高速鐵路典型軌道病害下輪軌力響應(yīng)特性試驗(yàn)研究

李 谷，張志超，祖宏林，牛留斌，儲(chǔ)高峰

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2.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)

隨著高速列車的大量開行和運(yùn)營(yíng)線路的長(zhǎng)期服役，軌道線路狀態(tài)對(duì)列車運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性的影響逐漸顯現(xiàn)，輪軌間相互作用一旦惡化，將會(huì)引起軌道病害的滋生和迅速發(fā)展，使得列車部件和軌道結(jié)構(gòu)在大幅值高頻循環(huán)載荷環(huán)境下極易產(chǎn)生材料失效、疲勞傷損甚至結(jié)構(gòu)破壞等突發(fā)問題，危及行車安全[1]。高速鐵路軌道線路狀態(tài)對(duì)運(yùn)輸安全性和可靠性具有關(guān)鍵影響作用，因此亟需發(fā)展高效、準(zhǔn)確、全面的高速鐵路軌道狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)。

目前，我國(guó)的高速鐵路軌道狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)正在從單一的軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)向包括軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)、輪軌動(dòng)力學(xué)檢測(cè)在內(nèi)的綜合檢測(cè)技術(shù)的方向發(fā)展，其中基于輪軌力連續(xù)測(cè)量的軌道狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)[2-3]作為軌道質(zhì)量綜合檢測(cè)的重要組成部分發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。目前，我國(guó)已有多列高速綜合檢測(cè)列車裝備了輪軌力檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了能夠檢查各項(xiàng)運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性考核參數(shù)以外，還能夠通過(guò)對(duì)輪軌力響應(yīng)特征的捕捉，結(jié)合對(duì)軸箱、構(gòu)架和車體振動(dòng)響應(yīng)的綜合分析，準(zhǔn)確高效地發(fā)現(xiàn)軌道線路上引起輪軌力異常和運(yùn)行平穩(wěn)性降低的各類缺陷，特別是可以有效識(shí)別軌道短波不平順，彌補(bǔ)傳統(tǒng)軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)方式的不足。作為一種全新的軌道狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)，該系統(tǒng)已經(jīng)在多條新建高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及運(yùn)營(yíng)高速鐵路客專線路的日常巡檢中發(fā)揮了重要作用[4-6]，并積累了大量的輪軌力響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和檢測(cè)實(shí)例?，F(xiàn)階段應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)梳理和綜合分析，從而研究掌握輪軌力異常響應(yīng)與軌道短波不平順病害的相互關(guān)聯(lián)性，提高高速鐵路軌道病害識(shí)別的精確度和效率。

本文通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，系統(tǒng)研究高速列車輪軌力異常響應(yīng)特征與軌道病害的關(guān)聯(lián)關(guān)系，討論發(fā)生這些常見軌道病害時(shí)輪軌力的動(dòng)態(tài)特征變化規(guī)律。

1 基于連續(xù)測(cè)量測(cè)力輪對(duì)技術(shù)的輪軌力檢測(cè)系統(tǒng)

