铁路线路动车组动力学响应检测应用研究

杨荣峰,王林栋,章 亮

(1 南车集团公司 青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111;2 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081)

在铁路线路上的动态检测试验中,采用动车组进行动力学响应检测。该动车组装有测力轮对和加速度传感器,用于测试动车组在线路上的运行稳定性和运行平稳性[1],检测轨道线路存在的缺陷,并准确地给出缺陷所在的里程标和线况,为铁路维修、养护提供指导。因此,动车组动力学响应检测是新建线路联调联试的重要环节。

动力学响应检测中,动车组是试验设备的载体,是线路动态响应的直接作用对象。因此,动车组的技术状态直接决定了试验数据和线路评判结果的准确性,技术状态良好的动车组是动态试验的基本要求。在铁路线检测中,发现动车组部分车辆的自身状态逐渐恶化,导致振动加剧,部分测试结果偏离轨道的真实水平。所以,在线路检测试验中,如何科学准确地分析试验数据,合理公正地评价线路质量成为关键问题。

本文对动车组在铁路上的运行稳定性和运行平稳性进行了分析,阐述了轨道线路存在的缺陷及改进措施,为新修建铁路的整治、养护提供参考;本文还分析了试验过程中车辆的振动特性和变化趋势,提出判断车辆异常振动的方法,为检测车的应用和维修提供了基础数据。

1 测试指标及评判标准

动力学响应检测指标主要包括两方面:运行稳定性和运行平稳性。试验中各指标应符合《客运专线铁路工程竣工验收动态检测指导意见》的相关要求。

1.1 运行稳定性

(1)脱轨系数:Q/P≤0.8。

(3)轮轴横向力:H≤10+P0/3。

P0为静轴重。

(4)横向稳定性:当构架横向加速度峰值出现连续6次以上达到或超过极限值8～10 m/s2(与转向架构架设计相适应)时,判定转向架失稳,即停止提速。

1.2 运行平稳性

根据车体横向和垂向不同频段加速度加权结果,计算横向和垂向平稳性指标W。等级划分为:

W≤2.50为优,2.50＜W ≤2.75为良好,2.75＜W ≤3.00为合格。

2 试验结果及分析

2.1 运行稳定性

根据铁路动力学响应检测数据,脱轨系数、轮轴横向力均小于要求的限值;轮重减载率多次超过0.80,但是均为单峰减载值,未出现连续两个峰值减载超过0.80的情况;构架横向加速度也符合要求,转向架未出现横向失稳。因此试验过程中运行稳定性符合要求。

考虑到铁路长期运营后,轮重减载率单峰值超过0.80的点可能会出现恶化,是安全上的隐患,因此应予以检查消除。下面对线路轮重减载率大的特征点进行归纳、分析,便于更加清晰、正确地了解减载现象的原因和本质,提高线路检测水平,同时为线路维修提供参考。

图1为轮重减载率大的点随里程的分布图。根据试验数据总结轮重减载率有以下特点:

(1)轮重减载率未出现连续两个峰值减载大于0.80的情况。

(2)轮重减载率大于0.80的点较少,且最大值小于1.0。

(3)轮重减载率大于0.80的点集中在3个线路区段,对应里程分别为K 605、K 675、K 741附近。

(4)线路反复检测后发现,轮重减载率大的点发生位置具有重复性。

结果表明,运行稳定性试验能够有效地检测轨道线路缺陷,是评判轨道线路质量的有效方法。

图1 轮重减载率大的点随里程分布散点图

2.2 运行平稳性

图2为车体垂向平稳性大的点随里程的分布图。横向平稳性分布规律与垂向平稳性类似。根据试验数据总结平稳性有以下特点:

图2 垂向平稳性大的点随里程分布散点图

(1)平稳性多处超过2.50,个别点超过2.75,但均未超过3.0。

(2)平稳性大的点集中在线路上的个别区段。

(3)线路反复检测后发现,平稳性大的点发生位置具有重复性。

(4)平稳性值沿里程明显分为两段,以K 655为分界线。K 655左侧区域平稳性大的点明显多于右侧区域。

试验结果表明,该线路整体平稳性为优,但个别区段为良好或合格。运行平稳性试验对线路的整体平稳性和局部平稳性均能给出有效的评判。

3 线路缺陷分析

动力学试验结果中出现轮重减载率和平稳性大的点,说明部分线路区段存在较大缺陷。特别是轮重减载率大的点具有潜在的危险性,对应的线路缺陷必须予以消除[2]。因此如何查找、诊断减载率大的点对应的线路缺陷是解决问题的关键。

根据对线路缺陷多次检测和诊断的经验,发现有些线路缺陷明显、易查,有些缺陷隐蔽、难查。因此根据查找难度本文将产生轮重减载的线路缺陷分为两种:显性缺陷和隐性缺陷。

显性缺陷是指利用现有的常规检测方法能够方便、准确发现的线路缺陷,例如非常明显的高低不平顺、三角坑、焊缝打磨不平等。显性缺陷易出现在道岔、焊缝、过渡段、隧道等位置。

隐性缺陷是指常规检测方法难以发现,需要采用特殊手段才能发现的线路缺陷,例如扣件紧固力不足、垫板缺失等。隐性缺陷处轨道往往存在垂向刚度不一致,在线路检测中称为“空吊”。车轮经过隐性缺陷位置时,轮轨间垂向作用力随之出现突变,如果压力减小则表现为轮重减载。

在检查引起轮重减载的原因时,首先可利用常规手段查找显性缺陷,在排除显性缺陷后再仔细、认真查找隐性缺陷。轮重减载率大的点有时是由多种线路缺陷引起的,应综合排查。

线路测试结果中,轮重减载率大的点多出现在隧道内(无砟轨道)。维修人员现场检查发现,隧道内的线路缺陷主要是高低不平顺、三角坑和少量的垫板缺失。通过调整垫板厚度,线路打磨等措施整治后,该区段轮重减载率明显减小。

4 车辆异常振动分析

与试验初期相比,试验后期(运行约1万km后)动车组部分车辆振动明显增大,运行平稳性指标超过2.50,车辆状态恶化。

图3是试验前期与试验后期在同一段线路、同样速度级下的车体垂向加速度波形。可以看出,试验后期振动加速度幅值明显增加,且具有周期性。图4是试验后期车体垂向振动加速度的频谱图。振动主频为26.1 Hz,对应运行速度为250 km/h。计算得到振动波长为2.66 m。此波长与车轮踏面周长基本一致。

图3 在同一段线路、同样速度级下,试验前期与试验后期车体垂向振动加速度波形对比

图4 试验后期,车体垂向振动加速度频谱图

在线路状态变化可以忽略的情况下,动车组的多辆车在多数线路区段中的测试结果有类似现象,且周期振动的波长与运行速度无关。因此判断是车辆自身状态逐渐恶化引起的异常振动。

5 对异常振动的处理方法和建议

车辆出现异常振动后,会影响试验精度,并进一步引起对线路的评判误差。所以在线路检测试验中应排除车辆异常振动因素,减小误差。试验中可以从以下方面分析是否存在异常振动:

(1)在试验前后,观察、测量车轮外形是否正常。(2)在试验前后,检查减振器、空气弹簧等悬挂装置是否正常。

(3)在同样试验工况下,分析动力学性能测量结果是否基本一致。

如果存在异常振动,应通过对车辆进行检查、维修等措施予以消除,以保证试验结果的准确性。

6 结束语

动力学响应检测是检测线路缺陷的有效手段,能有效地评判车辆在线路上的运行安全性和运行平稳性,为线路维修和整改提供科学依据。

车辆异常振动是线路检测中的有害因素,会影响检测结果,应通过测量、分析和维修等方法予以消除。

[1]倪纯双,黄 强,王悦明,等.机车车辆动力学试验数据分析处理软件DASO[J].中国铁道科学,2004,(1):28-33.

[2]手冢和彦.脱轨与运行安全性[C].国外高速列车译文集(5),1997:424-430.2 Locomotive&Car Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)