高速列車服役性能研究

林建輝，易　彩，張衛(wèi)華，丁建明，劉　璐，張　兵

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031）

高速列車服役性能研究

林建輝，易彩，張衛(wèi)華，丁建明，劉璐，張兵

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031）

高速列車運(yùn)行時(shí)空上的跨越所面臨的振動(dòng)、環(huán)境變化，使其服役狀態(tài)與安全性態(tài)始終處于時(shí)變狀態(tài)，給高速列車安全保障與健康維護(hù)帶來極大的挑戰(zhàn)。隨著高速列車運(yùn)營里程的增長，高速列車服役性能的研究成為保障我國高速列車技術(shù)持續(xù)發(fā)展的重要課題。在分析高速列車服役性能基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出了高速列車服役性能檢測(cè)體系，闡明了其建設(shè)內(nèi)容與方案，并發(fā)展了高速列車走行部跟蹤試驗(yàn)技術(shù)，跟蹤試驗(yàn)對(duì)高速列車服役性能的研究具有顯著成效與提升。最后，指出了本領(lǐng)域今后的發(fā)展趨勢(shì)及需重點(diǎn)關(guān)注與加強(qiáng)的研究工作。

高速列車；服役性能；列車檢測(cè)；跟蹤試驗(yàn)；性能演變

1　前言

截至2013年年底，我國新建高速鐵路運(yùn)營里程已達(dá)到11 000余千米，初步形成了“四縱四橫”高速鐵路骨干網(wǎng)。據(jù)我國高速鐵路發(fā)展規(guī)劃網(wǎng)，到2020年將建成1.8×104km的高速線路，形成“長三角”、“珠三角”和“環(huán)渤?！比齻€(gè)區(qū)域軌道交通網(wǎng)和對(duì)應(yīng)的輻射網(wǎng)[1]。這標(biāo)志著我國鐵路已經(jīng)進(jìn)入了運(yùn)行速度高、運(yùn)行里程長、運(yùn)行規(guī)模大的高鐵時(shí)代，并將以更加迅猛態(tài)勢(shì)繼續(xù)向前推進(jìn)。

隨著我國高速鐵路的蓬勃發(fā)展，路網(wǎng)規(guī)模的迅速擴(kuò)大，高速列車關(guān)鍵技術(shù)與性能研究也趨見豐富與深入。然而，高速列車運(yùn)行安全始終是高鐵研究、建設(shè)與運(yùn)行最關(guān)注的重點(diǎn)。高速列車運(yùn)行時(shí)空上的跨越所面臨的振動(dòng)、環(huán)境變化，使其服役狀態(tài)與安全性態(tài)始終處于時(shí)變狀態(tài)，對(duì)高速列車安全預(yù)警與健康維護(hù)帶來極大的挑戰(zhàn)。再者隨著高速列車服役時(shí)間的增加，與輪軌關(guān)系聯(lián)系最為緊密的走行部與軌道出現(xiàn)自身缺陷（如輪軌磨耗、部件失效、局部瑕疵、懸掛失效等）將導(dǎo)致高速列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能退化，存在脫軌、失穩(wěn)等重大安全隱患，最終危及到高速列車的安全運(yùn)營。另一方面，隨著我國高速列車運(yùn)營里程的不斷增長，掌握高速列車全生命周期內(nèi)各個(gè)關(guān)鍵部件及系統(tǒng)的服役性能演變規(guī)律，是進(jìn)一步優(yōu)化高速列車技術(shù)與主動(dòng)控制高速列車運(yùn)行安全的必要手段。因此開展高速列車服役性能研究，已成為高速列車可持續(xù)健康發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

隨著列車提速，列車與固定設(shè)備及空氣的相對(duì)運(yùn)行速度提高，列車和線路、接觸網(wǎng)與空氣間的相互作用加劇。速度給高速列車帶來的不僅是列車自身動(dòng)力學(xué)性能的挑戰(zhàn)，也帶來了列車高速運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性和穩(wěn)定性問題，以及振動(dòng)加劇所帶來的結(jié)構(gòu)可靠性問題；速度還導(dǎo)致列車與其相關(guān)的耦合振動(dòng)加劇，這不僅加劇了線路和弓網(wǎng)振動(dòng)，同時(shí)輪軌的高速滾動(dòng)、弓網(wǎng)的高速滑動(dòng)還將帶來摩擦磨損和接觸疲勞等失效問題；高速列車運(yùn)行下的空氣作用，不再是空氣阻力和列車表面的壓強(qiáng)問題，更重要的是氣流作用所誘發(fā)的安全性問題。安全問題的升級(jí)，加上高速列車的服役生命周期異于普通車輛，因此高速列車在各個(gè)運(yùn)用階段的服役性能如何掌握與控制，與高速列車持續(xù)運(yùn)用安全息息相關(guān)。我國高速列車技術(shù)雖然發(fā)展迅速，但起步時(shí)間較晚，運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)不是很豐富，因此對(duì)于高速列車運(yùn)用周期內(nèi)的服役性能研究及運(yùn)行安全問題應(yīng)該引起高度重視。

