鐵路線路動車組動力學響應檢測應用研究

楊榮峰,王林棟,章 亮

(1 南車集團公司 青島四方機車車輛股份有限公司,山東青島266111;2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京100081)

在鐵路線路上的動態檢測試驗中,采用動車組進行動力學響應檢測。該動車組裝有測力輪對和加速度傳感器,用于測試動車組在線路上的運行穩定性和運行平穩性[1],檢測軌道線路存在的缺陷,并準確地給出缺陷所在的里程標和線況,為鐵路維修、養護提供指導。因此,動車組動力學響應檢測是新建線路聯調聯試的重要環節。

動力學響應檢測中,動車組是試驗設備的載體,是線路動態響應的直接作用對象。因此,動車組的技術狀態直接決定了試驗數據和線路評判結果的準確性,技術狀態良好的動車組是動態試驗的基本要求。在鐵路線檢測中,發現動車組部分車輛的自身狀態逐漸惡化,導致振動加劇,部分測試結果偏離軌道的真實水平。所以,在線路檢測試驗中,如何科學準確地分析試驗數據,合理公正地評價線路質量成為關鍵問題。

本文對動車組在鐵路上的運行穩定性和運行平穩性進行了分析,闡述了軌道線路存在的缺陷及改進措施,為新修建鐵路的整治、養護提供參考;本文還分析了試驗過程中車輛的振動特性和變化趨勢,提出判斷車輛異常振動的方法,為檢測車的應用和維修提供了基礎數據。

1 測試指標及評判標準

動力學響應檢測指標主要包括兩方面:運行穩定性和運行平穩性。試驗中各指標應符合《客運專線鐵路工程竣工驗收動態檢測指導意見》的相關要求。

1.1 運行穩定性

(1)脫軌系數:Q/P≤0.8。

(3)輪軸橫向力:H≤10+P0/3。

P0為靜軸重。

(4)橫向穩定性:當構架橫向加速度峰值出現連續6次以上達到或超過極限值8～10 m/s2(與轉向架構架設計相適應)時,判定轉向架失穩,即停止提速。

1.2 運行平穩性

根據車體橫向和垂向不同頻段加速度加權結果,計算橫向和垂向平穩性指標W。等級劃分為:

W≤2.50為優,2.50＜W ≤2.75為良好,2.75＜W ≤3.00為合格。

2 試驗結果及分析

2.1 運行穩定性

根據鐵路動力學響應檢測數據,脫軌系數、輪軸橫向力均小于要求的限值;輪重減載率多次超過0.80,但是均為單峰減載值,未出現連續兩個峰值減載超過0.80的情況;構架橫向加速度也符合要求,轉向架未出現橫向失穩。因此試驗過程中運行穩定性符合要求。

考慮到鐵路長期運營后,輪重減載率單峰值超過0.80的點可能會出現惡化,是安全上的隱患,因此應予以檢查消除。下面對線路輪重減載率大的特征點進行歸納、分析,便于更加清晰、正確地了解減載現象的原因和本質,提高線路檢測水平,同時為線路維修提供參考。

圖1為輪重減載率大的點隨里程的分布圖。根據試驗數據總結輪重減載率有以下特點:

(1)輪重減載率未出現連續兩個峰值減載大于0.80的情況。

(2)輪重減載率大于0.80的點較少,且最大值小于1.0。

(3)輪重減載率大于0.80的點集中在3個線路區段,對應里程分別為K 605、K 675、K 741附近。

(4)線路反復檢測后發現,輪重減載率大的點發生位置具有重復性。

結果表明,運行穩定性試驗能夠有效地檢測軌道線路缺陷,是評判軌道線路質量的有效方法。

圖1 輪重減載率大的點隨里程分布散點圖

2.2 運行平穩性

圖2為車體垂向平穩性大的點隨里程的分布圖。橫向平穩性分布規律與垂向平穩性類似。根據試驗數據總結平穩性有以下特點:

圖2 垂向平穩性大的點隨里程分布散點圖

(1)平穩性多處超過2.50,個別點超過2.75,但均未超過3.0。

(2)平穩性大的點集中在線路上的個別區段。

(3)線路反復檢測后發現,平穩性大的點發生位置具有重復性。

(4)平穩性值沿里程明顯分為兩段,以K 655為分界線。K 655左側區域平穩性大的點明顯多于右側區域。

試驗結果表明,該線路整體平穩性為優,但個別區段為良好或合格。運行平穩性試驗對線路的整體平穩性和局部平穩性均能給出有效的評判。

3 線路缺陷分析

動力學試驗結果中出現輪重減載率和平穩性大的點,說明部分線路區段存在較大缺陷。特別是輪重減載率大的點具有潛在的危險性,對應的線路缺陷必須予以消除[2]。因此如何查找、診斷減載率大的點對應的線路缺陷是解決問題的關鍵。

根據對線路缺陷多次檢測和診斷的經驗,發現有些線路缺陷明顯、易查,有些缺陷隱蔽、難查。因此根據查找難度本文將產生輪重減載的線路缺陷分為兩種:顯性缺陷和隱性缺陷。

顯性缺陷是指利用現有的常規檢測方法能夠方便、準確發現的線路缺陷,例如非常明顯的高低不平順、三角坑、焊縫打磨不平等。顯性缺陷易出現在道岔、焊縫、過渡段、隧道等位置。

隱性缺陷是指常規檢測方法難以發現,需要采用特殊手段才能發現的線路缺陷,例如扣件緊固力不足、墊板缺失等。隱性缺陷處軌道往往存在垂向剛度不一致,在線路檢測中稱為“空吊”。車輪經過隱性缺陷位置時,輪軌間垂向作用力隨之出現突變,如果壓力減小則表現為輪重減載。

在檢查引起輪重減載的原因時,首先可利用常規手段查找顯性缺陷,在排除顯性缺陷后再仔細、認真查找隱性缺陷。輪重減載率大的點有時是由多種線路缺陷引起的,應綜合排查。

線路測試結果中,輪重減載率大的點多出現在隧道內(無砟軌道)。維修人員現場檢查發現,隧道內的線路缺陷主要是高低不平順、三角坑和少量的墊板缺失。通過調整墊板厚度,線路打磨等措施整治后,該區段輪重減載率明顯減小。

4 車輛異常振動分析

與試驗初期相比,試驗后期(運行約1萬km后)動車組部分車輛振動明顯增大,運行平穩性指標超過2.50,車輛狀態惡化。

圖3是試驗前期與試驗后期在同一段線路、同樣速度級下的車體垂向加速度波形。可以看出,試驗后期振動加速度幅值明顯增加,且具有周期性。圖4是試驗后期車體垂向振動加速度的頻譜圖。振動主頻為26.1 Hz,對應運行速度為250 km/h。計算得到振動波長為2.66 m。此波長與車輪踏面周長基本一致。

圖3 在同一段線路、同樣速度級下,試驗前期與試驗后期車體垂向振動加速度波形對比

圖4 試驗后期,車體垂向振動加速度頻譜圖

在線路狀態變化可以忽略的情況下,動車組的多輛車在多數線路區段中的測試結果有類似現象,且周期振動的波長與運行速度無關。因此判斷是車輛自身狀態逐漸惡化引起的異常振動。

5 對異常振動的處理方法和建議

車輛出現異常振動后,會影響試驗精度,并進一步引起對線路的評判誤差。所以在線路檢測試驗中應排除車輛異常振動因素,減小誤差。試驗中可以從以下方面分析是否存在異常振動:

(1)在試驗前后,觀察、測量車輪外形是否正常。(2)在試驗前后,檢查減振器、空氣彈簧等懸掛裝置是否正常。

(3)在同樣試驗工況下,分析動力學性能測量結果是否基本一致。

如果存在異常振動,應通過對車輛進行檢查、維修等措施予以消除,以保證試驗結果的準確性。

6 結束語

動力學響應檢測是檢測線路缺陷的有效手段,能有效地評判車輛在線路上的運行安全性和運行平穩性,為線路維修和整改提供科學依據。

車輛異常振動是線路檢測中的有害因素,會影響檢測結果,應通過測量、分析和維修等方法予以消除。

[1]倪純雙,黃 強,王悅明,等.機車車輛動力學試驗數據分析處理軟件DASO[J].中國鐵道科學,2004,(1):28-33.

[2]手冢和彥.脫軌與運行安全性[C].國外高速列車譯文集(5),1997:424-430.2 Locomotive&Car Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)