普速鐵路軌道三角坑管理標(biāo)準(zhǔn)探討

楊 飛，陳東生，李國(guó)龍，趙文博

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081)

三角坑會(huì)引起車輛側(cè)滾和橫擺，從而引起輪載變動(dòng)，嚴(yán)重的三角坑甚至?xí)?dǎo)致車輛轉(zhuǎn)向架呈三輪支撐、一輪懸浮的惡劣狀態(tài)，引起車輛傾覆脫軌，嚴(yán)重危及行車安全，因此，必須將軌道三角坑限定在一定程度之內(nèi)[1-2]。世界各國(guó)都對(duì)三角坑的管理較其他不平順(除小軌距)更為嚴(yán)格。從文獻(xiàn)[3]可知，瑞典鐵路維護(hù)部門認(rèn)為三角坑病害引起脫軌的風(fēng)險(xiǎn)很高，規(guī)定了3，6 m的三角坑變化率限值分別為15，25 mm，超過后應(yīng)立即對(duì)其進(jìn)行維修。從相關(guān)的歐州標(biāo)準(zhǔn)中[4]也可以看出，三角坑的管理標(biāo)準(zhǔn)值較高低、軌向、水平等項(xiàng)目更加嚴(yán)格。

三角坑有基長(zhǎng)和幅值2個(gè)特征參數(shù)。三角坑檢測(cè)時(shí)，日本采用2.5 m基長(zhǎng)，歐盟采用3 m基長(zhǎng)，美國(guó)采用9.4，18.9 m基長(zhǎng)，我國(guó)采用2.4，3.0，6.25 m基長(zhǎng)。各個(gè)國(guó)家對(duì)基長(zhǎng)的選擇并不一致，而且在我國(guó)，相同速度條件下，不同基長(zhǎng)的三角坑控制限值都一樣，給現(xiàn)場(chǎng)的養(yǎng)護(hù)維修造成了困擾。

目前對(duì)三角坑的研究主要集中在三角坑幅值大小對(duì)車輛動(dòng)力響應(yīng)的影響方面。文獻(xiàn)[5]分析了高速列車通過存在軌道缺陷的S形曲線時(shí)的安全性。文獻(xiàn)[6]應(yīng)用列車-軌道空間耦合時(shí)變系統(tǒng)振動(dòng)分析理論，分析了軌道三角坑對(duì)列車脫軌安全性的影響，并就現(xiàn)行鐵路線路維修規(guī)則中對(duì)軌道三角坑的限值進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[7]從車輛-軌道系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)方面分析了軌道幾何不平順的安全限值。文獻(xiàn)[8]采用計(jì)算機(jī)仿真并結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)，提出秦沈客運(yùn)專線綜合試驗(yàn)段軌道不平順管理標(biāo)準(zhǔn)建議值。但系統(tǒng)分析普速線路不同三角坑基長(zhǎng)、幅值與車輛的安全性和舒適性關(guān)系的研究較少。

本文基于我國(guó)常用的25K型普速客車，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)既定的車輛動(dòng)力響應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析直線段、緩和曲線段存在不同基長(zhǎng)和幅值的三角坑時(shí)，不同速度下列車運(yùn)行的安全性和舒適性，從而對(duì)三角坑管理標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論依據(jù)。

1 仿真模型及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型

基于我國(guó)常用的25K型普速客車參數(shù)，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立單節(jié)拖車動(dòng)力學(xué)模型。模型由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)等多個(gè)剛體組成，通過一、二系懸掛連接。轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、輪對(duì)軸箱裝置、中央懸掛裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、軸溫報(bào)警裝置5部分組成。模型所采用的自由度類型見表1。