隨著輪軌力連續(xù)測(cè)量技術(shù)的提升和高速綜合檢測(cè)列車的研發(fā)，基于連續(xù)測(cè)量測(cè)力輪對(duì)技術(shù)的輪軌力檢測(cè)系統(tǒng)開始裝備于軌道檢查車和多列高速綜合檢測(cè)列車，逐漸應(yīng)用于普速鐵路和高速鐵路的軌道狀態(tài)檢測(cè)中。到目前為止，基于輪軌力連續(xù)測(cè)量的軌道狀態(tài)檢測(cè)方法已經(jīng)形成了一整套完備的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系，完成了多條高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試和日常巡檢任務(wù)。輪軌力連續(xù)測(cè)量檢測(cè)系統(tǒng)由高精度連續(xù)測(cè)量測(cè)力輪對(duì)、振動(dòng)加速度傳感器、輪軌力數(shù)據(jù)傳輸采集子系統(tǒng)、輪軌力數(shù)據(jù)綜合分析子系統(tǒng)等部分組成，主要具有以下技術(shù)特點(diǎn)：①輪軌力是車輪和鋼軌相互作用的直接結(jié)果，能夠最直接最真實(shí)地反映車輪和鋼軌的受力狀態(tài)。②采用連續(xù)測(cè)量測(cè)力輪對(duì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在車輪旋轉(zhuǎn)360°范圍內(nèi)任一角度都具有同樣精度的測(cè)試靈敏度和抗串?dāng)_特性，也即實(shí)現(xiàn)列車在高速運(yùn)行過(guò)程中輪軌間作用力的實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量，這是保證軌道狀態(tài)不間斷檢測(cè)和各頻段輪軌力分析的關(guān)鍵所在。③在測(cè)力輪對(duì)能夠獲取全輪周范圍內(nèi)準(zhǔn)確的輪軌力信號(hào)基礎(chǔ)上，實(shí)際輪軌力測(cè)量的頻率范圍主要取決于采樣頻率，根據(jù)檢測(cè)目的和運(yùn)行速度不同，可通過(guò)不同的采樣頻率設(shè)定來(lái)針對(duì)所關(guān)注頻率范圍內(nèi)的檢測(cè)結(jié)果。圖1給出了裝備于高速綜合檢測(cè)列車的連續(xù)測(cè)量測(cè)力輪對(duì)示例。

圖1 高速綜合檢測(cè)列車裝備的連續(xù)測(cè)量測(cè)力輪對(duì)

2 典型軌道病害與輪軌力響應(yīng)特征關(guān)聯(lián)分析

通過(guò)對(duì)前期采集的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和梳理，結(jié)合對(duì)線路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查情況，系統(tǒng)分析輪軌力異常響應(yīng)特征與軌道狀態(tài)不良之間的關(guān)聯(lián)性，總結(jié)歸納了高速鐵路幾種常見的軌道病害，主要包括鋼軌表面低塌或凸起、鋼軌表面波形磨耗、道岔結(jié)構(gòu)異常激擾等短波不平順問題，以及鋼軌廓形欠佳引起晃車問題。

2.1 鋼軌表面低塌或凸起

鋼軌表面焊縫區(qū)凹凸不平和軌面低塌是高速鐵路常見的短波不平順問題之一，它會(huì)引起車輪與鋼軌間的大幅度沖擊，使得輪軌垂向力產(chǎn)生瞬間高頻沖擊振動(dòng)，容易引發(fā)鋼軌傷損或疲勞破壞等安全問題。

實(shí)例1：鋼軌不良焊縫引起大幅值輪軌垂向沖擊力。檢測(cè)列車在同一位置反復(fù)多次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的輪軌垂向力實(shí)測(cè)波形如圖2所示。由圖2可見，輪軌垂向力在該位置存在1個(gè)大幅值波峰，并伴有幾個(gè)震蕩衰減的波動(dòng)，據(jù)此可判斷該位置鋼軌表面存在短波不平順。后經(jīng)工務(wù)部門現(xiàn)場(chǎng)勘查確認(rèn)(如圖3所示)，該位置由于鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊縫處理不到位，在局部軌面形成了低塌，長(zhǎng)度約為0.8 m，最大低塌深度約為1.0 mm。

圖2 鋼軌不良焊縫位置輪軌垂向力異常響應(yīng)

圖3 鋼軌不良焊縫位置現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果

實(shí)例2：鋼軌母材凹陷引起大幅值輪軌垂向沖擊力。檢測(cè)列車在新建線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試中檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的輪軌垂向力實(shí)測(cè)波形如圖4所示。由圖4可見，輪軌垂向力峰值高達(dá)242.6 kN。而工務(wù)部門現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這個(gè)峰值系鋼軌母材存在深1.5 mm的凹陷(如圖5所示)所致，由于該處軌面凹陷引起了大幅度的輪軌垂向力沖擊作用，使得下部扣件和墊片在短期作用下便發(fā)生了破碎。

