軌道故障引發的輪軌沖擊特征研究*

李修文 曾承志 楊榮華 唐德堯

(1.唐智科技湖南發展有限公司，410083，長沙；2.北京唐智科技發展有限公司，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，其質量和工作狀態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壓迫和沖擊，軌道將出現垂向和橫向的動態形變和永久形變[1-3]；同時，因受焊接材料、焊接工藝水平和養護維修等多方面因素的影響，在車輪反復輾壓作用下，軌道焊接接頭會發生低塌等病害[4]，使得軌道出現各種安全隱患，嚴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的輪軌沖擊響應特征，對軌道故障診斷而言意義重大。

當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]。現階段檢測軌道故障的方法多種多樣，有超聲波檢測、聲發射、微波檢測、射線檢測、磁粉檢測和滲透檢測等[8]。隨著現代檢測技術、計算機技術和信號處理技術的發展，基于運營車輛的軌道檢測技術也得到了發展[3]。在運營車輛上直接加裝在線監測系統成為今后軌道故障檢測的發展趨勢。軌道在線監測技術核心在于信號處理，因而對其故障引發的信號進行研究是軌道故障檢測的基礎。

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的故障數據特征進行對比，驗證仿真結果的準確性，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，就能對軌道狀態進行診斷，并基于相應的沖擊特征確定具體的故障類型。部分常見軌道故障形態如圖1所示。

圖1 常見軌道故障形態

2 軌道故障引發的輪軌沖擊仿真分析

為研究各類型軌道故障引發的輪軌沖擊信息特征，擬通過動力學建模仿真方法，對軌道存在斷裂、內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 軌道斷裂故障引發的輪軌沖擊仿真

對有縫軌道來說，接縫寬度安裝時的規定為6 mm，軌道斷裂斷口寬度一般大于該值(曾出現的軌道斷裂的斷口寬為15 mm)。研究軌道斷裂引發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進行計算，車輪轉速在120 r/min、240 r/min和450 r/min這三種狀態下的輪軌沖擊信息表現如圖3所示。

圖3 不同車輪轉速下的軌道斷裂仿真分析結果

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

2.2 軌道內部裂紋故障引發的輪軌沖擊仿真

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

圖4 軌道內部裂紋仿真模型圖

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

圖5 不同車輪轉速下的軌道內部裂紋仿真分析結果

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

2.3 軌道平直度故障引發的輪軌沖擊仿真

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，車輪轉速在120 r/min、240 r/min和450 r/min這三種狀態下的輪軌沖擊信息表現，如圖7所示。

圖6 軌道平直度故障特征示意圖

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

圖7 不同車輪轉速下的軌道平直度故障仿真分析結果

2.4 軌道故障引發的輪軌沖擊特征總結

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

表1 不同車輪轉速下各類型軌道故障的沖擊響應最大值(無量綱)

1)軌道斷裂引發的輪軌沖擊特征主要表現為多簇形式：輪軌轉速低時，輪軌沖擊表現為3簇；隨著輪軌轉速增高，沖擊簇更多。產生此現象的主要原因可能為車輪經過斷裂區域激發了車輛簧下部分的廣義共振。

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

3)軌道平直度故障引發的輪軌沖擊特征主要表現為明顯的2簇沖擊，且車輪低轉速下產生的沖擊幅值較低。主要原因為車輪滾入該區域及滾出該區域將分別產生沖擊。

3 現場軌道故障沖擊數據驗證分析

為驗證上述仿真分析中軌道故障引發的輪軌沖擊特征的有效性，選擇了兩條安裝有軌道監測功能設備的線路進行相應的數據分析，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位置和適用車速變化情況，采用的數據采集方式為轉速跟蹤采樣。本試驗的采樣頻率為200點/圈，即車輪每旋轉一周，等旋轉角度采集200個數據點。

3.1 軌道斷裂沖擊數據驗證分析

圖8和圖9為有縫軌道線路同一公里標位置的兩組不同行車趟次的沖擊數據。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生較大的沖擊信號，且該沖擊表現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，疑似軌道斷裂引發的沖擊信息。

圖8 某線下行線B272+60 km處疑似軌道斷裂數據一

圖9 某線下行線B272+60 km疑似軌道斷裂數據二

現場工務人員檢查反饋，該公里標位置確為軌道接縫區域，且其寬度發生了明顯變化，達到15 mm(正常應在6 mm)，相當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的沖擊特征表現。

圖10 軌道接縫寬度超標形成的類似斷裂照片

3.2 軌道平直度故障沖擊數據驗證分析

圖11和圖12為無縫焊接軌道線路檢測得到的兩組沖擊數據。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疑似平直度故障數據

圖12 某線下行線左軌K1+702 km疑似平直度故障數據

通過現場工務人員勘查軌道狀態確認，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的沖擊特征表現。

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據特征表現驗證了動力學仿真中部分軌道故障(軌道斷裂和軌道平直度故障)引發的沖擊特征的準確性。

4 結語

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

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

2)通過現場實際試驗沖擊數據分析，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，與仿真結果基本一致。

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