本文在分析高速列車服役性能及其復(fù)雜服役環(huán)境特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了高速列車服役性能檢測(cè)體系，描述與探討了高速列車服役性能跟蹤試驗(yàn)的幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)，并指出了該研究方向今后的發(fā)展趨勢(shì)以及需要加強(qiáng)與深入的研究工作。

2　高速列車服役性能概述

高速列車服役性能一般采用動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)、安全性指標(biāo)、振動(dòng)特性等來描述與表征。文獻(xiàn)[2～6]分別從輪對(duì)踏面錐度、車輪不圓、懸掛參數(shù)、軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)、軌道不平順等列車參數(shù)或故障模式下研究了列車服役過程中服役性能的變化及對(duì)列車運(yùn)行安全的影響。高速列車服役性能下降主要是由于參數(shù)的不穩(wěn)定性和參數(shù)時(shí)變性引起的，或者是由材料變化和結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的。根據(jù)剛性結(jié)構(gòu)的不可逆性，某一性能的下降，意味著該性能將會(huì)持續(xù)下降，直至惡化，抑或引起其他系統(tǒng)或部件的服役性能也同時(shí)下降。高速列車運(yùn)行速度高，運(yùn)動(dòng)形式具有特殊性和多樣性，從而導(dǎo)致這一問題更為嚴(yán)重，速度越高，更容易加速加劇服役性能的演變與下降。探索高速列車列車服役性能演變規(guī)律，先從單一部件或系統(tǒng)入手，基于耦合動(dòng)力學(xué)分析，找到部件與系統(tǒng)間的相互作用關(guān)系，才能準(zhǔn)確地了解與掌握整車的服役性能及其發(fā)展趨勢(shì)。

高速列車動(dòng)力學(xué)研究的理論和方法都比較成熟，不管是在單車還是列車上都有眾多的研究成果，研究工作大多聚焦于構(gòu)架、車軸、輪對(duì)等幾個(gè)關(guān)鍵部件，研究的理論大多基于多剛體動(dòng)力學(xué)理論，在低頻范圍內(nèi)關(guān)注列車運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、平穩(wěn)性及安全性[7～11]。可以說高速列車的正向力學(xué)行為研究得到了充分的發(fā)展，能夠分析高速列車在特定線路條件下的各種力學(xué)行為及其性能指標(biāo)，這對(duì)高速列車的設(shè)計(jì)、制造與系統(tǒng)集成優(yōu)化具有重大的理論與現(xiàn)實(shí)意義。但隨著高速列車在役時(shí)間的增加，高速列車自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)發(fā)生緩慢變化，如一系彈簧的剛度、車輪踏面磨耗等，在特殊情況下可能出現(xiàn)瞬態(tài)突變，如二系空氣彈簧的失氣、車輪磨損擦傷、鋼軌斷裂等，甚至引起結(jié)構(gòu)部件的形位誤差。列車的結(jié)構(gòu)參數(shù)、裝配誤差或者尺寸誤差一旦發(fā)生變化，其服役力學(xué)性能將偏差或惡化于設(shè)計(jì)或出廠狀態(tài)。由于發(fā)生性能偏離，基于正向力學(xué)分析的方法不能滿足高速列車服役安全保障技術(shù)的需要；而且隨著車輛高速化發(fā)展，線路不平順引起的隨機(jī)激擾的頻域加寬，車輛部件間的耦合振動(dòng)更加復(fù)雜，基于仿真計(jì)算的理論研究需要考慮的參數(shù)和因素需更加全面與極端。因此，高速列車服役性能的研究更需要依賴高速列車服役性能的實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)，利用現(xiàn)代信號(hào)處理理論、智能信息處理方法與動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行交叉融合，基于檢測(cè)與監(jiān)測(cè)到的物理特性，反演車輛部件、系統(tǒng)及整車的服役性能，才能更貼合實(shí)際需求地指導(dǎo)列車安全運(yùn)用、科學(xué)檢修、優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3　高速列車服役性能檢測(cè)體系

