基于輪軌接觸分析的廣義橫向不平順研究

2023-11-10 07:09:00王文斌戴源廷吳澤宇馬志鵬

鐵道機車車輛 2023年5期

朱彬，王文斌，戴源廷，吳澤宇,2，馬志鵬,2，曾京

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司城市軌道交通中心，北京 100081；2 中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；3 西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

近年來，隨著各類鐵路網絡規模的不斷擴大和基礎設施的逐漸老化，車輛系統異常振動問題越來越突出［1-3］，老舊線路車輛橫向低頻晃動問題尤為顯著，引起了運維部門及行業專家的廣泛關注。

車輛橫向晃動的機理主要可以分為受迫振動和自激振動2 類，其中受迫振動的作用機理為車輛在軌道不平順激擾的持續作用下產生的振動，其振動特征（幅值與相位）與軌道不平順里程特征密切相關。自激振動導致車輛晃動的機理為車輛系統橫向穩定性不足產生的蛇行運動，自激振動是錐形踏面車輪與鋼軌相互作用的固有特征，與輪軌等效錐度、懸掛參數匹配等因素相關，自激振動在完全平直的理想軌道上也會發生，系統參數不發生變化時，其振動特征與里程無關［4-6］。

傳統的軌道不平順通常只考慮軌道幾何不平順，忽略了軌底坡、不均勻磨耗等因素影響下鋼軌廓形變化導致的不平順激擾。研究車輛異?；蝿訂栴}時，通常只考慮軌道幾何不平順的幅值是否異常，或其波長是否與車輛晃動頻率相吻合。若無明顯問題則認為車輛晃動屬于自激振動，將研究重點放到輪軌等效錐度、懸掛系數等參數上，忽略了鋼軌廓形變化導致的激擾，從而造成誤判。即使注意到了鋼軌廓形的變化能對車輛產生激擾，目前尚無對其激擾程度的定量研究方法，這也是廓形變化激擾理論難以應用和被廣泛認可的重要原因［7-12］。

針對目前利用軌道幾何不平順描述軌道激擾的局限性，綜合考慮軌道幾何不平順與鋼軌廓形不平順，基于輪軌接觸分析提出了一種廣義軌道不平順，對不均勻磨耗、軌底坡等因素對車輛的激擾進行了量化分析，結合軌道幾何不平順描述了真實的軌道激擾狀態。該理論方法對解決車輛異?；蝿訂栴}具有實際意義。

1 一種特殊的車輛低頻晃動問題

1.1 車輛動力學響應測試

老舊線路的車輛和軌道狀態不佳，車輛低頻異?；蝿訂栴}時常發生。以某城市軌道交通線路的車輛異?；蝿訂栴}為例，對其進行動力學試驗，測試車輛的運行平穩性。分別在車體的一、二位平穩性測點安裝加速度傳感器測試車體的振動響應，同時同步軸箱和構架的橫向振動信號對車輛晃動進行輔助分析。在輪對軸箱內安裝脈沖轉速傳感器同步采集車輪的轉速信號，根據轉速信號獲取車輪的運行速度和里程。部分測點如圖1所示。

圖1 加速度及轉速傳感器安裝

采用基于慣性基準原理和無接觸測量方式的軌道動態幾何檢測系統對軌道動態幾何進行檢測，采樣間隔為0.25 m，軌道動態幾何檢測系統安裝如圖2 所示。

圖2 軌道動態幾何檢測系統安裝圖

1.2 車體橫向晃動低頻成分的強確定性

在動力學測試過程中，為了研究不同速度和里程對車輛晃動的影響，分別以60、70、80、90 km/h這4 種不同的速度工況分別對車輛動力學響應進行測試。將車體橫向加速度信號從時域映射到里程中，結果如圖3 所示。

圖3 里程坐標下4 種不同速度工況下的車體橫向加速度

由圖3 可知，車體以4 種不同速度經過某一里程區段時，加速度信號低頻成分基本重合，不同的速度下加速度幅值略有不同。車輛失穩造成的蛇行運動相位并不固定，無法產生類似的波形重合現象，而該低頻晃動具有非常強的確定性，因此該車輛晃動問題與里程固定的軌道激擾密切相關。該里程區段下，軌向不平順測試結果如圖4 所示。

圖4 軌道動態軌向不平順

為研究軌向不平順與車體橫向加速在頻域分布上的相關性，根據車輛運行速度，將軌向不平順投射到時域坐標系下，并與車體橫向加速度頻譜特征進行對比，結果如圖5 所示。

圖5 軌向不平順與車體橫向加速度的頻譜對比

由圖4 和圖5 可知，軌向不平順幅值較小，相同里程下的軌向不平順波形與車輛晃動波形不存在明顯的關聯性。軌向不平順造成的激擾頻率在1 Hz 附近，而車輛橫向晃動頻率為2 Hz 左右，顯然軌向不平順激擾并不是直接導致車輛異常橫向晃動的主要原因。

