。該方法將激光傳感器等設(shè)備安裝到車輛上，在車輛快速運行中對波磨幾何參數(shù)進行測量。車載測量法是一種介于直接測量和間接測量之間的測量方法，相比直接測量法精度較低。

間接測量法是指通過輪軌接觸作用下的車輛響應(yīng)間接指標(biāo)，推算出鋼軌波磨的波長等特征參數(shù)。間接測量指標(biāo)包括車輛軸箱振動、噪聲或輪軌力等。該方法缺點是受到車輛和軌道結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等因素影響較大，不能準(zhǔn)確給出波磨幾何參數(shù)；優(yōu)點是能夠方便快捷地確定鋼軌波磨出現(xiàn)的地段，并能發(fā)現(xiàn)一些鋼軌初期波磨。

間接測量法還可以非常有針對性地獲得波磨對車輛特定參數(shù)的影響。如需要獲取波磨對車輛軸箱體的影響，可直接測試軸箱體的振動響應(yīng)參數(shù)并進行評估。如果需要獲取波磨對噪聲的影響，可直接測試噪聲參數(shù)并進行評估。如需獲取波磨對輪軌穩(wěn)定性的影響，可直接測試輪軌力并進行評估?？梢?，間接指標(biāo)是鋼軌波磨與車輛和鋼軌結(jié)構(gòu)耦合作用的結(jié)果，對于特定需求可選擇相應(yīng)的間接指標(biāo)進行測量。

鋼軌波磨會引起車輛部件持續(xù)振動甚至損傷，是我國高速鐵路需要解決的重要問題之一?，F(xiàn)有直接測量法因效率低下不能滿足長大線路的檢測需求，車載測量法的檢測精度難以滿足要求。而且車輛部件的振動與車輛結(jié)構(gòu)自身密切相關(guān)，直接測量法和車載測量法得到的波磨幾何參數(shù)難以合理評估對部件振動的影響。因此需要一種新的檢測方法，以快速發(fā)現(xiàn)與車輛部件振動和損傷密切相關(guān)的鋼軌波磨。

通過多次測試我國高速鐵路鋼軌波磨并分析軸箱振動特征，提出“振動響應(yīng)快速檢測法”，該方法屬于間接測量法。

2 振動響應(yīng)測量方法相關(guān)參數(shù)分析

2.1 鋼軌波磨幾何參數(shù)測量

近年來，中國鐵道科學(xué)研究院采用直接測量法對武廣高鐵、貴廣鐵路、蘭新鐵路和海南高鐵等部分區(qū)段的鋼軌波磨情況進行現(xiàn)場測量，測量結(jié)果見表1?？梢姡撥壊ゲㄩL大多在30～130 mm，波磨深度在0.03～0.08 mm。

表1 鋼軌波磨直接測量結(jié)果 mm

2.2 軸箱體振動頻率分析

軸箱體振動頻率主要與2個因素密切相關(guān)：

（1）各速度級下鋼軌波磨的激振頻率；

（2）軸箱體的固有頻率。

激振頻率與鋼軌波磨波長和車輛運行速度相關(guān)，波長越長頻率越低，速度越高頻率越高。

為包含多數(shù)運營情況，分析激振頻率范圍時速度級選擇160～350 km/h，分析結(jié)果見表2。

表2 各速度級下激振頻率 Hz

由表2可知，最高激振頻率為3 241 Hz，對應(yīng)波長為30 mm，對應(yīng)速度為350 km/h；最低激振頻率為342 Hz，對應(yīng)波長為130 mm，對應(yīng)速度為160 km/h。

中車青島四方機車車輛股份有限公司組織對時速350 km動車組軸箱體和時速250 km動車組軸箱體進行模態(tài)測試，測試結(jié)果見表3。固有頻率最高1 270 Hz、最低604 Hz。

