軌道結(jié)構(gòu)病害對(duì)車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)的影響

張志軍 中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司

開通高速鐵路能夠促進(jìn)相對(duì)應(yīng)區(qū)位發(fā)生相應(yīng)變革，也在一定程度上影響了區(qū)域的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)聚集，對(duì)相關(guān)區(qū)域的布局、空間發(fā)展都產(chǎn)生了重要影響。相比于其他交通運(yùn)輸方式，高速鐵路有較高的時(shí)效性，且受天氣因素影響較小。但另一方面，高速列車與軌道系統(tǒng)之間的問題更加復(fù)雜、突出。

一、車輛軌道耦合模型

通常情況下，在對(duì)車輛軌道缺陷下動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，需要促進(jìn)軌道和車輛基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建。大量研究人員分析了車輛與軌道之間的相互作用，最具廣泛力的為車輛軌道耦合動(dòng)力，該理論體系能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)軌道車輛獨(dú)立系統(tǒng)的有效銜接，并基于復(fù)雜軌下結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，從而保證理論能夠應(yīng)用于不同研究之中。在鐵路系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的不同方面，車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論有著十分廣泛的應(yīng)用。為了有效降低軌道局部傷損情況，需要構(gòu)建合理的動(dòng)力學(xué)分析模型。實(shí)際上，傳統(tǒng)車輛動(dòng)力學(xué)理論比較成熟，借助不同商用軟件能夠構(gòu)建不同車輛模型，且并不斷細(xì)化和完善分析、后期處理工作。但另一方面，上述模型未對(duì)參振機(jī)制充分考慮，且對(duì)軌道局部傷損未給予綜合考慮。

車體、輪對(duì)以及構(gòu)架是高速動(dòng)車組車輛體系中比較重要的組成部分。其中，借助軸箱子系統(tǒng)以及鋼彈簧能夠連接輪對(duì)和構(gòu)架，且鋼彈簧與軸向定位節(jié)點(diǎn)能夠提供輪對(duì)縱向、橫向以及垂向剛度，同時(shí)結(jié)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)不同，垂向減震器安裝也有所不同，一般都安裝早軸箱尾端以及構(gòu)架端部?？諝鈴椈赡軌?qū)崿F(xiàn)構(gòu)架與車體的垂向、縱向和橫向剛度，在此基礎(chǔ)上空氣彈簧也能夠看作二系減震設(shè)備，為車體提供橫向、垂向阻尼，附加的橫向阻尼一般是由本車體、橫向減震器以及與構(gòu)架提供，而且所采用的抗蛇形減震器能夠?yàn)槠涮峁┛v向阻尼。橫向止檔、抗側(cè)滾扭桿的扭轉(zhuǎn)、止檔剛度也能夠被車體以及轉(zhuǎn)向架提供。

二、軌道結(jié)構(gòu)病害

從宏觀幾何角度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)反映形式之一即是軌道不平順，也能夠體現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)綜合性能。同時(shí)軌道交通系統(tǒng)中，由于各方面因素的影響，不可避免的會(huì)出現(xiàn)軌道不平順的現(xiàn)象，其主要是由于軌道結(jié)構(gòu)、機(jī)車車輛出現(xiàn)疲勞破壞、振動(dòng)以及穩(wěn)定性降低的主要因素。在高速情況下，上述問題反應(yīng)更加明顯。確定性不平順以及隨機(jī)不平順是軌道不平順的主要分類，其中隨機(jī)不平順一般是指軌道生產(chǎn)、安裝、運(yùn)輸以及施工等因素導(dǎo)致軌道最初階段出現(xiàn)幾何不平順的情況。確定性不平順也是隨機(jī)出現(xiàn)，但波形很容易對(duì)車輛產(chǎn)生激勵(lì)，能夠借助數(shù)學(xué)表達(dá)式描述。不同于隨機(jī)不平順，確定性不平順只針對(duì)特定位置。在軌道與車輛研究過程中，要重點(diǎn)評(píng)估整體軌道的優(yōu)劣，其能夠基于線路隨機(jī)不平順，且會(huì)對(duì)車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性以及舒適性造成影響。線路局部位置常見的異常是軌道病害，雖然有較小的范圍，但車輛通過會(huì)對(duì)車輛安全性、平穩(wěn)性造成影響，基于病害波長(zhǎng)不同，能夠?qū)④壍啦『Ψ譃槎滩?、中波以及長(zhǎng)波軌道病害。對(duì)高速鐵路無(wú)砟軌道而言，短波軌道病害具體包括剝離、焊縫凹凸不平順、擦傷、波浪形磨耗等情況，上述病害會(huì)將附加沖擊作用力應(yīng)用到車輛輪中。在反復(fù)沖擊后，導(dǎo)致鋼軌損壞、破壞的情況，針對(duì)錯(cuò)誤的情況，相關(guān)工作人員需要盡早處理。軌道板離縫、扣件失效等情況導(dǎo)致線路三角坑。在長(zhǎng)波軌道中，軌道不均勻沉降、路橋過渡段剛度不平順等是比較常見的病害類型。使得路基非均勻沉降的勻速相對(duì)較多，且比較復(fù)雜，比較常見因素與路段地基土質(zhì)之間有十分密切的關(guān)系。路基非均勻沉降將會(huì)有可能導(dǎo)致線路出現(xiàn)幾何變形情況，甚至?xí)?dǎo)致線路不能對(duì)同行條件滿足，使得線路的經(jīng)濟(jì)效益、運(yùn)能欠缺。

