高速鐵路軌道不平順預(yù)設(shè)試驗(yàn)最大幅值的研究

楊 飛，黎國(guó)清，劉金朝，孫善超

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道部基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心，北京 100081)

軌道不平順是輪軌系統(tǒng)的激擾源，是引起列車車輛振動(dòng)和輪軌作用力的主要原因。嚴(yán)重的軌道不平順不但會(huì)引起機(jī)車車輛劇烈的振動(dòng)，影響乘客乘坐的舒適性，甚至還會(huì)導(dǎo)致列車脫軌，危及行車安全。國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐證明，如果軌道的平順狀態(tài)滿足要求，列車的振動(dòng)和動(dòng)作用力都不太大，行車安全和平穩(wěn)舒適性就能得到保證，軌道和機(jī)車車輛部件的使用周期和維修周期也會(huì)得到延長(zhǎng)。安全和舒適一直是高速鐵路的核心問(wèn)題，與之密切相連的軌道不平順也受到更大的關(guān)注［1-3］。

通過(guò)預(yù)設(shè)軌道不平順實(shí)車試驗(yàn)的方法進(jìn)行高速鐵路線路狀態(tài)管理標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證和探索，在高速鐵路上預(yù)設(shè)軌道不平順，用實(shí)際運(yùn)營(yíng)的動(dòng)車組以不同的速度級(jí)運(yùn)行，再通過(guò)車上車下的檢測(cè)設(shè)備來(lái)實(shí)際檢測(cè)動(dòng)車組的動(dòng)力響應(yīng)性能。但是，實(shí)設(shè)不平順試驗(yàn)首先應(yīng)當(dāng)考慮試驗(yàn)的安全性，目前世界各國(guó)普遍的做法是先通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算出合適的不平順?lè)?，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)逐級(jí)提速的方法來(lái)保證安全。

1 幾何不平順輸入模型

由于無(wú)砟軌道比有砟軌道更易保持預(yù)設(shè)不平順的幅值及波長(zhǎng)，因此，本文先考慮在無(wú)砟軌道線路上設(shè)置軌道不平順的情況?？紤]到仿真計(jì)算時(shí)輸入的軌道激勵(lì)不平順應(yīng)最大程度接近現(xiàn)場(chǎng)情況，先在無(wú)砟軌道上預(yù)設(shè)多處不平順，用靜態(tài)小車測(cè)量實(shí)際的不平順線型狀況，通過(guò)整理分析，可發(fā)現(xiàn)，調(diào)整確認(rèn)后的各不平順線型主要接近圖1所示類型。

圖1 靜態(tài)小車測(cè)量實(shí)際的不平順線型

實(shí)際證明，由于鋼軌具有一定的彈性，即使想把鋼軌調(diào)整為階梯狀，最后也變?yōu)橛嘞倚螤?，因此，輸入的軌道激?lì)不平順基本可等效為余弦形不平順(圖2)。

其中，A為幅值，λ為波長(zhǎng)。

圖2 等效的軌道激勵(lì)不平順(余弦形)

2 動(dòng)力學(xué)仿真模型建立及其驗(yàn)證

1)利用 ADAMS/RAIL動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立了CRH2的動(dòng)力學(xué)整車模型和CHN60踏面輪廓圖如圖3和圖4所示。

圖3 CRH2整車動(dòng)力學(xué)模型

圖4 CHN60踏面輪廓

2)為驗(yàn)證高低項(xiàng)目仿真結(jié)果的實(shí)用性，在某無(wú)砟軌道上預(yù)設(shè)一處10 m波長(zhǎng)幅值為8 mm的高低，使用CRH2型動(dòng)車組以不同的速度級(jí)通過(guò)，最高速度級(jí)為320 km/h，利用測(cè)力輪對(duì)測(cè)得通過(guò)此處時(shí)輪重減載率的大小，將輪重減載率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作平均后和仿真數(shù)據(jù)作對(duì)比，如圖5所示。從圖5中可以看出，各速度級(jí)下實(shí)測(cè)輪重減載率基本在仿真結(jié)果趨勢(shì)線的上下均勻分布，考慮到測(cè)試數(shù)據(jù)的離散性和以及現(xiàn)場(chǎng)不可能是單一的高低不平順，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較小誤差，總之，在高低項(xiàng)目上仿真結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。

3)為驗(yàn)證軌向項(xiàng)目仿真結(jié)果的實(shí)用性，在某無(wú)砟軌道上預(yù)設(shè)一處6 mm的軌向，使用CRH2型動(dòng)車組以不同的速度級(jí)通過(guò)，最高速度級(jí)為320 km/h，利用測(cè)力輪對(duì)可以測(cè)得通過(guò)此處時(shí)脫軌系數(shù)的大小值，將脫軌系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作平均后和仿真數(shù)據(jù)作對(duì)比，如圖6所示。從圖6中可以看出，軌向?qū)崪y(cè)的離散性較大，和仿真結(jié)果有一定的偏差，但各速度級(jí)下實(shí)測(cè)脫軌系數(shù)基本在仿真結(jié)果趨勢(shì)線的上下均勻分布，考慮到測(cè)試數(shù)據(jù)本身的離散性和測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性，仿真結(jié)果在軌向項(xiàng)目上應(yīng)當(dāng)是可以適用的。