從上述實(shí)例可以看出，鋼軌表面低塌或凸起這類軌道短波不平順會(huì)引起大幅值輪軌垂向力，使其峰值顯著增大，可考慮采用輪軌垂向力的瞬時(shí)峰值對(duì)這類軌道短波不平順進(jìn)行有效識(shí)別。此外，這類軌道短波不平順引起的輪軌垂向力峰值大都會(huì)隨著速度的提高明顯增大。

圖4 鋼軌母材凹陷位置輪軌垂向力異常響應(yīng)

圖5 鋼軌母材凹陷位置現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果

2.2 鋼軌表面波浪形磨耗

鋼軌表面波浪形磨耗，也即鋼軌波磨，是高速鐵路另一類較為常見的軌道病害，它會(huì)使得輪軌垂向力產(chǎn)生連續(xù)大幅值高頻振動(dòng)，尤其對(duì)于道床剛度較大的無(wú)砟軌道，由于道床基礎(chǔ)的減震能力較弱，在反復(fù)大幅值高頻率輪軌垂向力作用下極易引起鋼軌扣件等軌道部件的疲勞破壞，也是引發(fā)高速列車簧下部件脫落的重要因素，對(duì)高速列車的運(yùn)行安全構(gòu)成隱患。

實(shí)例3：直線線路鋼軌波磨引起連續(xù)大幅值高頻輪軌垂向力。檢測(cè)列車在某條尚未開通運(yùn)營(yíng)的高鐵線路上多個(gè)區(qū)段檢測(cè)到如圖6所示的連續(xù)大幅值高頻輪軌垂向力，波動(dòng)幅值高達(dá)60 kN，振動(dòng)頻率為600 Hz左右，分析判斷該區(qū)段鋼軌表面存在十分嚴(yán)重的波磨，現(xiàn)場(chǎng)勘查也確認(rèn)該區(qū)段鋼軌表面的確存在持續(xù)波磨，如圖7所示。在該線路開通運(yùn)營(yíng)后不久，恰在檢測(cè)發(fā)現(xiàn)波磨最為嚴(yán)重的區(qū)段出現(xiàn)了扣件大量斷裂或松脫的現(xiàn)象，表明在此類波磨嚴(yán)重區(qū)段引發(fā)了連續(xù)高頻軌輪垂向力的出現(xiàn)，是導(dǎo)致扣件出現(xiàn)早期疲勞斷裂的主要原因。

圖6 鋼軌表面波磨區(qū)段輪軌力實(shí)測(cè)波形圖和頻譜圖

實(shí)例4：小半徑曲線外軌鋼軌波磨引起連續(xù)大幅值高頻輪軌垂向力。除了高速鐵路直線或大半徑曲線區(qū)段的鋼軌波磨，在小半徑曲線區(qū)段，雖然列車運(yùn)行速度很低，但是容易出現(xiàn)外軌波磨。檢測(cè)列車在多個(gè)高鐵車站附近檢測(cè)發(fā)現(xiàn)如圖8所示的大幅高頻輪軌垂向力，波動(dòng)幅值達(dá)40 kN，振動(dòng)頻率為120 Hz左右(速度較低)?，F(xiàn)場(chǎng)勘查確認(rèn)該曲線區(qū)段外側(cè)鋼軌存在明顯的表面波磨。

通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，鋼軌表面波磨的波長(zhǎng)大多在80～120 mm范圍內(nèi)，這類軌道短波不平順會(huì)引起大幅高頻輪軌垂向力，其振動(dòng)頻率隨車速變化，當(dāng)車速為200～300 km·h-1時(shí)振動(dòng)頻率多在500～700 Hz范圍內(nèi)。這類持續(xù)高頻振動(dòng)與輪軌沖擊作用不同，它使得輪軌之間積累大量的高頻振動(dòng)能量，更適合從能量累積的角度對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)和識(shí)別。