表1 25K型普速列車自由度

注：帶*的為非獨(dú)立自由度。

車輪采用LMA踏面，鋼軌采用CHN60廓形。輪軌接觸力采用FASTSIM算法進(jìn)行計(jì)算。

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，計(jì)算了模型以速度76 km/h 運(yùn)行時(shí)，在一線路區(qū)段實(shí)測(cè)不平順(高低和軌向)激擾下車體橫向、垂向振動(dòng)加速度響應(yīng)情況。將仿真結(jié)果同實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見圖1、圖 2?？梢钥闯龆呦嚓P(guān)性良好，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。因此，可以用該仿真模型開展后續(xù)仿真計(jì)算。

圖1 車體橫向振動(dòng)加速度對(duì)比

圖2 車體垂向振動(dòng)加速度對(duì)比

1.2 三角坑設(shè)置條件

三角坑即左右兩軌頂面相對(duì)于軌道平面的扭曲，用相隔一定距離的2個(gè)橫截面水平幅值的代數(shù)差進(jìn)行度量[1]。在計(jì)算時(shí)，分別對(duì)左右兩股鋼軌設(shè)置波長(zhǎng)為L(zhǎng)、波幅為A的垂向單波余弦不平順，相位差為1/2個(gè)周期，從而人為地形成量測(cè)基長(zhǎng)為L(zhǎng)/2、最大幅值為2A的扭曲不平順狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 三角坑示意

1.3 車輛動(dòng)力響應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為了滿足舒適性要求并保障行車安全，本文采用車體垂向振動(dòng)加速度、車體橫向振動(dòng)加速度、脫軌系數(shù)和輪重減載率作為軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)的依據(jù)，具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

注：車體橫向、垂向振動(dòng)加速度標(biāo)準(zhǔn)取自鐵運(yùn)[2006]146號(hào)《鐵路線路修理規(guī)則》[9]。

2 普速鐵路正線三角坑管理標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 計(jì)算工況

分別計(jì)算車輛以速度160，120，80 km/h通過含有三角坑的直線區(qū)段、緩和曲線區(qū)段時(shí)的車輛動(dòng)力響應(yīng)，其中緩和曲線區(qū)段的線型參數(shù)及對(duì)應(yīng)的車速按照表3進(jìn)行設(shè)置。曲線半徑依據(jù)TB 10098—2017《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]中規(guī)定的困難地段最小曲線半徑選取，超高按一般路段最大超高150 mm選取，不同車速對(duì)應(yīng)的欠超高分別為39，62，1 mm。其中車輛以速度120 km/h 通過曲線區(qū)段時(shí)的欠超高值達(dá)到62 mm，接近旅客所能承受的欠超高一般容許值70 mm，行車條件較差。

表3 普速客車通過緩和曲線區(qū)段線型參數(shù)

三角坑基長(zhǎng)分別設(shè)置為L(zhǎng)/2=2.4，3，5，6.25，8，10，12，14，16，18，20 m；三角坑幅值以2A=2，4，6，8，10，12，14，16，18，20 mm依次遞增。曲線段三角坑布置方式如圖4所示，將三角坑全部布置在緩和曲線上，右軌不平順終點(diǎn)位于緩圓點(diǎn)處。

圖4 曲線段三角坑布置方式

圖5 速度160 km/h時(shí)三角坑幅值和基長(zhǎng)與車輛響應(yīng)的關(guān)系(直線段)

2.2 基長(zhǎng)和幅值與車輛動(dòng)力響應(yīng)的關(guān)系

圖5表示普速客車以速度160 km/h通過直線段時(shí)，仿真計(jì)算得到的三角坑幅值和基長(zhǎng)與車輛動(dòng)力響應(yīng)的關(guān)系。相同基長(zhǎng)條件下，4項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均隨三角坑幅值的增大而增大。相同三角坑幅值條件下，三角坑基長(zhǎng)對(duì)車體橫向振動(dòng)加速度的影響要大于對(duì)車體垂向振動(dòng)加速度的影響。一般情況下，在相同三角坑幅值條件下，三角坑基長(zhǎng)越長(zhǎng)，車輛的動(dòng)力響應(yīng)越小。