試驗(yàn)檢測(cè)是科學(xué)研究最基本、最直接、最有效的方法。高速列車是高速鐵路的主體，與環(huán)境、軌道、受電弓和空氣相互作用，各部分出現(xiàn)的問題都始于高速列車的運(yùn)行，最終又集中反應(yīng)到高速列車的響應(yīng)上。因此，建立高速列車動(dòng)態(tài)響應(yīng)的檢測(cè)體系是掌握與研究高速列車服役性能的基礎(chǔ)。不僅可以通過高速的運(yùn)行響應(yīng)直接確定高速列車動(dòng)態(tài)行為，同時(shí)也通過高速列車的運(yùn)行響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)界面（輪軌和弓網(wǎng)）的振動(dòng)狀態(tài)，推斷線路和接觸網(wǎng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)車對(duì)車和車對(duì)地的狀態(tài)檢測(cè)。

我國從第一條高速鐵路——京津城際客運(yùn)專線開始，就在常規(guī)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試之外增加了科研性試驗(yàn)。采用無線檢測(cè)、衛(wèi)星定位等技術(shù)，從全程監(jiān)控角度，測(cè)試、紀(jì)錄高速列車在運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。隨著列車速度的提高，列車輪軌作用、弓網(wǎng)耦合作用、流固耦合作用加劇，高速列車服役性能研究不僅僅局限于列車在高速運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)和動(dòng)態(tài)行為，還需要綜合研究高速列車在運(yùn)行時(shí)與線路、接觸網(wǎng)及周圍環(huán)境的相互作用。基于高速列車運(yùn)行時(shí)力學(xué)行為研究，高速列車服役性能檢測(cè)體系基本內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面[12～15]。a.弓網(wǎng)接觸狀態(tài)檢測(cè)：受電弓氣動(dòng)升力、弓的氣動(dòng)阻力與迎面風(fēng)速、弓網(wǎng)接觸壓力、接觸網(wǎng)應(yīng)力和接觸熱等。b.列車狀態(tài)檢測(cè)：軸箱、構(gòu)架、電機(jī)、齒輪箱垂、橫、縱向振動(dòng)，車體振動(dòng)及動(dòng)應(yīng)力，軸承、電機(jī)等關(guān)鍵部件溫升，一、二系減振系統(tǒng)橫、垂向位移及振動(dòng)。c.輪軌接觸狀態(tài)檢測(cè)：輪軌橫向力與垂向力的大小及作用點(diǎn)位置檢測(cè)。d.軌道狀態(tài)檢測(cè)：輪軌的磨損狀態(tài)檢測(cè)、線路不平順檢測(cè)、軌道耦合振動(dòng)的傳遞規(guī)律檢測(cè)等。e.氣流狀態(tài)檢測(cè)：列車阻力、壓力、氣流及側(cè)風(fēng)特征檢測(cè)，特別是列車會(huì)車及進(jìn)入隧道時(shí)列車表面的壓力變化等。f.線路周邊環(huán)境狀態(tài)檢測(cè)：線路狀態(tài)、建筑限界。

高速列車服役性能檢測(cè)體系與高速列車各方面力學(xué)行為及服役性能的映射關(guān)系如圖1所示。

圖1　高速列車服役性能檢測(cè)體系Fig.1　High-speed train service performance testing system

接觸網(wǎng)是與高速電氣化鐵路安全運(yùn)營直接相關(guān)的架空設(shè)備，是整個(gè)牽引供電系統(tǒng)最為薄弱的環(huán)節(jié)，接觸網(wǎng)的不平順直接作用于受電弓，對(duì)動(dòng)車組產(chǎn)生激勵(lì)。因此對(duì)其不平順的檢測(cè)與控制直接決定高速列車受電弓的受流質(zhì)量，影響列車的運(yùn)行速度和安全。弓網(wǎng)接觸性能演變規(guī)律的研究，更有助于探索最佳弓網(wǎng)匹配方案，優(yōu)化受電弓結(jié)構(gòu)及受流方式。