圖7 鋼軌表面波磨區(qū)段現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果

圖8 鋼軌表面波磨區(qū)段輪軌力實(shí)測(cè)波形圖

2.3 道岔結(jié)構(gòu)異常激擾

從以往檢測(cè)數(shù)據(jù)分析來(lái)看，道岔結(jié)構(gòu)異常激擾的形式多種多樣，大體上可歸納為2個(gè)方面主要問題：①道岔尖軌或心軌位置的道岔結(jié)構(gòu)變異使得列車直向或側(cè)向過(guò)岔時(shí)出現(xiàn)輪軌橫向力瞬時(shí)陡增，形成沖擊力；②道岔結(jié)構(gòu)和剛度的變化，使得列車直向過(guò)岔時(shí)出現(xiàn)連續(xù)大幅值輪軌垂向力，極易形成類似波磨的短波不平順。異常增大的輪軌力對(duì)相對(duì)薄弱的道岔結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生疲勞傷損或磨耗等影響，容易造成道岔結(jié)構(gòu)破壞。

實(shí)例5：道岔結(jié)構(gòu)變異引起大幅值輪軌橫向沖擊力。檢測(cè)列車側(cè)向和高速直向通過(guò)18號(hào)道岔時(shí)的輪軌力實(shí)測(cè)波形圖如圖9所示。由圖9可見：側(cè)向通過(guò)道岔時(shí)，在道岔心軌位置出現(xiàn)顯著的輪軌橫向力沖擊，其最大值達(dá)102.2 kN；高速直向通過(guò)道岔時(shí)，左輪的輪軌橫向力在道岔區(qū)有異常突增，最大值達(dá)40.0 kN，明顯異常。

實(shí)例6：鋼軌結(jié)構(gòu)和剛度的變化引起連續(xù)大幅值輪軌垂向力。檢測(cè)列車直向通過(guò)道岔時(shí)輪軌垂向力出現(xiàn)異常實(shí)測(cè)波形和頻譜圖如圖10所示。由圖10可見，輪軌垂向力在列車直向通過(guò)道岔時(shí)呈現(xiàn)連續(xù)沖擊特性，在尖軌和心軌位置高頻輪軌垂向力增大的尤為明顯，其持續(xù)振動(dòng)的頻率約為50 Hz，分析認(rèn)為系道岔結(jié)構(gòu)變化所形成。

圖9 檢測(cè)列車通過(guò)道岔時(shí)輪軌力實(shí)測(cè)波形圖

圖10 檢測(cè)列車直向通過(guò)道岔區(qū)時(shí)連續(xù)大幅值輪軌垂向力實(shí)測(cè)波形圖和頻譜圖

從上述實(shí)例可以看出，道岔區(qū)段容易存在輪軌垂向力和橫向力的大幅增加，作用頻率加大，且輪軌橫向力的異常增大主要集中在尖軌、心軌等關(guān)鍵部位。道岔出現(xiàn)尖軌裂紋是目前高速鐵路普遍存在的問題，究其原因還是長(zhǎng)期大幅度輪軌力沖擊作用的結(jié)果，本文所列的道岔結(jié)構(gòu)異常激擾引起大幅輪軌沖擊力的情況應(yīng)該是其中重要原因之一。

2.4 鋼軌廓形欠佳

綜合多次檢測(cè)數(shù)據(jù)歸納分析來(lái)看，引起列車出現(xiàn)橫向晃動(dòng)(晃車)的主要原因是鋼軌廓形欠佳導(dǎo)致輪軌型面匹配狀態(tài)不良，引起輪軌和構(gòu)架的蛇行運(yùn)動(dòng)，誘發(fā)輪軸橫向力和構(gòu)架橫向加速度同時(shí)出現(xiàn)連續(xù)周期性波動(dòng)，引起車輛運(yùn)行平穩(wěn)性降低。