根據(jù)表2給出的軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)限值標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)直線段車輛動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到4項(xiàng)車輛動(dòng)力學(xué)指標(biāo)在不同三角坑幅值下，容許的最大三角坑幅值與三角坑基長(zhǎng)之比(即三角坑變化率限值)與三角坑基長(zhǎng)之間的關(guān)系，并繪制成速度160 km/h 下各項(xiàng)指標(biāo)的三角坑變化率限值曲線，見圖6。可以看出，當(dāng)速度為160 km/h時(shí)，基長(zhǎng)較短時(shí)三角坑變化率限值由輪重減載率控制，基長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)三角坑變化率限值由脫軌系數(shù)控制。取4項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最嚴(yán)格的三角坑變化率限值作為控制標(biāo)準(zhǔn)，得到速度160 km/h下綜合指標(biāo)的三角坑變化率限值曲線，見圖7。

圖6 速度160 km/h下各項(xiàng)指標(biāo)的三角坑變化率限值曲線(直線段)

圖7 速度160 km/h下綜合指標(biāo)的三角坑變化率限值曲線(直線段)

運(yùn)用同樣的方法分析得到不同車速條件下，三角坑分別位于直線段和緩和曲線段，通過Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到三角坑變化率限值與三角坑基長(zhǎng)之間的關(guān)系。不同速度下，三角坑基長(zhǎng)較短時(shí)，三角坑變化率限值均由輪重減載率控制，但基長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，三角坑變化率限值則由脫軌系數(shù)或輪重減載率進(jìn)行控制。繪制成不同速度下直線段和緩和曲線段綜合指標(biāo)的三角坑變化率限值曲線，見圖8和圖9。

圖8 不同速度下綜合指標(biāo)的三角坑變化率限值曲線(直線段)

圖9 不同速度下綜合指標(biāo)的三角坑變化率限值曲線(緩和曲線段)

2.3 管理標(biāo)準(zhǔn)建議

根據(jù)調(diào)研得到我國(guó)普速鐵路行駛列車轉(zhuǎn)向架軸距為2.4～2.7 m。考慮到不同車型軸距有所不同，2～3 m 基長(zhǎng)三角坑幅值按照2～3 m中最嚴(yán)的三角坑變化率限值進(jìn)行控制?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)人工檢查時(shí)仍會(huì)采用軌距尺，當(dāng)軌距尺檢查時(shí)三角坑普遍采用6.25 m 基長(zhǎng)，基長(zhǎng)與軌檢車并不一致，控制值也應(yīng)有所區(qū)別。因此，普速鐵路不同速度下三角坑的管理標(biāo)準(zhǔn)建議值見表4。

表4 普速鐵路不同速度下三角坑管理標(biāo)準(zhǔn)建議值

3 結(jié)論

本文以我國(guó)常用25K型普速客車為例，根據(jù)既定的車輛動(dòng)力響應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究其通過位于直線段和緩和曲線段的三角坑時(shí)列車的安全性和舒適性。主要研究結(jié)論如下：

1)建立了我國(guó)常用25K型普速客車精細(xì)化模型，通過將仿真結(jié)果同實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以得出二者相關(guān)性良好，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

2)通過仿真模型分析了不同速度下直線段和緩和曲線段上不同三角坑基長(zhǎng)和幅值與車輛動(dòng)力響應(yīng)的關(guān)系，可以得到相同基長(zhǎng)下，幅值越大車輛動(dòng)力響應(yīng)越大；但相同幅值下，不同基長(zhǎng)的三角坑對(duì)車輛動(dòng)力響應(yīng)的影響并不一致，基長(zhǎng)較短時(shí)三角坑變化率限值均由輪重減載率控制，基長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)三角坑變化率限值則由脫軌系數(shù)或輪重減載率控制。

3)借助既有的動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，按照動(dòng)力學(xué)指標(biāo)中最嚴(yán)格的三角坑變化率限值作為控制標(biāo)準(zhǔn)，得到普速鐵路不同速度等級(jí)下三角坑的管理標(biāo)準(zhǔn)建議值。