走行部是影響高速列車運(yùn)行安全最為關(guān)鍵的部件之一。走行部動(dòng)態(tài)響應(yīng)的檢測(cè)是高速列車服役性能研究的重點(diǎn)。走行部異常振動(dòng)檢測(cè)主要針對(duì)軸箱、構(gòu)架、齒輪箱、電機(jī)、車體等關(guān)鍵部位。由于高速列車存在明顯的尺度特性，走行部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力耦合和眾多隨機(jī)因素影響作用顯著，異常振動(dòng)源難以判斷，可能是系統(tǒng)故障引發(fā)也可能是軌道不平順?biāo)a(chǎn)生的激擾，因此采用統(tǒng)一的參數(shù)閥值來評(píng)判走行部服役性能是不科學(xué)的。基于各個(gè)關(guān)鍵部件的服役性能演變規(guī)律，總結(jié)走行部安全性態(tài)發(fā)展趨勢(shì)，才能更全面地掌握走行部服役性能。

輪軌磨耗及軌道幾何不平順會(huì)對(duì)車輛產(chǎn)生激擾，導(dǎo)致車輛沉浮振動(dòng)、橫向滾擺、左右搖擺、側(cè)滾等耦合振動(dòng)，從而進(jìn)一步引起輪軌磨耗加劇的同時(shí)，還將影響車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性；輪軌關(guān)系是車輛和軌道系統(tǒng)中基本而復(fù)雜的問題之一。輪軌相互作用力的檢測(cè)是研究輪軌關(guān)系的基礎(chǔ)，也是評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向架性能、車輛運(yùn)行品質(zhì)必不可少的參數(shù)。

高速鐵路是十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要多學(xué)科技術(shù)的支持，許多列車在低速時(shí)可以忽略的現(xiàn)象，高速時(shí)卻變得非常重要。列車與空氣間的相互作用就是一個(gè)突出的例子：列車高速運(yùn)動(dòng)引起的具有強(qiáng)烈湍流特性的列車風(fēng)對(duì)站臺(tái)及鐵路沿線人員及建筑安全具有極其嚴(yán)重的影響；反之，具有強(qiáng)烈脈動(dòng)特性的空氣作用在高速運(yùn)行的列車上，特別在惡劣的自然風(fēng)條件下，不僅使列車受到的氣動(dòng)阻力增加，而且使列車受到的側(cè)向力和側(cè)滾力矩增大，嚴(yán)重影響列車安全運(yùn)行，甚至引起列車脫軌等重大安全事故。由于地理?xiàng)l件的限制，鐵路沿線通常需要設(shè)置隧道。當(dāng)高速列車進(jìn)入、通過、在隧道內(nèi)交會(huì)和駛出隧道時(shí)，列車與隧道內(nèi)空氣之間的相互作用也要引起一系列的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，不僅嚴(yán)重影響列車運(yùn)行安全性、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和乘坐舒適性，而且對(duì)高速鐵路及高速鐵路隧道建設(shè)費(fèi)用均具有極其重要的影響?？梢?，高速列車運(yùn)行過程中對(duì)空氣壓力及氣流狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，也是開展高速列車列車服役性能研究的重要內(nèi)容。

高速列車的運(yùn)行品質(zhì)和運(yùn)行安全性不僅僅取決于高速列車自身的性能，同時(shí)依賴于線路、供電、信號(hào)甚至天氣等運(yùn)行環(huán)境的狀態(tài)。為評(píng)價(jià)列車實(shí)時(shí)的服役性能，如平順性、平穩(wěn)性等，需充分結(jié)合路基、橋梁、隧道結(jié)構(gòu)等實(shí)時(shí)線路環(huán)境信息，排除環(huán)境干擾與影響，同時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境因素對(duì)列車服役性能的作用關(guān)系。

4　走行部跟蹤試驗(yàn)技術(shù)

高速列車跟蹤試驗(yàn)，顧名思義是指對(duì)高速列車實(shí)行全過程全生命周期的跟蹤檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、評(píng)估、優(yōu)化改進(jìn)等。我國高速列車的發(fā)展歷程中利用線路科學(xué)研究試驗(yàn)，聯(lián)調(diào)聯(lián)試，運(yùn)行考核試驗(yàn)等驗(yàn)證新技術(shù)和新產(chǎn)品的性能。我國高速列車技術(shù)歷經(jīng)200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h、380 km/h的臺(tái)階，走上快速發(fā)展的道路，單項(xiàng)、短時(shí)的科學(xué)性實(shí)驗(yàn)逐步發(fā)展為實(shí)行跟蹤試驗(yàn)，在京津、武廣、京滬等干線上，固定幾列車組，持續(xù)跟蹤，為我國高速列車安全監(jiān)控和今后的技術(shù)改進(jìn)提供了重大支撐，是高速列車全過程工程管理上邁出的重要一步。

