李 銘

（中國鐵路上海局集團有限公司 上海高鐵維修段，上海 200439）

保證高速列車運行的安全性、平穩(wěn)性與舒適性是線路軌道維修作業(yè)的根本目的. 我國高速鐵路網(wǎng)絡初步形成，華東地區(qū)的部分高鐵運營已超過10年. 隨著線路服役時間的增加，軌道服役性能也趨于劣化，由此引發(fā)的高速列車晃車事件已成為線路軌道運維中的主要矛盾. 鐵路管理部門通常通過軌道質(zhì)量指數(shù)和幅值來管理軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)[1]，但現(xiàn)階段出現(xiàn)軌道質(zhì)量指數(shù)（Track Quality Index, TQI）及幅值超限的情況極少，反而線路晃車超限報警不斷出現(xiàn). 作為解決此問題的有效手段，鋼軌維修作業(yè)在生產(chǎn)實踐中被廣泛應用. 因此，研究鋼軌維修對線路軌道平順性的影響，直接關系到高速鐵路養(yǎng)護維修計劃的有效制訂.

對于高速鐵路軌道不平順的相關問題，國內(nèi)外學者展開了大量研究，如高望翰等[2]分析高鐵的高低不平順擬合譜，突出了波長3.3～5.0 m波段特征；楊翠平等[3]利用主成分分析法對軌道不平順進行降維，提出15個時域特征量對軌道質(zhì)量指數(shù)進行補充的方法；楊友濤等[4]基于多元經(jīng)驗模態(tài)分解分析了高速鐵路軌道不平順參數(shù)間的相關性，給出軌道不平順的能量分布及對應的波長特征；張坤等[5]利用SIMPACK軟件討論不同類型軌道不平順對高速列車行車的影響；張榮鶴等[6]研究軌向及高低不平順對輪軌系統(tǒng)動力學影響，確定各不平順值下的限速標準；田新宇等[7]基于輪軌動力學和實測數(shù)據(jù)探討對晃車影響較大的線路長波不平順的管理方法及指標；楊飛等[8]采用60 m弦長進行高鐵線路長波不平順的靜態(tài)測量及控制標準. 這些研究深化了對高速鐵路軌道不平順管理的認識，但值得注意的是，現(xiàn)有研究多是針對評估高鐵無砟軌道狀態(tài)及其對列車運行影響而展開的分析，對典型線路鋼軌維修作業(yè)后軌道線路平順性的狀態(tài)分析研究較少，尚存在進一步討論分析的空間.

基于此，本研究從線路軌道不平順運維的實際入手，根據(jù)線路鋼軌養(yǎng)修資料，分析軌道不平順的時頻分布特征，確定線路對列車運行敏感波長的變化規(guī)律，為科學合理地管理高速鐵路軌道不平順提供技術和理論支撐.

1 樣本來源

根據(jù)鐵路管理部門提供的運維資料，分別選取鋼軌修理前后，軌道綜合檢測列車的線路軌道檢測數(shù)據(jù). 軌道綜合檢測列車類型為CRH2C?2150，線路處于華東地區(qū)，軌道結(jié)構(gòu)為CRTS II型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，60型鋼軌，WJ?8型扣件，基礎結(jié)構(gòu)為32 m簡支梁橋，線路的設計速度為350 km/h，目前運營速度為300 km/h.

分別采用2020年9月線路鋼軌修理前以及2020年10月線路鋼軌維修后的檢測數(shù)據(jù)，檢測列車的速度為300 km/h，數(shù)據(jù)樣本長度為20 km，采樣間隔為0.25 m. 分析區(qū)段的鋼軌維修作業(yè)是由鐵路管理部門委托中鐵物總運維科技有限公司來進行的，采用96頭鋼軌修理車按照60N型中國標準鋼軌廓形進行打磨作業(yè)，打磨方案依據(jù)鋼軌磨削量最小來制定，鋼軌作業(yè)驗收標準均符合《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》（鐵總運（2014）357號），此區(qū)段未安排線路幾何形位靜態(tài)等調(diào)整維修作業(yè).現(xiàn)有研究結(jié)果表明，線路長波不平順顯著影響高速列車運行平穩(wěn)性[9?10]. 結(jié)合現(xiàn)有的無砟軌道維修規(guī)范[11]，本研究以1～42 m和1～120 m兩個波長區(qū)段的左高低不平順和左軌向不平順為例進行分析，確定鋼軌修理前后軌道不平順的分布特征.

2 軌道不平順的時域及頻域分析

2.1 時域分析

圖1為線路軌道高低不平順在不同波長區(qū)段的時域幅值分布圖. 同時為了分析其統(tǒng)計特征，也給出相應的箱型分布. 由圖可知，兩個波長區(qū)段下的高低不平順幅值均小于規(guī)范[11]中I級限值管理水平. 鋼軌修理作業(yè)對于1～42 m和1～120 m的波長區(qū)段高低幅值時域分布沒有顯著改善，均分布在±4 mm之間；僅1～120 m的波長在最大幅值方面有少量減小，約為1.5 mm. 為進一步討論區(qū)段高低不平順的分布，本研究同時計算上述區(qū)段的TQI，如圖2所示. 由圖可知1～42 m的波段時域分布有一定的改善，幅值區(qū)間減小約0.2 mm；而1～120 m區(qū)段僅對TQI最大峰值有顯著減小作用，最大峰值約降低0.7 mm，而對時域分布幾乎無影響.

