普速道岔動(dòng)力學(xué)響應(yīng)測(cè)試研究

方智超,丁軍君,趙冠闖,王軍平,蔣 俊

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,成都 610031； 2.中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司,北京 100036)

引言

道岔是鐵路線路中引導(dǎo)列車換線運(yùn)行的關(guān)鍵部件，起著連接兩股軌道、跨越交叉線路的作用，與區(qū)間線路相比岔區(qū)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，由尖軌、心軌、翼軌和護(hù)軌等部件組成[1-4]。由于岔區(qū)存在多股鋼軌并且尖軌和心軌存在變截面特性，列車在直、側(cè)向過岔時(shí)，車輪踏面與鋼軌接觸點(diǎn)間存在兩點(diǎn)、三點(diǎn)接觸，輪軌間伴隨著明顯的沖擊和振動(dòng)，嚴(yán)重威脅列車行車安全，因此，車輛過岔時(shí)的安全性、穩(wěn)定性研究顯得尤為重要[5-8]。輪軌作用力和振動(dòng)加速度是反映車輛過岔狀態(tài)的重要參數(shù)，理論方法對(duì)于該參數(shù)的求解具有一定的局限性，通過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試能夠獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)值[9]。

何華武以系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法建立了250 km/h客運(yùn)專線18號(hào)道岔多種設(shè)計(jì)理論體系，通過對(duì)所研制道岔的試鋪和動(dòng)測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該道岔設(shè)計(jì)理論體系的科學(xué)性及道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性[10]。在該試驗(yàn)過程中，由于轉(zhuǎn)轍器區(qū)輪軌作用力測(cè)點(diǎn)布置在轉(zhuǎn)轍器跟端附近地面，使得力的傳遞路徑變長(zhǎng)，對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。王平等利用激光位移傳感器和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)了輪對(duì)橫向位移測(cè)試系統(tǒng)，在合寧線上對(duì)引進(jìn)的法國(guó)道岔進(jìn)行了岔區(qū)輪對(duì)橫移測(cè)試，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的可靠性[11]。在該試驗(yàn)過程中，由于激光位移傳感器支座布置在軌枕上，列車通過時(shí)軌枕處的振動(dòng)會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生干擾。錢坤等對(duì)朔黃鐵路一組75 kg/m鋼軌12號(hào)單開道岔進(jìn)行了輪軌力和振動(dòng)加速度動(dòng)態(tài)測(cè)試，以評(píng)估開行重載提速列車對(duì)道岔安全性的影響[12]。王樹國(guó)等結(jié)合地面和車載測(cè)試方法，分別對(duì)18號(hào)、42號(hào)和62號(hào)道岔開展了動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究[13-15]，并對(duì)高速道岔關(guān)鍵技術(shù)(如岔區(qū)軌道剛度合理取值及均勻化技術(shù)、尖軌降低值優(yōu)化技術(shù)、轉(zhuǎn)轍器運(yùn)動(dòng)學(xué)軌距優(yōu)化技術(shù)、側(cè)線線型設(shè)計(jì)技術(shù))對(duì)動(dòng)車組高速直、側(cè)向過岔平穩(wěn)性的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究[16]。XIN建立轍叉區(qū)輪對(duì)-道岔耦合模型并分析了車輛過岔時(shí)輪對(duì)與叉心的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，最后通過ESAH-M試驗(yàn)裝置對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，證明了模型的合理性[17]。

1 普速道岔動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

1.1 線路概況

試驗(yàn)選取渝懷鐵路白濤站附近一組普速12號(hào)單開有砟道岔，如圖1所示。該線路為客、貨共運(yùn)線，列車直、側(cè)向過岔時(shí)出現(xiàn)輪軌異常振動(dòng)和晃車。試驗(yàn)場(chǎng)地開闊，無(wú)明顯干擾源，便于布置設(shè)備儀器。

圖1 試驗(yàn)地點(diǎn)12號(hào)單開有砟道岔

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要測(cè)試元件有電阻式應(yīng)變片、加速度傳感器，測(cè)試內(nèi)容包括輪軌作用力和振動(dòng)加速度，設(shè)置采樣頻率為1 000 Hz?？紤]岔區(qū)尖軌和叉心部位特殊要求，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，分別于轉(zhuǎn)轍器區(qū)、導(dǎo)曲線部分、轍叉區(qū)鋼軌軌底和軌腰位置布置應(yīng)變片和加速度傳感器，其中，在輪軌力測(cè)試的8個(gè)測(cè)點(diǎn)中，1、2號(hào)測(cè)點(diǎn)位于尖軌前端6號(hào)和7號(hào)岔枕之間，7、8號(hào)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)叉心處56號(hào)和57號(hào)岔枕中間位置；振動(dòng)加速度測(cè)試的9個(gè)測(cè)點(diǎn)中，9、10號(hào)測(cè)點(diǎn)位于尖軌底面，17號(hào)測(cè)點(diǎn)位于心軌底面。輪軌作用力采用地面測(cè)試方法中的剪力法測(cè)量[18]，該方法依據(jù)鋼軌任意斷面處剪力代數(shù)與輪載成正比的原理，通過圖3所示現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定測(cè)得應(yīng)力-應(yīng)變擬合方程F=kε+b，其中F為應(yīng)力，k為比例系數(shù)，ε為應(yīng)變，b為常數(shù)項(xiàng)，最后反演出輪軌作用力。