4.1試驗(yàn)內(nèi)容

對(duì)高速列車走行部實(shí)施跟蹤試驗(yàn)，可對(duì)線路輪軌磨耗的形成過程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，以進(jìn)一步研究輪軌磨耗及波磨的形成機(jī)理；通過軌道狀態(tài)、輪對(duì)振動(dòng)、構(gòu)架和車體的振動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，進(jìn)一步研究高速動(dòng)車組在線路作用下的振動(dòng)傳遞關(guān)系。另外通過線路跟蹤試驗(yàn)，完善應(yīng)用日益廣泛的數(shù)字化仿真模型，還可以為數(shù)字化仿真和實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)試驗(yàn)及研究提供軌道參數(shù)、載荷譜等邊界條件和應(yīng)用條件。跟蹤試驗(yàn)是高速列車服役性能檢測(cè)體系建設(shè)的必要手段。基于高速列車服役性能檢測(cè)體系建設(shè)內(nèi)容及高速列車動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究成果，高速列車走行部服役性能跟蹤試驗(yàn)的主要內(nèi)容應(yīng)包括以下幾個(gè)方面。

1）動(dòng)力學(xué)性能檢測(cè)。旨在探索高速列車在持續(xù)高速運(yùn)行一定里程后的運(yùn)行平穩(wěn)性、舒適性變化規(guī)律，性能演變規(guī)律，以及掌握軸箱-構(gòu)架-車體的振動(dòng)傳遞關(guān)系。基于軸箱振動(dòng)的檢測(cè)，分析車輪擦傷與列車運(yùn)行服役時(shí)間的關(guān)系；基于構(gòu)架振動(dòng)的檢測(cè)，監(jiān)控列車運(yùn)行中的失穩(wěn)狀態(tài)；基于車體振動(dòng)的檢測(cè)，評(píng)判列車運(yùn)行的平穩(wěn)性指標(biāo)；基于軸箱、構(gòu)架、車體運(yùn)行姿態(tài)的檢測(cè)，分析車體、構(gòu)架、軸箱的動(dòng)態(tài)行為，判斷抗側(cè)滾減震器的工作狀態(tài)；基于轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)檢測(cè)，掌握列車垂向動(dòng)力學(xué)特性；基于抗蛇形減震器加速度和溫升檢測(cè)，判斷其是否性能失效。

2）結(jié)構(gòu)可靠性研究?；趯?duì)高速列車輪對(duì)踏面形狀的跟蹤檢測(cè)，掌握在鏇輪周期內(nèi)車輪踏面的磨耗狀態(tài)對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能、關(guān)鍵部位（轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、電機(jī)、車體、車下懸吊及設(shè)備艙）的載荷譜、振動(dòng)特性及其各零部件的振動(dòng)傳遞關(guān)系的影響?；谵D(zhuǎn)向架動(dòng)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，建立運(yùn)用載荷工況下應(yīng)力-速度關(guān)系曲線和載荷應(yīng)力譜，結(jié)合踏面磨耗形狀測(cè)試分析動(dòng)應(yīng)力的變化規(guī)律，評(píng)估各承載部件的結(jié)構(gòu)可靠性?；谲囅聭业踉O(shè)備本體、吊座、車體吊掛橫梁及設(shè)備艙典型部位動(dòng)應(yīng)力與振動(dòng)加速度的檢測(cè)，獲得設(shè)備實(shí)際載荷譜，掌握其振動(dòng)特性及其傳遞關(guān)系測(cè)試。

3）牽引傳動(dòng)系統(tǒng)溫度檢測(cè)。通過對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)（牽引變壓器及牽引變流器、牽引電機(jī)溫度、齒輪箱、軸箱等）溫度的跟蹤檢測(cè)，研究運(yùn)行速度、線路條件、溫度、運(yùn)用維護(hù)狀態(tài)等外界條件對(duì)牽引傳動(dòng)部件冷卻系統(tǒng)的影響及牽引傳動(dòng)關(guān)鍵部件的各參數(shù)時(shí)間歷程特征。通過對(duì)不同速度級(jí)、線路條件、檢修維護(hù)狀態(tài)持續(xù)溫升的跟蹤測(cè)試，研究牽引及冷卻系統(tǒng)各部件的溫升與功率、速度、時(shí)間的關(guān)系，與運(yùn)行環(huán)境（溫度、濕度、灰塵）、線路條件及檢修維護(hù)狀態(tài)的關(guān)系，研究其長距離高速持續(xù)運(yùn)行能力。

