軌道故障引發(fā)的輪軌沖擊特征研究*

李修文 曾承志 楊榮華 唐德堯

(1.唐智科技湖南發(fā)展有限公司，410083，長沙；2.北京唐智科技發(fā)展有限公司，100038，北京∥第一作者，高級工程師)

軌道作為城市軌道交通列車的行車基礎(chǔ)，其質(zhì)量和工作狀態(tài)對整個線路及行車安全有著直接的影響。在日常運營過程中，隨著列車輪對的反復(fù)壓迫和沖擊，軌道將出現(xiàn)垂向和橫向的動態(tài)形變和永久形變[1-3]；同時，因受焊接材料、焊接工藝水平和養(yǎng)護維修等多方面因素的影響，在車輪反復(fù)輾壓作用下，軌道焊接接頭會發(fā)生低塌等病害[4]，使得軌道出現(xiàn)各種安全隱患，嚴(yán)重威脅列車的運營安全性及乘客的舒適性。因此，研究不同類型軌道故障引發(fā)的輪軌沖擊響應(yīng)特征，對軌道故障診斷而言意義重大。

當(dāng)車輪在有故障的軌道上運動時，周期性的沖擊會引起整個車輛、軌道系統(tǒng)的藕合振動，這樣不僅會縮短列車各個部件的使用壽命，而且是造成車輛顛覆、燃軸和切軸的重要原因[5-7]。現(xiàn)階段檢測軌道故障的方法多種多樣，有超聲波檢測、聲發(fā)射、微波檢測、射線檢測、磁粉檢測和滲透檢測等[8]。隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)、計算機技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，基于運營車輛的軌道檢測技術(shù)也得到了發(fā)展[3]。在運營車輛上直接加裝在線監(jiān)測系統(tǒng)成為今后軌道故障檢測的發(fā)展趨勢。軌道在線監(jiān)測技術(shù)核心在于信號處理，因而對其故障引發(fā)的信號進行研究是軌道故障檢測的基礎(chǔ)。

本文主要針對軌道存在斷裂故障、裂紋故障和表面平直度故障時的沖擊特征進行研究，通過動力學(xué)模型仿真分析各故障下的沖擊特征差異，并通過與實際測試出現(xiàn)的故障數(shù)據(jù)特征進行對比，驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為軌道故障主動診斷提供參考。

1 軌道常見故障類型

從軌道故障的宏觀特征和形成機理上，可將軌道故障分為：核傷、縱向裂紋、螺孔裂紋、焊接接頭、擦傷裂紋和水平裂紋等[9]，其中軌道裂紋和斷裂屬于較為嚴(yán)重的故障。以上故障都能在車輛運行過程中引起強烈的輪軌沖擊。若能提取并識別各類故障引起的輪軌沖擊信息存在的差異，就能對軌道狀態(tài)進行診斷，并基于相應(yīng)的沖擊特征確定具體的故障類型。部分常見軌道故障形態(tài)如圖1所示。

圖1 常見軌道故障形態(tài)

2 軌道故障引發(fā)的輪軌沖擊仿真分析

為研究各類型軌道故障引發(fā)的輪軌沖擊信息特征，擬通過動力學(xué)建模仿真方法，對軌道存在斷裂、內(nèi)部裂紋和平直度這三種常見故障時的輪軌沖擊信息進行分析。

2.1 軌道斷裂故障引發(fā)的輪軌沖擊仿真

對有縫軌道來說，接縫寬度安裝時的規(guī)定為6 mm，軌道斷裂斷口寬度一般大于該值(曾出現(xiàn)的軌道斷裂的斷口寬為15 mm)。研究軌道斷裂引發(fā)的輪軌沖擊信息建立的模型斷口寬度為20 mm(如圖2所示)。

圖2 軌道斷裂故障仿真模型圖

基于圖2的仿真模型。通過有限元顯式動力學(xué)進行計算，車輪轉(zhuǎn)速在120 r/min、240 r/min和450 r/min這三種狀態(tài)下的輪軌沖擊信息表現(xiàn)如圖3所示。