圖2 道岔動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試傳感器位置布置

圖3 輪軌作用力現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定

1.3 數(shù)據(jù)分析處理方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理流程如圖4所示，主要采用時(shí)頻分析方法。其中，鋼軌形變信號(hào)經(jīng)0.4～40 Hz帶通濾波處理后輸出時(shí)域信號(hào)，代入應(yīng)力-應(yīng)變擬合方程求解輪軌作用力；振動(dòng)加速度信號(hào)經(jīng)0～500 Hz帶通濾波處理后輸出時(shí)域信號(hào)，運(yùn)用快速傅里葉變換(FFT)將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)并進(jìn)行頻譜分析[19-20]。 實(shí)際測(cè)試時(shí)，應(yīng)變片組成全橋經(jīng)應(yīng)變信號(hào)輸入線接入動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析儀，加速度傳感器經(jīng)BNC信號(hào)轉(zhuǎn)接頭接入動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析儀，最后經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并生成信號(hào)文件。

圖4 信號(hào)采集分析系統(tǒng)

2 測(cè)試結(jié)果分析

由于試驗(yàn)布置的輪軌力和振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)較多，限于篇幅，只對(duì)列車直、側(cè)向過岔時(shí)的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)位置采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。選取電力牽引機(jī)車為SS9型的客運(yùn)列車前4節(jié)車體直向過岔和HXD3型電力機(jī)車側(cè)向過岔采集數(shù)據(jù)，列車直向過岔時(shí)選取測(cè)點(diǎn)2、7、10、17采集數(shù)據(jù)分析；側(cè)向過岔時(shí)選取測(cè)點(diǎn)1、8、9、17采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中客運(yùn)列車運(yùn)行速度為96 km/h，機(jī)車運(yùn)行速度為39 km/h。

2.1 輪軌作用力

客運(yùn)列車直向過岔時(shí)輪軌力采集波形如圖5所示。由圖5可知，機(jī)車部分通過道岔區(qū)域的輪軌作用力明顯大于其他車體，這是由于機(jī)車部分除走行部外還承載著機(jī)械、電機(jī)設(shè)備和電子電器裝置，輪軌垂向力和橫向力較客車車體增長(zhǎng)約37%和50%。其中通過轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)時(shí)，輪軌橫向力最大值近似，約為60 kN；輪軌垂向力最大值出現(xiàn)在轍叉區(qū)，約為150 kN，轉(zhuǎn)轍器區(qū)輪軌垂向力最大值約為130 kN。

圖5 客運(yùn)列車直向過岔輪軌力時(shí)程曲線

試驗(yàn)測(cè)得單節(jié)機(jī)車側(cè)向過岔輪軌力采集波形如圖6所示，機(jī)車側(cè)向通過轉(zhuǎn)轍器區(qū)時(shí)輪軌橫向力最大值約為70 kN，垂向力最大值約為110 kN；轍叉區(qū)輪軌橫向力最大值約為55 kN，垂向力最大值約為130 kN。

圖6 單節(jié)機(jī)車側(cè)向過岔輪軌力時(shí)程曲線

測(cè)試結(jié)果表明，列車直、側(cè)向過岔時(shí)，垂向力峰值均出現(xiàn)在轍叉區(qū)，橫向力峰值出現(xiàn)在列車側(cè)向過岔時(shí)的轉(zhuǎn)轍器區(qū)。機(jī)車側(cè)向過岔時(shí)，由于低速運(yùn)行，輪軌垂向力較直向過岔降低約20%，輪軌橫向力變化不明顯，但整體有所降低。不同位置處脫軌系數(shù)極值如圖7所示，最大值均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)轍器區(qū)，且在安全限值以內(nèi)。

圖7 不同位置處脫軌系數(shù)

2.2 振動(dòng)加速度

客運(yùn)列車直向過岔時(shí)振動(dòng)加速度采集波形如圖8所示，列車通過尖軌和叉心區(qū)域時(shí)伴隨著明顯的瞬態(tài)沖擊，尖軌處最大橫向加速度達(dá)到200 m/s2，最大垂向加速度達(dá)到400 m/s2；叉心處最大橫向加速度約為180 m/s2，最大垂向加速度約為400 m/s2。軌枕處由于鋼軌扣壓件和道床的減振作用，測(cè)得的垂向加速度峰值約為40 m/s2。

圖8 客運(yùn)列車直向過岔加速度時(shí)程曲線

對(duì)采集到的振動(dòng)加速度時(shí)程響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到列車直向過岔時(shí)的振動(dòng)加速度頻譜如圖9所示。