4）舒適度測(cè)試。通過跟蹤監(jiān)測(cè)車內(nèi)壓力，研究在不同季節(jié)、濾網(wǎng)不同狀態(tài)下車內(nèi)壓力變化趨勢(shì)。通過對(duì)車內(nèi)振動(dòng)、噪聲和溫度進(jìn)行測(cè)試，掌握地板的振動(dòng)特性、傳遞關(guān)系和變化規(guī)律以及客室內(nèi)噪聲水平和溫度，研究旅客乘坐舒適度。

4.2關(guān)鍵技術(shù)

由于高速列車的特殊性，走行部跟蹤試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有必要關(guān)注與研究以下幾個(gè)問題。a.如何實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備與高速列車的有機(jī)融合，確保不影響高速列車設(shè)計(jì)品質(zhì)的前提下對(duì)高速列車進(jìn)行全壽命檢測(cè)與監(jiān)測(cè)。b.針對(duì)高速列車關(guān)鍵設(shè)備與系統(tǒng)所處的惡劣電磁環(huán)境、復(fù)雜溫濕氣候環(huán)境等極端服役條件，如何保障傳感器件的可靠性，提升抗干擾能力及誤差補(bǔ)償技術(shù)。c.車內(nèi)和車（車體）外數(shù)據(jù)傳輸問題。由于車體密閉，無法設(shè)置信號(hào)線，車外信號(hào)如何向車內(nèi)傳輸。d.不同檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)同步問題。由于需要研究列車耦合系統(tǒng)問題，所有檢測(cè)信號(hào)必須同步才能科學(xué)進(jìn)行耦合作用研究，如何同步。e.車載信號(hào)到地面的數(shù)據(jù)傳輸問題。車載檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試狀態(tài)和檢測(cè)結(jié)構(gòu)必須實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛?，?shù)據(jù)采取什么方式才能精確、實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。f.海量數(shù)據(jù)傳輸問題。車載檢測(cè)信號(hào)是海量數(shù)據(jù)，無線網(wǎng)絡(luò)難以實(shí)現(xiàn)。g.高速列車運(yùn)行對(duì)無線傳輸?shù)挠绊懸约盁o線傳輸?shù)亩嗥绽招?yīng)等問題。

4.3試驗(yàn)結(jié)果

走行部跟蹤試驗(yàn)為掌握高速列車關(guān)鍵部件的服役性能提供了最為原始與珍貴的研究基礎(chǔ)。圖2為某一高速列車車下水箱與換氣裝置振動(dòng)加速度檢測(cè)圖，圖3為該換氣裝置垂向和橫向振動(dòng)加速度隨里程增加的變化規(guī)律，在列車運(yùn)行到1.2×105km到2.1×105km間，該換氣裝置上中下位置的振動(dòng)都有所增長，但變化較為緩慢，通過該裝置全過程周期的跟蹤檢測(cè)，可以進(jìn)一步掌握其性能演變規(guī)律，同時(shí)還能了解不同速度、服役環(huán)境下該裝置不同的振動(dòng)響應(yīng)，研究該裝置振動(dòng)與走行部其他部件的作用關(guān)系。圖4和圖5分別是某一高速列車垂向平穩(wěn)性與舒適度隨里程增長的演變趨勢(shì)。由于數(shù)據(jù)量太大，圖中只計(jì)算了四個(gè)里程數(shù)下的結(jié)果，分別是1.4×104km、1.12×105km、1.52×105km、2.7×105km，圖中橫坐標(biāo)表示的是不同的運(yùn)行路段。由圖可知，隨服役里程增長，列車的平穩(wěn)性與舒適度都有所下降，且不同線路條件下，列車性能也是不同的。列車服役性能的跟蹤檢測(cè)及演變規(guī)律分析，可以更有效地指導(dǎo)高速列車的維護(hù)檢修工作，科學(xué)地制定檢修周期，降低列車維護(hù)成本。