線路上常見的一個(gè)問題即是軌道隨機(jī)不平順，沿線路方向變化規(guī)則不固定，波形變化情況也相對(duì)復(fù)雜，波長(zhǎng)、幅值以及相位簡(jiǎn)諧波疊加形成波形，在線路運(yùn)行時(shí)間發(fā)生改變，因此其本質(zhì)上屬于一種隨機(jī)過程，不能用數(shù)學(xué)表達(dá)式給予準(zhǔn)確表達(dá)。在描述軌道隨機(jī)不平順時(shí)，一般應(yīng)用隨機(jī)過程相關(guān)理論，如概率密度函數(shù)、功率譜密度等，綜合描述幅值、空間波長(zhǎng)域等，來構(gòu)架軌道不平順功率譜密度函數(shù)。基于對(duì)軌道隨機(jī)不平順數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，軌道不平順功率譜密度函數(shù)因此形成，借助譜估計(jì)方法以及曲線擬合方法可以了解和掌握頻率功率譜密度的關(guān)系，能夠?qū)€路宏觀幾何狀態(tài)表征，指導(dǎo)軌道養(yǎng)護(hù)維修工作。

三、車輛相應(yīng)與軌道缺陷之間的關(guān)系

借助耦合理論對(duì)車輛模型、軌道缺陷模型和軌道模型構(gòu)建，能夠?qū)θ魏螘r(shí)段對(duì)任意車輛軌道相應(yīng)情況模擬，有效拓展耦合理論應(yīng)用空間。在實(shí)際應(yīng)用過程中，車輛響應(yīng)數(shù)據(jù)能夠作為位置或時(shí)間為自變量，其性質(zhì)為非周期一維信號(hào)。就信號(hào)層面看，一個(gè)信號(hào)能夠?qū)⒁欢ㄐ畔渲?，但上述信息?huì)有不同干擾，因此借助相關(guān)方法能夠明確干擾信號(hào)中的需求信息。短波、中波以及長(zhǎng)波軌道病害是軌道病害的主要類型，二系、一系懸掛存在車體、構(gòu)架以及輪對(duì)，借助簡(jiǎn)單分析，能夠明確軌道病害出現(xiàn)激擾會(huì)由于減震過濾效果，導(dǎo)致車輛不同部分出現(xiàn)差異。借助對(duì)比分析，可以明確波長(zhǎng)軌道病害導(dǎo)致的車輛相應(yīng)主體也存在差異。中波軌道的病害則處于上述兩種中間，主要是對(duì)構(gòu)架加速度響應(yīng)造成影響。導(dǎo)致上述差異主要因素包括：其一，是不同波長(zhǎng)軌道病害導(dǎo)致車輛頻率成本增加，與相應(yīng)波長(zhǎng)特征相符合。其二，一系、二系懸掛的阻尼特征會(huì)對(duì)大部分中高頻、高頻成分相應(yīng)能量耗散，從而使得病害影響增大，影響列車的正常運(yùn)行。

四、總結(jié)

綜上所述，軌道結(jié)構(gòu)病害對(duì)車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)有著十分突出的影響。就實(shí)際情況看，相關(guān)工作人員需要加強(qiáng)相應(yīng)研究，促進(jìn)理論在實(shí)踐中的具體應(yīng)用。針對(duì)分析、應(yīng)用過程中存在的不足，相關(guān)工作人員還需要加強(qiáng)相應(yīng)的研究，以期促進(jìn)軌道列車正常運(yùn)行。