4)同樣，為驗(yàn)證水平項(xiàng)目仿真結(jié)果的實(shí)用性，在某無(wú)砟軌道上預(yù)設(shè)一處6 mm的水平，使用CRH2型動(dòng)車組以不同的速度級(jí)通過(guò)，最高速度級(jí)同樣為320 km/h，利用測(cè)力輪對(duì)可以測(cè)得通過(guò)此處時(shí)脫軌系數(shù)和減載率的大小，將脫軌系數(shù)和減載率試驗(yàn)數(shù)據(jù)作平均后和仿真數(shù)據(jù)作對(duì)比，如圖7～圖8所示，從圖7～圖8中可以看出，各個(gè)速度級(jí)下實(shí)測(cè)減載率基本在仿真結(jié)果趨勢(shì)線以下，實(shí)測(cè)脫軌系數(shù)與仿真結(jié)果趨勢(shì)線偏差稍大，但基本上也在仿真結(jié)果趨勢(shì)線上下均勻分布，考慮到測(cè)試數(shù)據(jù)具有一定的離散性和測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性，以及水平對(duì)減載率的影響要大于脫軌系數(shù)，仿真結(jié)果在水平項(xiàng)目上是可以適用的。

圖5 動(dòng)車減載率仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比(高低8 mm)

圖6 動(dòng)車脫軌系數(shù)仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比(軌向6 mm)

圖7 輪重減載率仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比(水平6 mm)

3 軌道不平順預(yù)設(shè)試驗(yàn)最大幅值的研究

3.1 高低不平順

理論分析和試驗(yàn)證明，高低不平順會(huì)激起車體和轉(zhuǎn)向架的垂向沉浮和點(diǎn)頭振動(dòng)，并使得輪軌作用力產(chǎn)生很大的增減變化，因此高低不平順主要影響列車的垂向加速度和減載率。以下給出10 m波長(zhǎng)垂向加速度和輪重減載率隨高低不平順?lè)翟黾拥姆抡娼Y(jié)果圖。從圖9、圖10中可以看出，隨著速度的增大，動(dòng)車車體的垂直加速度和輪重減載率逐漸增大;隨著不平順?lè)档脑黾?，?dòng)車車體垂向加速度和減載率單調(diào)遞增，且近似為線性關(guān)系。由圖9和圖10建議實(shí)車試驗(yàn)速度達(dá)到350 km/h和400 km/h時(shí)在無(wú)砟軌道上預(yù)設(shè)的高低不平順最大幅值為9 mm和8 mm。

圖8 脫軌系數(shù)仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比(水平6 mm)

圖9 垂向加速度隨著幅值增加的變化情況

圖10 輪重減載率隨著幅值增加的變化情況

3.2 軌向不平順

理論分析和試驗(yàn)證明，軌向不平順會(huì)激起車體的搖頭和側(cè)擺振動(dòng)，并使得輪軌作用力中橫向力增大，因此軌向不平順主要影響列車的橫向加速度和脫軌系數(shù)。以下給出10 m波長(zhǎng)橫向加速度和脫軌系數(shù)隨軌向不平順?lè)翟黾拥姆抡娼Y(jié)果圖。從圖11、圖12中可以看出，隨著速度的增大，動(dòng)車車體的橫向加速度和脫軌系數(shù)呈遞增關(guān)系;隨著不平順?lè)档脑黾?，?dòng)車車體橫向加速度和脫軌系數(shù)單調(diào)遞增。在速度為400 km/h幅值為7 mm時(shí)，橫加幅值突增;在速度 350 km/h幅值為9 mm時(shí)，脫軌系數(shù)幅值突增;在速度400 km/h幅值為7 mm時(shí)，脫軌系數(shù)幅值突增。

因此，由圖11和圖12建議實(shí)車試驗(yàn)速度達(dá)到350 km/h和400 km/h時(shí)，在無(wú)砟軌道上預(yù)設(shè)的軌向不平順最大幅值為7 mm和6 mm。

3.3 軌距不平順

軌距不平順主要影響輪軌接觸的幾何關(guān)系，對(duì)列車的橫向加速度和脫軌系數(shù)有一定的影響。以下給出10 m波長(zhǎng)橫向加速度和脫軌系數(shù)隨大軌距和小軌距不平順?lè)翟黾拥姆抡娼Y(jié)果圖。從圖13～圖16中可以看出，隨著速度的增大，動(dòng)車車體的橫向加速度和脫軌系數(shù)基本呈遞增關(guān)系。隨著不平順?lè)档脑黾?，?dòng)車車體橫向加速度和脫軌系數(shù)單調(diào)遞增。速度400 km/h時(shí)，大軌距情況下橫向加速度和脫軌系數(shù)先低于速度350 km/h時(shí)橫向加速度和脫軌系數(shù)，然后突增。