圖9 列車直向過岔加速度頻譜

頻譜分析表明，列車直向過岔時(shí)，尖軌和心軌處加速度測(cè)點(diǎn)由200 Hz及300 Hz附近的頻率成分主導(dǎo)。尖軌垂向和心軌垂向處主頻為295 Hz，尖軌橫向和心軌橫向處振動(dòng)加速度出現(xiàn)多個(gè)單峰值，集中在200，225，300 Hz附近，且振幅相近。這表明列車直向過岔時(shí)，尖軌和心軌處承受的垂向振動(dòng)能量較為集中，橫向振動(dòng)能量較為分散。

試驗(yàn)測(cè)得單節(jié)機(jī)車側(cè)向過岔時(shí)振動(dòng)加速度采集波形如圖10所示，機(jī)車低速通過時(shí)，在尖軌和叉心區(qū)域仍會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊，此時(shí)加速度峰值較列車直向過岔時(shí)大幅度降低。測(cè)得尖軌處最大橫向加速度約為60 m/s2，最大垂向加速度約為150 m/s2；叉心位置橫向加速度最大值約為50 m/s2，垂向加速度最大值約為90 m/s2。導(dǎo)曲線部分由于鋼軌廓形不存在截面形狀的較大突變，列車通過時(shí)基本無(wú)瞬態(tài)沖擊現(xiàn)象，測(cè)得輪軌橫向和垂向振動(dòng)加速度峰值相近，約為30 m/s2。

圖10 單節(jié)機(jī)車側(cè)向過岔加速度時(shí)程曲線

對(duì)采集到的振動(dòng)加速度時(shí)程響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到機(jī)車側(cè)向過岔時(shí)的振動(dòng)加速度頻譜如圖11所示。

圖11 單節(jié)機(jī)車側(cè)向過岔加速度頻譜

頻譜分析表明，單節(jié)機(jī)車側(cè)向過岔時(shí)，尖軌處振動(dòng)加速度出現(xiàn)多個(gè)峰值，主頻不明顯，垂向振動(dòng)加速度主要集中在290，360，480 Hz附近，橫向振動(dòng)加速度主要集中在130，170，380 Hz附近，振動(dòng)能量較為分散，且橫向振動(dòng)加速度主頻幅值普遍大于垂向振動(dòng)加速度；心軌處振動(dòng)加速度主頻主要集中在450～500 Hz內(nèi)，屬于高頻振動(dòng)。

測(cè)試結(jié)果表明，列車直、側(cè)向通過道岔區(qū)域時(shí)，橫向加速度峰值均出現(xiàn)在尖軌處。直向過岔時(shí)垂向加速度峰值在尖軌和叉心區(qū)域相近，尖軌和心軌處承受的垂向振動(dòng)集中于主頻295 Hz處，橫向振動(dòng)能量較分散；側(cè)向過岔時(shí)垂向加速度極值出現(xiàn)在尖軌位置，尖軌處振動(dòng)能量在頻域內(nèi)分布較分散，心軌處振動(dòng)加速度主頻較直向過岔更為集中，主要分布在450～500 Hz高頻段。此外，列車高速通過時(shí)，岔區(qū)鋼軌振動(dòng)明顯，每周期內(nèi)存在多點(diǎn)瞬態(tài)沖擊，低速通過時(shí)，鋼軌瞬態(tài)沖擊數(shù)目、振動(dòng)加速度峰值和不同頻段振動(dòng)加速度幅值顯著降低。

3 結(jié)論

(1)由于尖軌和叉心部位明顯的軌道結(jié)構(gòu)不平順特征，列車機(jī)車部分通過該區(qū)域時(shí)，會(huì)產(chǎn)生輪軌作用力和振動(dòng)加速度峰值，且隨著運(yùn)行速度的增加而增大。

(2)列車直向過岔時(shí)，輪軌垂向力較橫向力變化明顯，輪軌垂向力峰值達(dá)到150 kN，橫向力峰值約為60 kN；列車側(cè)向過岔通過轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)時(shí)，輪軌橫向力略有降低，垂向力峰值出現(xiàn)在轍叉區(qū)，約為130 kN。脫軌系數(shù)呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，但峰值均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)轍器區(qū)，且在安全限值之內(nèi)。

(3)列車過岔速度對(duì)振動(dòng)加速度影響顯著，高速通過時(shí)最大垂向振動(dòng)加速度為400 m/s2，低速時(shí)為150 m/s2，下降幅度達(dá)到60%。在頻域分析中，列車直向過岔時(shí)垂向振動(dòng)加速度主頻集中在295 Hz，振動(dòng)能量較橫向更為集中。側(cè)向過岔時(shí)尖軌處出現(xiàn)多個(gè)單峰值，振動(dòng)能量在頻域內(nèi)分布分散，心軌處振動(dòng)加速度主頻主要集中在450～500 Hz內(nèi)。