影響輪軌匹配關(guān)系有多種因素，從軌道狀態(tài)角度來(lái)說(shuō)主要是鋼軌廓形打磨不到位或輪軌磨耗造成鋼軌廓形變化。

實(shí)例7：鋼軌未打磨引起輪軸橫向力和構(gòu)架橫向加速度連續(xù)周期性波動(dòng)，車輛出現(xiàn)明顯晃車。出現(xiàn)明顯晃車現(xiàn)象時(shí)輪軸力實(shí)測(cè)波形圖如圖11所示。由圖11可見，個(gè)別區(qū)段輪軸橫向力和構(gòu)架橫向加速度連續(xù)周期性波動(dòng)，波長(zhǎng)約13 m。經(jīng)工務(wù)部門確認(rèn)這些區(qū)段鋼軌尚未進(jìn)行打磨，該區(qū)段鋼軌廓形與其他區(qū)段存在明顯差異，由于輪軌匹配關(guān)系欠佳，引起輪對(duì)和構(gòu)架蛇行運(yùn)動(dòng)。

實(shí)例8：鋼軌廓形不良引起構(gòu)架橫向加速度指標(biāo)超限。檢測(cè)列車在某新建線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試中檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，輪軸橫向力和構(gòu)架橫向加速度在多個(gè)區(qū)段出現(xiàn)了大幅連續(xù)周期性波動(dòng)，并且多處地段的構(gòu)架橫向加速度指標(biāo)超限(連續(xù)6個(gè)峰值超出8 m·s-2)?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)線路軌面尚未進(jìn)行打磨，鋼軌廓形狀態(tài)欠佳。隨即對(duì)部分區(qū)段進(jìn)行了鋼軌打磨，打磨后復(fù)測(cè)輪軸橫向力和構(gòu)架橫向加速度的周期性波動(dòng)現(xiàn)象消失，構(gòu)架橫向加速度振動(dòng)幅值顯著降低，打磨前后鋼軌廓形對(duì)比和構(gòu)架橫向加速度對(duì)比分別如圖12和圖13所示。

鋼軌廓形變化會(huì)使得輪軌接觸點(diǎn)位置、接觸斑摩擦系數(shù)等參數(shù)發(fā)生變化，直接影響輪軌匹配關(guān)系，輪軌匹配關(guān)系欠佳極易引起輪對(duì)和構(gòu)架出現(xiàn)蛇行運(yùn)動(dòng)，使得輪軸橫向力和構(gòu)架、車體橫向出現(xiàn)連續(xù)周期性波動(dòng)，引起晃車。這類周期性波動(dòng)也存在明顯能量累積效應(yīng)，適合從能量累積角度對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)和識(shí)別。由于這類問題涉及車輛和軌道線路2個(gè)方面，通過(guò)打磨鋼軌廓形或鏇修車輪踏面都能加以改善，因此需要從維修成本方面綜合考慮，尋求效益最大化的施修措施。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)分析多年積累的高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試和日常巡檢輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)，深入研究了輪軌力異常響應(yīng)特征與軌道狀態(tài)異常的關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)果表明鋼軌表面低塌或凸起引起大幅值輪軌垂向沖擊力，鋼軌波磨引起連續(xù)大幅值高頻輪軌垂向力，道岔結(jié)構(gòu)變異引起大幅值輪軌橫向沖擊力，道岔區(qū)鋼軌結(jié)構(gòu)和剛度變化引起連續(xù)輪軌垂向力，鋼軌廓形欠佳引起輪軌橫向力和構(gòu)架橫向加速度的周期性波動(dòng)。這些不同類型軌道病害均會(huì)引起具有不同振動(dòng)特征的頻率較高的動(dòng)車組輪軌力響應(yīng)，可考慮采用不同的濾波或數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)這些高頻輪軌力進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，從而提出基于輪軌力連續(xù)測(cè)量的高速鐵路軌道病害檢測(cè)評(píng)價(jià)方法。這些工作對(duì)于提高高鐵線路檢查效率，解決現(xiàn)場(chǎng)工程問題和開展更為深入的高速鐵路輪軌關(guān)系研究都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)作用。

圖11 出現(xiàn)明顯晃車現(xiàn)象時(shí)輪軸力實(shí)測(cè)波形圖

圖12 鋼軌打磨前后廓形對(duì)比圖

圖13 鋼軌打磨前后構(gòu)架橫向加速度對(duì)比