在高速列車上安裝軸箱振動加速度傳感器，對多條高速鐵路鋼軌波磨區(qū)段進行測試。軸箱振動主要頻率見表4。實測主要頻率為370～1 100 Hz。

表3 軸箱體固有頻率 Hz

表4 高速列車實測軸箱振動頻率 Hz

雖然波長小于50 mm的鋼軌波磨在高速時激振頻率可能達到2 000 Hz以上，但線路實測中軸箱振動主要頻率（370～1 100 Hz）和軸箱體固有頻率（604～1 270 Hz）均未超過2 000 Hz?？紤]車型、車速等因素與已有實測對象可能存在差異，在振動響應(yīng)快速檢測法中頻率分析選擇300～2 000 Hz比較合理。如果測試中振動主要頻率超出這一范圍，數(shù)據(jù)分析應(yīng)適當(dāng)調(diào)整頻率分析范圍。

2.3 計算窗口長度分析

BS EN ISO 3095和BS EN 15610對鋼軌表面粗糙度的測量方法和限值進行了規(guī)范[9-10]，BS EN 13221-3規(guī)定了鋼軌打磨的驗收標(biāo)準(zhǔn)[11]。

《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》（鐵總運［2014］357號）規(guī)定了國內(nèi)鋼軌打磨驗收標(biāo)準(zhǔn)，要求手工檢測時連續(xù)測量鋼軌長度為30 m。采用波磨測量儀測量時選擇的區(qū)段一般大于30 m。實際測量中發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)波磨的鋼軌長度一般超過30 m。

因此，在振動響應(yīng)快速檢測法中采用30 m窗口長度分析軸箱加速度。這一窗口長度既可與手工檢測長度保持一致，又可基本消除焊縫等孤立缺陷的干擾。采用滑動計算，滑動步長選擇10 m，以獲得更密集準(zhǔn)確的計算結(jié)果。

3 振動響應(yīng)快速檢測法分析

振動響應(yīng)快速檢測法以高速列車為載體，在輪對兩側(cè)軸箱體上安裝加速度傳感器，測試分析振動加速度的有效值（RMS），從而實現(xiàn)長大線路鋼軌波磨的快速檢測。

加速度傳感器需要安裝在輪對兩側(cè)軸箱體上，測試方向為垂向。必要時增加對橫向振動的測試。加速度傳感器量程不小于±200g，頻率響應(yīng)范圍不小于2 000 Hz。信號采用連續(xù)采樣，采樣頻率不低于10 000 Hz。在部件振動特性比較明確的情況下，可根據(jù)情況選擇其他合適的傳感器和采樣頻率。

根據(jù)上述測量和分析結(jié)果，數(shù)據(jù)處理時加速度頻率分析為300～2 000 Hz，滑動計算窗口長度為30 m，滑動步長為10 m。振動響應(yīng)快速檢測法數(shù)據(jù)處理方法見表5。

表5 軸箱振動加速度數(shù)據(jù)處理方法

振動加速度有效值（RMS）計算公式：

式中：y為加速度信號值；x為信號采樣間距；L為分析窗口長度。

振動加速度有效值與軌道類型、運行速度等因素相關(guān)。為了更加客觀反映鋼軌波磨程度，可通過選擇參考段計算相對值的方法減弱此類因素的影響。參考段是一段比較光滑的無波磨線路區(qū)段，長度大于30 m。參考段運行速度級與需要檢測的線路區(qū)段相同。首先計算參考段的振動加速度有效值RMS0，再計算其他檢測段相對參考段的振動響應(yīng)比LR，計算公式如下：

式中：LR為振動響應(yīng)比，無量綱；RMS為檢測段振動加速度有效值；RMS0為參考段的有效值。

4 線路實測應(yīng)用效果

應(yīng)用振動響應(yīng)快速檢測法檢測海南高鐵鋼軌波磨情況。裝有軸箱加速度傳感器的高速列車類型為CRH2C，運行速度為200 km/h，與運營速度一致。