圖3 不同車輪轉(zhuǎn)速下的軌道斷裂仿真分析結(jié)果

圖3所示的仿真結(jié)果表明，當(dāng)軌道斷裂時，所呈現(xiàn)的沖擊特征主要表現(xiàn)為多簇形式(3簇及以上)。其中：低轉(zhuǎn)速下為3簇明顯的沖擊，而轉(zhuǎn)速增高則進一步增至4簇及以上。

2.2 軌道內(nèi)部裂紋故障引發(fā)的輪軌沖擊仿真

軌道內(nèi)部裂紋模型建立基于實際現(xiàn)場中出現(xiàn)的裂紋形態(tài)(如圖1所示)為依據(jù)，最終建立的軌道內(nèi)部裂紋模型如圖4所示。

圖4 軌道內(nèi)部裂紋仿真模型圖

同樣通過仿真計算得到軌道內(nèi)部裂紋時，車輪轉(zhuǎn)速在120 r/min、240 r/min和450 r/min這三種狀態(tài)下的輪軌沖擊信息表現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 不同車輪轉(zhuǎn)速下的軌道內(nèi)部裂紋仿真分析結(jié)果

圖5所示的仿真結(jié)果表明，軌道內(nèi)部裂紋時，所呈現(xiàn)的沖擊特征主要表現(xiàn)為一簇明顯的沖擊。其中：車輪低轉(zhuǎn)速下引起的沖擊幅值高；隨著車輪轉(zhuǎn)速升高，沖擊幅值逐漸降低。

2.3 軌道平直度故障引發(fā)的輪軌沖擊仿真

軌道的平直度故障是軌道表面缺陷的主要表現(xiàn)形式。本文通過建立軌道表面存在凹特征來模擬軌道平直度故障，最終建立的軌道平直度故障模型如圖6所示。

基于圖6分析模型，同樣通過仿真計算得到軌道存在平直度故障時，車輪轉(zhuǎn)速在120 r/min、240 r/min和450 r/min這三種狀態(tài)下的輪軌沖擊信息表現(xiàn)，如圖7所示。

圖6 軌道平直度故障特征示意圖

圖7所示的仿真結(jié)果表明，軌道平直度故障所呈現(xiàn)的沖擊特征主要表現(xiàn)為2簇明顯的輪軌沖擊。其中：車輪低轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的沖擊幅值低；隨著車輪轉(zhuǎn)速變高，沖擊幅值顯著增高。

圖7 不同車輪轉(zhuǎn)速下的軌道平直度故障仿真分析結(jié)果

2.4 軌道故障引發(fā)的輪軌沖擊特征總結(jié)

通過以上仿真研究表明，不同類型軌道故障引發(fā)的輪軌沖擊特征表現(xiàn)及幅值(見表1)存在一定差異。具體特征總結(jié)如下：

表1 不同車輪轉(zhuǎn)速下各類型軌道故障的沖擊響應(yīng)最大值(無量綱)

1)軌道斷裂引發(fā)的輪軌沖擊特征主要表現(xiàn)為多簇形式：輪軌轉(zhuǎn)速低時，輪軌沖擊表現(xiàn)為3簇；隨著輪軌轉(zhuǎn)速增高，沖擊簇更多。產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因可能為車輪經(jīng)過斷裂區(qū)域激發(fā)了車輛簧下部分的廣義共振。

2)軌道內(nèi)部裂紋引發(fā)的輪軌沖擊特征主要表現(xiàn)為一簇沖擊，且在車輪低轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的沖擊幅值高；隨著輪軌轉(zhuǎn)速升高，沖擊幅值降低明顯。初步認(rèn)為主要原因是軌道裂紋故障時高轉(zhuǎn)速下車輪迅速離開裂紋區(qū)域，裂紋導(dǎo)致的剛度降低還來不及對車輪產(chǎn)生沖擊；而低轉(zhuǎn)速下則能對車輪產(chǎn)生影響。

3)軌道平直度故障引發(fā)的輪軌沖擊特征主要表現(xiàn)為明顯的2簇沖擊，且車輪低轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的沖擊幅值較低。主要原因為車輪滾入該區(qū)域及滾出該區(qū)域?qū)⒎謩e產(chǎn)生沖擊。

