鐵路轉(zhuǎn)轍機震動情況的現(xiàn)場測試技術分析

【摘要】目前國內(nèi)不少鐵路安裝有進口的轉(zhuǎn)轍機，其性能穩(wěn)定、工作可靠是最大的優(yōu)點，但是對安裝路基的條件要求比較嚴格，否則將嚴重影響鐵路運行的安全。本文就鐵路提速后轉(zhuǎn)轍機工作環(huán)境震動的產(chǎn)生、特性進行了實地現(xiàn)場測試，分析計算，并提出完善意見。

【關鍵詞】鐵路震動分析；現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，鐵路提速已經(jīng)進行過多次，為了使提速后的鐵路轉(zhuǎn)轍機運行更安全、可靠，我們對目前國內(nèi)鐵路普遍存在的轉(zhuǎn)轍機隨鋼軌枕起伏而引起的鐵路信號異常的潛在問題，進行了現(xiàn)場實測、分析及計算等環(huán)節(jié)的工作。但是由于時間、條件等諸多方面的原因，工作帶有一定的局限性，所闡述的以下論點供參考，不妥之處敬請指正。

一、震動分析

業(yè)內(nèi)人士周知，在列車通過鐵路時鋼軌枕與路基之間在規(guī)定范圍內(nèi)允許有不大于6毫米的起伏差值。但由于各種客觀原因，有時會出現(xiàn)超過此值的現(xiàn)象（現(xiàn)實中最大達20毫米），結(jié)果之一是直接導致與鋼軌枕相連的轉(zhuǎn)轍機的工作異常，輕則出現(xiàn)信號異常，重則導致列車顛覆。與本實例相關的振動起因主要有受迫振動（包括沖擊振動）、共振及自激振動等。從現(xiàn)場錄象分析看，共振的效果不明顯。從轉(zhuǎn)轍機工作原理等方面看自激振動的條件不具備。由于列車通過的過程是連續(xù)的，因此沖擊振動也不占主導地位（沖擊振動主要發(fā)生在鋼軌接縫處，對轉(zhuǎn)轍機的影響不大），所以分析認為就安裝在Z形支撐板上的轉(zhuǎn)轍機呈現(xiàn)的振動而言，受迫振動是主要因素。按振動隨時間的變化規(guī)律論，本例也不是標準的簡諧振動。鋼軌枕受迫振動的基本過程是，承載著全部車體重量的運動車輪經(jīng)過時對轉(zhuǎn)轍機處的鋼軌產(chǎn)生的正壓力使得鋼軌及鋼軌枕產(chǎn)生向下的運動，車輪過后，鋼軌及鋼軌枕等在恢復力的作用下又向上運動，整列車按一定的速度通過時，節(jié)拍形成了，受迫振動產(chǎn)生了。

以我國客車總數(shù)中，數(shù)量最多的新造25G型硬座客車為例（固定軸距=2400毫米，車輛定距=18000毫米，車體長=25500毫米，車輛全長=26576毫米，自重=42.6噸，定員=118人（帶車長席的為112人），最高運行速度=160公里/小時），依據(jù)列車基本結(jié)構條件，當客車以126公里/小時的速度（實測數(shù)值）通過時，計算得出的各參數(shù)（周期和頻率）數(shù)值為：

二、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的基本情況及分析

（1）現(xiàn)狀。轉(zhuǎn)轍機與鋼軌枕的連接是通過一對Z形的鋼板支撐著的。（2）測試。現(xiàn)場主要采集的是鋼軌枕和轉(zhuǎn)轍機主支撐（即，Z形支撐）的振幅。其中，現(xiàn)場實測不同的列車類型所引起的震動幅度和頻率均不同。（3）數(shù)據(jù)分析。一是激振頻率。主要與所通過列車的結(jié)構形式有關?？蛙囃ㄟ^時，不僅速度高，且引起的振幅也大。二是說明。我們由以上分析的振動性質(zhì)知道，安裝在Z形支撐上的轉(zhuǎn)轍機是受迫振動，且Z形支撐在轉(zhuǎn)轍機振動時的慣性力的作用下，又產(chǎn)生被動變形（是在彈性變形范圍內(nèi)的），存在實際最大振幅與車輪作用點有個滯后量的現(xiàn)實，為了簡化分析，在下面的計算中將忽略。