軸箱振動加速度傳感器安裝位置見圖2，傳感器精度為2%，量程為±200g。振動加速度有效值RMS計算結(jié)果見圖3。選擇未出現(xiàn)鋼軌波磨的一段線路作為參考段，計算軸箱振動響應(yīng)比LR（結(jié)果見圖4）。考慮人工選取參考段的不確定性，可采用同一速度級下最小RMS值作為參考段的RMS0值。從散點圖可以看出：在大部分區(qū)段未出現(xiàn)明顯鋼軌波磨；在個別區(qū)段，RMS和LR均出現(xiàn)相對較大的數(shù)值，其中RMS最大值為31.71 m/s2，LR最大值為12.18，對應(yīng)里程均為K31+745—775。

圖2 軸箱振動加速度傳感器安裝位置

圖3 海南高鐵軸箱振動加速度RMS數(shù)據(jù)散點

圖4 海南高鐵列車軸箱振動響應(yīng)比LR數(shù)據(jù)散點

觀察RMS和LR最大值所在區(qū)段的軸箱振動加速度原始數(shù)據(jù)（見圖5），可見，軸箱振動加速度明顯大于其他區(qū)段，振幅超過500 m/s2。加速度頻譜分析結(jié)果見圖6，存在非常明顯的805 Hz振動主頻。

圖5 RMS和 LR最大值對應(yīng)軸箱振動加速度波形

圖6 波磨區(qū)段軸箱加速度幅值譜

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)該區(qū)段鋼軌表面存在較明顯的波磨特征（見圖7）。采用鋼軌波磨測量儀現(xiàn)場測量，結(jié)果表明波磨波長約為63 mm，波磨幅值約為0.02 mm。波磨幅值雖然不是很大，但在輪軌耦合作用下已經(jīng)引起了較大的軸箱持續(xù)性振動。

圖7 鋼軌表面存在的較明顯波磨特征

線路實測結(jié)果表明：RMS值和LR值能夠有效反映出鋼軌波磨引起的軸箱振動響應(yīng)，可用于快速檢測鋼軌波磨。

5 結(jié)論

（1）振動響應(yīng)快速檢測法，在高速列車上安裝車載設(shè)備，根據(jù)振動加速度測試數(shù)據(jù)推斷鋼軌波磨情況，是檢測高速鐵路鋼軌波磨的一種有效方法。

（2）振動加速度有效值RMS和振動響應(yīng)比LR均與鋼軌波磨程度、車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，是輪軌耦合作用的結(jié)果，在檢測與部件持續(xù)振動和損傷相關(guān)的鋼軌波磨時尤為適用。

（3）振動響應(yīng)快速檢測法尚需進一步研究和改進，特別是在評價標(biāo)準(zhǔn)方面進一步明確，才能更加有效地指導(dǎo)鋼軌打磨整治工作。

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責(zé)任編輯高紅義

The Fast Testing Method of High Speed Railway Rail Corrugation on the Basis of Vibration Response

WANG Lindong
（Locomotive & Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Rail corrugation may cause continuous vibration and even damage of car components, which is a key problem needed to be solved for high speed railway in China. Current direct measurement cannot meet the detection requirements for long and large track due to its low efficiency, and the detecting precision of onboard measurement also need to be improved. Both measurements cannot reflect unfavorable influence on car components. Therefore, we need a new detecting method to fnd rail corrugation quickly that is relevant to the vibration and damage of car components. After testing high speed railway rail corrugation repeatedly and analyzing the vibration features of driving box, vibration response fast testing method is presented. The method can get rail corrugation condition and corresponding mileage location through vibration acceleration testing data of driving box on high speed train, providing basis for rail grinding.

high speed railway；rail corrugation；fast test；vibration response

U216.6

：A

：1001-683X（2017）07-0044-06DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2017.07.044

2017-03-16

王林棟（1976—），男，副研究員。 E-mail：13521785825@139.com