3 現(xiàn)場軌道故障沖擊數(shù)據(jù)驗證分析

為驗證上述仿真分析中軌道故障引發(fā)的輪軌沖擊特征的有效性，選擇了兩條安裝有軌道監(jiān)測功能設(shè)備的線路進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，其中一條線路的軌道為有縫軌道，另一條線路的軌道為無縫焊接軌道。為了便于確定軌道故障的公里標(biāo)位置和適用車速變化情況，采用的數(shù)據(jù)采集方式為轉(zhuǎn)速跟蹤采樣。本試驗的采樣頻率為200點/圈，即車輪每旋轉(zhuǎn)一周，等旋轉(zhuǎn)角度采集200個數(shù)據(jù)點。

3.1 軌道斷裂沖擊數(shù)據(jù)驗證分析

圖8和圖9為有縫軌道線路同一公里標(biāo)位置的兩組不同行車趟次的沖擊數(shù)據(jù)。對于有縫軌道，車輪正常運行時，在兩根軌道的接縫處均會產(chǎn)生較大的沖擊信號，且該沖擊表現(xiàn)為一簇明顯的窄脈沖。圖8和圖9中，除一簇窄脈沖之外，還存在明顯的多簇沖擊特征信息，表明其是非正常軌道接縫引起的沖擊信息，從特征上看，疑似軌道斷裂引發(fā)的沖擊信息。

圖8 某線下行線B272+60 km處疑似軌道斷裂數(shù)據(jù)一

圖9 某線下行線B272+60 km疑似軌道斷裂數(shù)據(jù)二

現(xiàn)場工務(wù)人員檢查反饋，該公里標(biāo)位置確為軌道接縫區(qū)域，且其寬度發(fā)生了明顯變化，達到15 mm(正常應(yīng)在6 mm)，相當(dāng)于形成了類似軌道斷裂的特征，故障照片如圖10所示。同時通過采樣點數(shù)計算，接縫沖擊與多簇沖擊之間間距大約為25 m，符合實際情況，進而驗證了仿真軌道斷裂引發(fā)的沖擊特征表現(xiàn)。

圖10 軌道接縫寬度超標(biāo)形成的類似斷裂照片

3.2 軌道平直度故障沖擊數(shù)據(jù)驗證分析

圖11和圖12為無縫焊接軌道線路檢測得到的兩組沖擊數(shù)據(jù)。從圖11和圖12為中均可看到一簇焊縫沖擊信息，另外還有疑似軌道平直度故障引發(fā)的明顯兩簇沖擊特征信息。

圖11 某線下行線右軌K1+702 km疑似平直度故障數(shù)據(jù)

圖12 某線下行線左軌K1+702 km疑似平直度故障數(shù)據(jù)

通過現(xiàn)場工務(wù)人員勘查軌道狀態(tài)確認(rèn)，在該線下行線右軌和左軌K1+702 km處均存在焊縫平直度故障，故障照片如圖13所示，進而驗證了仿真軌道平直度故障引發(fā)的沖擊特征表現(xiàn)。

圖13 某線下行線右軌和左軌K1+702 km處焊縫平直度故障照片

通過以上實際線路試驗故障沖擊數(shù)據(jù)特征表現(xiàn)驗證了動力學(xué)仿真中部分軌道故障(軌道斷裂和軌道平直度故障)引發(fā)的沖擊特征的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

本文通過對常見軌道故障的動力學(xué)仿真研究，初步得到了各類軌道故障引發(fā)的沖擊特征表現(xiàn)，并基于實際試驗數(shù)據(jù)對部分仿真沖擊特征進行了驗證。

1)通過動力學(xué)仿真計算，對軌道斷裂、內(nèi)部裂紋和軌道平直度這三種故障引發(fā)的沖擊特征進行了總結(jié)。其中：軌道斷裂引發(fā)的沖擊特征主要表現(xiàn)為多簇形式，軌道內(nèi)部裂紋引發(fā)的則為一簇沖擊，而軌道平直度故障引發(fā)的沖擊特征為兩簇沖擊。

2)通過現(xiàn)場實際試驗沖擊數(shù)據(jù)分析，驗證了軌道斷裂故障和軌道平直度故障時的沖擊信息表現(xiàn)，與仿真結(jié)果基本一致。

3)本文提出的基于輪軌沖擊特征的識別診斷方法，可為后續(xù)軌道故障檢測識別提供參考。