圖11 橫向加速度隨著幅值增加的變化情況

圖12 脫軌系數(shù)隨著幅值增加的變化情況

圖13 橫向加速度隨著大軌距幅值增加的變化情況

為研究實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)軌距對(duì)車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在某無(wú)砟軌道上預(yù)設(shè)一處7 mm的大軌距和5 mm的小軌距，使用CRH2型動(dòng)車組以不同的速度級(jí)通過(guò)，最高速度級(jí)為330 km/h，利用測(cè)力輪對(duì)可以測(cè)得通過(guò)此處時(shí)脫軌系數(shù)的大小，如圖17所示，可見(jiàn)大軌距和小軌距對(duì)動(dòng)車安全運(yùn)行的影響很小。因此根據(jù)目前300 km/h≤V≤350 km/h動(dòng)態(tài)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和圖13～圖16，建議在速度350 km/h和400 km/h時(shí)在無(wú)砟軌道上預(yù)設(shè)的大軌距不平順最大幅值為7 mm和6 mm，小軌距不平順最大幅值為 5 mm 和 4 mm［4］。

圖14 脫軌系數(shù)隨著大軌距幅值增加的變化情況

圖15 橫向加速度隨著小軌距幅值增加的變化情況

圖16 脫軌系數(shù)隨著小軌距幅值增加的變化情況

3.4 水平不平順

水平不平順加劇車輛的側(cè)滾、側(cè)擺振動(dòng)，使得輪軌側(cè)向力增大，對(duì)列車的橫向加速度、垂向加速度、減載率和脫軌系數(shù)都有影響。以下給出10 m波長(zhǎng)橫向加速度、垂向加速度、減載率和脫軌系數(shù)隨水平不平順?lè)翟黾拥姆抡娼Y(jié)果圖。從圖18～圖21中可以看出，隨著速度的增大，動(dòng)車車體的橫向加速度、垂向加速度、脫軌系數(shù)和減載率呈遞增關(guān)系;隨著不平順?lè)档脑黾?，?dòng)車車體的橫向加速度、垂向加速度、脫軌系數(shù)和減載率也單調(diào)遞增。

因此，由圖 18～圖 21，建議實(shí)車試驗(yàn)速度達(dá)到350 km/h和400 km/h時(shí)在無(wú)砟軌道上預(yù)設(shè)的水平不平順最大幅值為8 mm和7 mm。

綜上所述，高速鐵路軌道預(yù)設(shè)不平順試驗(yàn)最大建議安全值如表1所示。

圖17 大軌距和小軌距實(shí)測(cè)脫軌系數(shù)變化

圖18 垂向加速度隨著幅值增加的變化情況

圖19 橫向加速度隨著幅值增加的變化情況

圖20 減載率隨著幅值增加的變化情況

圖21 脫軌系數(shù)隨著幅值增加的變化情況

表1 高速鐵路軌道預(yù)設(shè)不平順試驗(yàn)最大建議安全值 mm

4 結(jié)論

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，運(yùn)營(yíng)速度的不斷提高，與之相配套的管理標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)當(dāng)更加完善。因此，越來(lái)越多的科研工作者希望能夠進(jìn)行預(yù)設(shè)不平順的實(shí)車試驗(yàn)，以輔助制訂更加準(zhǔn)確、合理、經(jīng)濟(jì)的管理標(biāo)準(zhǔn)。

1)通過(guò)先在某無(wú)砟軌道線路上預(yù)設(shè)幾處軌道不平順，用靜態(tài)小車測(cè)量其線型狀況，確定仿真計(jì)算時(shí)輸入的軌道激勵(lì)不平順用余弦形不平順比較合適。

2)建立了CRH2的動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)320 km/h以下的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和完善。

3)通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，詳細(xì)研究了軌道不平順和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。對(duì)于高低項(xiàng)目，隨著速度和幅值的增加，近似為線性遞增關(guān)系;對(duì)于軌向項(xiàng)目，隨著速度和幅值的增加，動(dòng)力學(xué)響應(yīng)單調(diào)遞增，但會(huì)有響應(yīng)突增現(xiàn)象，軌距項(xiàng)目也有類似現(xiàn)象;對(duì)于軌向項(xiàng)目，隨著速度和幅值的增加，各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)也表現(xiàn)為遞增關(guān)系。

4)給出了350 km/h和400 km/h下軌道不平順試驗(yàn)預(yù)設(shè)的最大安全值，為完善試驗(yàn)方案、節(jié)約試驗(yàn)成本提供理論支撐。

［1］羅林，張格明，吳旺青，等.輪軌系統(tǒng)軌道不平順狀態(tài)的控制［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

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［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.科技基［2008］65號(hào) 客專300～350公里軌道不平順動(dòng)態(tài)管理值［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

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［6］鐵道部科學(xué)研究院.客運(yùn)專線300 km/h軌道不平順管理值的研究［R］.北京:鐵道部科學(xué)研究院，2008.