圖1 高低不平順幅值分布Fig. 1 Amplitude distribution of longitudinal irregularity

圖2 高低不平順TQI分布Fig. 2 TQI distribution of longitudinal irregularity

圖3和圖4為相同樣本區(qū)段的左軌向幅值、TQI及箱型分布圖. 由圖可知對1～42 m波段，軌向不平順無論是幅值還是TQI都差異性較小；但在1～120 m的波段上，幅值及TQI均差異性顯著，說明鋼軌修理對于長波范圍內(nèi)的軌向不平順有較好 的控制效果.

圖3 軌向不平順幅值分布Fig. 3 Amplitude distribution of track alignment irregularity

圖4 軌向不平順TQI分布Fig. 4 TQI distribution of track alignment irregularity

2.2 頻域分析

為進一步討論鋼軌修理對軌道不平順的頻域影響規(guī)律，這里對高低及軌向不平順樣本進行功率譜密度計算，計算方法參考文獻[12]，選用Welch法，窗函數(shù)選用漢寧窗.

圖5 為左高低不平順譜計算結(jié)果. 由圖可知兩種波長區(qū)段下高低軌道不平順譜呈現(xiàn)多峰分布的特征，6.4 m和32 m周期性不平順突出，說明軌道板板長及橋梁跨度作用明顯. 對比鋼軌修理前后可知，兩種波長在3 m以下區(qū)段，鋼軌修理后較打磨前小，說明鋼軌修理對于中短波不平順作用效果顯著，但中長波（3 m以上）區(qū)間效果則不明顯.

圖5 左高低不平順譜Fig. 5 Spectrum of left longitudinal irregularity

圖6為左軌向不平順譜計算結(jié)果 . 由圖可知，兩種波長區(qū)段下軌向不平順譜同樣呈現(xiàn)多峰分布的特征，但中長波段周期性不平順不突出，僅在3.8 m以下的波長區(qū)間存在著較為豐富的窄帶凸形峰及尖峰譜線，說明鋼軌中存在一定的焊接接頭不平順以及鋼軌在軋制、運輸與鋪設過程中產(chǎn)生了硬彎. 對比打磨前后波形可知，鋼軌修理對于軌向不平順控制具有一定的效果，在全波段呈現(xiàn)減小趨勢，但減少的幅值有差異性，在32 m以上的波長區(qū)段減小的幅值相對較大.

圖6 左軌向不平順譜Fig. 6 Spectrum of left track alignment irregularity

3 軌道不平順與車體振動加速度的相干分析

為進一步討論軌道不平順波長對行車舒適性的影響，本研究采用相干分析分別計算高低不平順與車輛垂向振動加速度、軌向不平順與車輛橫向振動加速度的關系，從而確定軌道不平順的不利波長范圍.

根據(jù)互譜不等式，相干函數(shù)計算公式[12]為

式中： Sx(f)、Sy(f)分別為軌道不平順、車輛振動加速度； γ2xy越大表示相干程度越高.

圖7為高低不平順—車輛垂向加速度相干函數(shù)，可知1～42 m波長范圍內(nèi)鋼軌修理前后相干系數(shù)大于0.7的最不利波長區(qū)間近似不變，都位于波長35.714～29.412 m內(nèi)；而1～120 m波長內(nèi)，鋼軌修理的效果顯著，打磨后不利波長相干系數(shù)顯著降低，說明鋼軌修理有助于提高列車垂向運行舒適性.

圖7 高低—垂向加速度相干函數(shù)Fig. 7 Coherent function of longitudinal irregularity and vertical acceleration

圖8 為軌向—橫向加速度相干函數(shù). 由圖可知，鋼軌修理前后軌向不平順在兩個波長區(qū)間相干系數(shù)均呈現(xiàn)一定程度地降低，說明鋼軌修理對控制軌向不平順有一定幫助，但整體效果不明顯，這主要是由于高速鐵路橫向振動加速度不僅僅是由軌向不平順引起的，軌向不平順僅是主因，其成因較為復雜，因此其系數(shù)相對較小，不如高低不平順對垂向振動影響的效果顯著.

圖8 軌向—橫向加速度相干函數(shù)Fig. 8 Coherent function of track alignment irregularity and lateral acceleration

4 結(jié) 語

本研究通過對鋼軌修理前后的高速鐵路無砟軌道平順性進行分析，從時域、頻域以及相干分析3個角度探討1～42 m和1～120 m兩個波長區(qū)段的軌道不平順時空分布特征，得到如下結(jié)果：

1）在軌道不平順時域分布上，對分析的4種工況而言，鋼軌修理作業(yè)僅對1～120 m的軌向不平順TQI有顯著改善作用，最大幅值降低約0.7 mm，某種程度上可以緩解晃車問題；

2）在軌道不平順頻域分布上，鋼軌修理作業(yè)對于軌道不平順波長的組成沒有顯著作用，僅對3 m以下區(qū)段軌道不平順有一定的改善作用；

3）鋼軌修理作業(yè)對改善列車垂向振動有一定的效果，但對橫向振動的控制效果不顯著.