圖2　某一高速列車車下水箱與換氣裝置振動(dòng)加速度檢測(cè)圖Fig.2　High-speed train water tank and ventilation device vibration acceleration monitoring

圖3　某一高速列車換氣裝置垂向與橫向振動(dòng)加速度隨里程變化演變規(guī)律Fig.3　The evolution law of vertical and horizontal vibration of high-speed train ventilation device

圖4　某一高速列車平穩(wěn)性演變規(guī)律Fig.4　The evolution law of stationarity of high-speed train

圖5　某一高速列車舒適度演變規(guī)律Fig.5　The evolution law of comfort performance of high-speed train

5　發(fā)展趨勢(shì)及今后的研究方向

根據(jù)高速列車服役性演變與服役安全的發(fā)展現(xiàn)狀與最新進(jìn)展，展望本研究方向發(fā)展趨勢(shì)，今后關(guān)于高速列車服役性能安全，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并加強(qiáng)以下幾方面研究工作。

1）在發(fā)展高速列車智能化檢測(cè)技術(shù)方面，需要進(jìn)一步結(jié)合先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，如光纖、紅外等，提高安全狀態(tài)信息的檢測(cè)精度及可靠性；研究系統(tǒng)架構(gòu)與各類子系統(tǒng)的統(tǒng)一狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息架構(gòu)、接入?yún)f(xié)議、車地?zé)o線傳輸、數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)等技術(shù)。

2）在研究高速列車運(yùn)行安全狀態(tài)識(shí)別方面，需開展多重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘、故障樹、馬爾可夫模型、Hilbert-huang等數(shù)學(xué)或信號(hào)處理方法在高速列車狀態(tài)識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)用研究，形成各個(gè)部件或部位安全性能或狀態(tài)自適應(yīng)辨識(shí)技術(shù)。

3）在發(fā)展高速列車服役性能狀態(tài)信息共享平臺(tái)方面，需實(shí)現(xiàn)行車、線路、環(huán)境、防災(zāi)、車輛等綜合監(jiān)控信息集成，綜合評(píng)判車輛當(dāng)前運(yùn)行安全性，提出車輛安全防護(hù)分級(jí)原則，完善預(yù)警機(jī)制[16]。

4）在研究高速列車關(guān)鍵零部件性能閾值方面，需進(jìn)一步研究零部件振動(dòng)對(duì)零部件性能的破壞程度，研究零部件失效限度，根據(jù)高速列車在線路不平順和氣流激擾下的振動(dòng)規(guī)律，研究零部件服役性能量化評(píng)價(jià)方法與模型。

5）在高速列車服役性能量化評(píng)估方面，研究列車狀態(tài)與動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的數(shù)值映射關(guān)系，確定車輪不同幾何形貌、懸掛元件不同性能參數(shù)、不同軌道狀態(tài)、不同運(yùn)行速度條件下的高速列車穩(wěn)定性指標(biāo)、平穩(wěn)性指標(biāo)及脫軌系數(shù)等的安全作用域，最終形成綜合直觀的評(píng)價(jià)列車運(yùn)行安全程度的量化指標(biāo)。

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Study on high-speed train service performance

Lin Jianhui，Yi Cai，Zhang Weihua，Ding Jianming，Liu Lu，Zhang Bing
(State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Due to thespace-timespan，there always is variation on the vibration and climate，which makes the service status and safety state of high-speed trains remain the time-varying，and at the same time it brings huge challenges to high-speed train security assurance and health maintenance.As the growth of the high-speed train operation mileage，studying on the service performance of high-speed train become an important topic as a guarantee for sustainable development of China’s high-speed train technology.Based on the content analysis of the high-speed train service performance，the high-speed train service performance testing system is presented，and its construction content and scheme is expounded.On this basis，the high-speed train tracking test technology is developed，which has significant efficiency and promotion for the studying on service performance of high-speed train.Finally，the development trend and strengthen research work of this study field in the future is indicated.

high-speed train；service performance；train detection；tracking test；performance evolution

U270.1+4

A

1009-1742（2015）04-0083-07

2015-01-07

軌道交通安全協(xié)同創(chuàng)新中心發(fā)展規(guī)劃（2013―2016年）中國鐵路總公司重大課題（2013J008-A）

林建輝，1964年出生，男，四川成都市人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)車車輛、高速列車檢測(cè)技術(shù)、信號(hào)分析與故障診斷；E-mail：lin13008104673@126.com