三、實物系統(tǒng)分析

結(jié)合Z形支撐梁及安裝在上面的轉(zhuǎn)轍機系統(tǒng)（包括：道岔機構、鋼軌、軌枕、Z形支撐、轉(zhuǎn)轍機、動作機構及信號機構等——以下同）。（1）分析計算對象的基本情況。該系統(tǒng)共有2個對稱的Z形支撐板，其中每側(cè)（單個）的Z形支撐的實物尺寸為長1200毫米，寬260毫米，厚16毫米。但是從現(xiàn)場實物能清楚地看出，該Z形支撐的左端與鋼軌枕屬于牢固連接，其危險截面位于側(cè)筋板最薄弱處，而此處到最右端的尺寸為700毫米。由于該Z形支撐的右側(cè)700毫米段完成可以簡化成懸臂梁，其中Z形支撐的懸臂部分的質(zhì)量m2=23公斤，作用在單側(cè)Z形支撐板上的質(zhì)量m1=50公斤（轉(zhuǎn)轍機總重量的1/2）。（2）該系統(tǒng)（單側(cè)）的各項主要參數(shù)的計算及說明：一是慣性矩。Z形支撐板截面的慣性矩= 8.87cm4。二是影響。在轉(zhuǎn)轍機重量m1的單獨作用下，該Z形支撐板B端的自然撓度變形fa=3.153mm。這個撓度變形在安裝調(diào)試轉(zhuǎn)轍機后相對于整個系統(tǒng)而言處于平衡狀態(tài)，靜止或勻速運動（上下平動、平移）情況下不會對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生影響。（3）加速度。對于客車而言，前面已經(jīng)得出按126公里/小時的速度所對應的激振頻率=4.1Hz，若按20毫米的最大起伏條件計算得出B端的運動加速度為：a=ω2·δ=（4.1×6.28）2×20×10-3=13.26m/s2（比重力加速度g略高）。（4）慣性力。加速度a在B端產(chǎn)生的慣性力為：F=m1·a=50×13.26= 66Kg.（5）變形量。客車以126公里/小時的速度通過時，在66公斤的慣性力作用下，B端會產(chǎn)生新的撓度變形，變形量f加=4.23mm。若列車速度再提高，該數(shù)值將大幅度地增加（當混編貨車以200時速通過時產(chǎn)生的慣性力達475公斤，那么變形量≈31mm）。（6）說明。當轉(zhuǎn)轍機整個系統(tǒng)隨鋼軌枕同步地上下起伏動作時不會對整個系統(tǒng)造成工作異常，這種情況不會導致系統(tǒng)內(nèi)部機構之間出現(xiàn)相對位移，只是對轉(zhuǎn)轍機結(jié)構的可靠性提出相應的設計要求（轉(zhuǎn)轍機的結(jié)構設計應該是具有一定抗震能力的）。但是，若是由于Z形支撐的剛度不夠，在出現(xiàn)上下振動時產(chǎn)生的慣性力會造成B端繞A點產(chǎn)生擺動，這種情況將導致系統(tǒng)內(nèi)部機構之間出現(xiàn)相對位移，這樣就會對系統(tǒng)的穩(wěn)定工作構成威脅（如，引起轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部測試桿位置的變化，使信號輸出異常等），應該加以控制。（7）圓頻率計算。單側(cè)Z形支撐（包括轉(zhuǎn)轍機）的系統(tǒng)固有圓頻率為：ω=■=48.4rad/s；f=■=7.7Hz。以上結(jié)果也證明，按126公里/小時的速度運行的客車所產(chǎn)生的激振頻率在1.9Hz～4.1Hz之間，確實不在系統(tǒng)的固有頻率7.7Hz的共振頻率范圍之內(nèi)，所以沒有共振發(fā)生。

四、解決方案

在鋼軌枕與鐵路基之間的起伏差值不能消除的情況下，解決本系統(tǒng)的實際振動問題（包括轉(zhuǎn)轍機系統(tǒng)隨鋼軌枕上下勻速平動、平移與簡單減振彈簧之間的矛盾），建議采取以下幾項措施。（1）比較。國外轉(zhuǎn)轍機一般安裝在兩條鋼軌的中間，這樣就沒有如我國安裝在一端形成懸臂梁的弊病。當然，我國早期的國產(chǎn)轉(zhuǎn)轍機的支撐也有采用整體角鋼的安裝形式，其特點是結(jié)構簡單，整體剛性好。（2）改進措施。對本案例中的Z形支撐板的改進措施。由于側(cè)筋板原來的設計不合理，造成其結(jié)構的整體剛度低。當側(cè)筋板的高度尺寸=100毫米，厚度尺寸=16毫米時，截面的慣性矩I=133cm4。這樣，即使在200公里的時速產(chǎn)生的強烈振動條件下，使作用在B端的慣性力達到475公斤時，所產(chǎn)生的變形撓度也只有2mm。這是一個成本低、可靠而且能完全適應不同列車通過速度（包括列車停在道岔處的情況）的解決方案。

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