2 廣義橫向不平順的提出

2.1 鋼軌廓形變化造成的激擾

除軌向不平順，還有其他形式的橫向激擾對車輛系統產生持續作用。由現場踏勘可知，車輛晃動區段鋼軌存在明顯的交替不均勻側磨（交替側磨）問題，導致鋼軌廓形發生周期性改變。根據現場測量，交替側磨的波長為11~12 m 左右，結合車輛速度，其頻率與車輛晃動頻率相吻合。鋼軌廓形的變化導致輪軌接觸關系的改變，對車輛產生橫向激擾從而導致車輛晃動。傳統動力學分析僅考慮單個斷面的鋼軌廓形狀態，具有一定局限性。當鋼軌廓形周期性變化時，需要考慮隨里程位置變化而變化的鋼軌踏面三維外形狀態。為此，對鋼軌廓形進行連續測試，將得到的二維鋼軌廓形沿真實的里程位置排列，即可得到鋼軌廓形三維變化狀態。測試斷面為離散斷面，非測試斷面的鋼軌廓形值可以通過相鄰斷面廓形三維插值獲得。測試現場及部分結果如圖6 所示。

圖6 鋼軌廓形連續測試

經過三維插值、對齊等操作后可以得到鋼軌廓形高度三維云圖，如圖7 所示。

圖7 實測鋼軌廓形高度三維云圖

2.2 廣義橫向不平順定義及計算方法

與軌道幾何一樣，鋼軌廓形變化會對車輛系統造成激擾，但其作用機理是否存在內在聯系需要進一步分析。對不同截面處的鋼軌廓形進行輪軌接觸分析，計算鋼軌廓形變化時輪軌接觸幾何的變化情況，具體計算方法可參考文獻［13］。以一個廓形變化周期內的3 個截面為例，結果如圖8所示。

圖8 不同鋼軌廓形條件下輪軌接觸幾何

由圖8 可以看出，不同鋼軌截面位置處的輪軌接觸點分布情況不同。軌道車輛系統橫向穩定特性的根源來自左右輪徑差導致車輪在受擾動時向平衡位置運動的能力。左右車輪輪徑差為零時，輪對的橫移位置即為輪對的橫向平衡位置。對不同截面條件下的輪徑差情況進行計算，結果如圖9所示。

圖9 不同鋼軌廓形條件下輪徑差

由圖9 可以看出，3 種廓形條件下輪對的橫向平衡位置分別為6、0、-9 mm。鋼軌廓形變化導致了輪對橫向平衡位置發生改變，輪對在自導向能力作用下不斷向平衡位置運動，可將平衡位置隨里程變化的波形視為鋼軌廓形引起的廣義不平順。

將軌道不平順的因素考慮進來，計算輪軌接觸幾何時根據軌道幾何不平順調整鋼軌廓形的位置，即可計算出軌道幾何不平順和鋼軌廓形變化作用下的綜合廣義軌道不平順。

3 廣義橫向不平順的意義及工程應用

3.1 鋼軌廓形變化對車輛橫向作用的量化分析

實際工程中，軌道幾何激擾與鋼軌廓形激擾通常同時存在，廣義橫向不平順能將不同維度軌道激擾進行量化比較，對晃車問題的理解與分析具有重要意義。根據前文定義的方法對廣義軌道不平順進行計算，結果如圖10 所示。

圖10 鋼軌廓形變化導致的廣義橫向不平順

根據廣義橫向不平順的計算結果，可對鋼軌廓形變化造成的激擾進行定量分析。圖10 顯示在該廓形變化的作用下，12 m 波長下的廣義橫向不平順的幅值達到了10 mm 左右，遠大于圖4 中實測軌道幾何不平順的幅值（2 mm 左右）。因此可以發現由廓形引起的廣義橫向不平順在激擾中占主導成分。

3.2 對車輛晃動的原因解釋及整治方法指導

進一步分析，根據圖3 的結果，車輛晃動波長約為12 m，與圖10 中廣義不平順特征波長相吻合，可以判斷該線路晃車問題的原因在于鋼軌廓形變化引起廣義軌道不平順作用，進而導致車輛系統產生受迫振動，軌道幾何不平順的激擾成分相對較小。根據該線車輛的晃動原理，需要降低激擾源或者減小激擾源對車輛的作用程度。根據該目標方案制定鋼軌打磨方案，對車輛晃動區段進行打磨后車輛晃動問題得到明顯改善。打磨前后車輛橫向加速度對比如圖11 所示。