大风环境下P62K型空棚车横向振动偏移量试验研究＊

李红艳，陈治亚，赵 钢，鲁寨军

(1.中国铁道科学研究院基础设施检测中心，北京 100081;2.中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075)

为确保行车安全，铁路机车车辆限界与建筑限界之间预留了较大的空间。当建筑限界确定后，该预留空间的大小决定了机车车辆的最大外廓尺寸。我国铁路机车车辆限界在横向基本属于无偏移限界［1］，只是在设计尺寸基础上考虑了车辆制造公差引起的偏移或倾斜，并未包括运行过程中随机振动引起的偏移量。因此，在确定机车车辆限界时不得不为动态偏移量预留较大的空间以确保运输安全。同时，超限车与邻线列车交会时的运行条件［2］也与车辆在运行过程中的横向偏移量密切相关。如果经过分析和研究，确认车辆的最大动态偏移量远小于预留的空间，则在建筑限界条件不变的情况下，可以将车辆限界放宽，使车辆有更大的容积运输货物或旅客，或可放宽超限货物安全运输技术条件，从而大大提高运输效率。大风环境下，车辆承受的气动力大大增加［3－4］，可使车辆的振动偏移量增大，因此研究大风环境下的车辆横向振动偏移量具有重要的意义。

本文采用实车试验方法，研究了P62k型空棚车在兰新线上运行时的横向振动偏移量，分别得到了该棚车在风区和非风区运行及在不同挡风墙后停留时的最大横向振动偏移量;采用环境风作用下振动偏移量系数分析大风对横向偏移量的影响，比较了不同挡风墙的防风效果。

1 车辆振动偏移量检测方法

建立图1所示的 OwXwYwZw坐标系。图中OwXw和OwYw轴均位于轨面上，OwXw与轨道中心线重合或相切，OwYw垂直于OwXw，OwZw轴垂直于轨面，指向轨面下方。该坐标系原点Ow始终跟随车辆以线路中心线为轨迹向前移动，并且在移动过程中Xw轴始终与线路中心线重合(直线上)或相切(曲线上)，称之为轨面随行坐标系。当纵横对称的车体连同转向架平放在平直线上时，若其纵向对称面ABCD与OwXwZw平面重合，横向对称面EFGH与OwYwZw平面重合，则称该位置为正位置。车辆运行时，相对该正位置的偏移量，即为振动偏移量。将轨面随行坐标系平移至处于正位置时的测点1形成车体随行坐标系ObXbYbZb，该坐标系随测点1相对OwXwYwZw平移或绕自身轴旋转。

图1 坐标系定义Fig.1 Coordinate system definition

本文以轨道中心线和轨面作为检测基准，采用基于机器视觉的非接触式检测方法［5］。在被测车体非共线的4个点上分别安装高速CCD，随着车辆的运动，各CCD分别记录钢轨相对该测点的运动图像序列，运用图像处理技术，得到各测点相对轨面的偏移量zci，yci［6］(i=1，2，3，4)。4 个测点的高速CCD受时间同步装置控制，同步采集数据，计算机对测得的数据进行整理、显示、存储和对外实时通信。综合测点1、测点2和测点3的横向坐标 yci(i=1，2，3)和垂向坐标 zci(i=1，2，3)，由式(1)～式(3)可以确定车体相对于2条钢轨的测滚角α、点头角β和摇头角γ，通过式(4)和式(5)可分别得到测点1以轨面随行坐标系表示的横向偏移量Δywc1和垂向偏移量Δzwc1，进而通过刚体运动学相关公式得到车体上任意点(或固连于车体上的货物)的动态偏移量［7］。第4个测点所测得的偏移量用于对结果进行验证。

式中，zci和yci分别为i测点相对轨道的垂向和横向坐标(以i测点的摄像机坐标系表示);xbi和ybi分别为i测点在坐标系ObXbYbZb中的坐标。

2 测点和监控点布置

P62K型棚车车体主要外廓尺寸:除手制动外，最高点为纵中心线上，距轨面高度4103 mm;车体长15500 mm;车体最大宽度3312 mm;下侧梁下表面距轨面高度995 mm;车顶弯梁与上侧梁连接处距轨面高3902 mm。据此，选择车体一二位端纵中心线上的最高点和二位侧的最高、最低点共6个监控点对P62k型棚车的横向振动偏移量进行研究。测点和监控点布置如图2所示，监控点坐标如表1所示，坐标值的基准坐标系为OwXwYwZw。

图2 测点和监控点布置Fig.2 Distribution of measuring and monitoring points

表1 监控点坐标Table 1 Coordinates of monitoring points

3 在风区停留时测试结果分析

列车在二线停留时，P62K型空棚车的横向振动偏移量见表2所示。由于挡风墙位于Y轴负方向侧，因此表中数值为正时，表示该监控点向远离挡风墙侧偏移;数值为负时，表示该监控点向挡风墙靠近。

由表中数据可见，在无挡风墙和各种挡风墙后，均是与轨面距离最高的监控点的横向振动偏移量绝对值最大，这是车体绕下心滚摆的结果。在砼板式挡风墙、加筋对拉式(加高)挡风墙和加筋对拉式挡风墙后的横向振动偏移量主要为负值，即车体向挡风墙侧偏移和侧滚;停留于无挡风墙区段或在土堤式、桥式、砼板直插式挡风墙后停留时，所有监控点横向振动偏移量均为正，即车体整体向远离挡风墙侧偏移和侧滚。这些规律均与气动力测试得到的气动力倾覆系数的规律相同［8］。P62K型空棚车在风区停留试验中，最大瞬时风速为24.8 m/s，出现在砼枕直插式挡风墙后停留时，对应的最大横向振动偏移量为36 mm;在桥式挡风墙后停留时，最大瞬时风速为22.9 m/s，对应的最大横向振动偏移量为37 mm，这也是各次停留试验中的最大值，考虑车体计算宽度后，未超出建筑限界。

表2 P62K型空棚车停留试验振动偏移量测试结果Table 2 Test results of lateral vibration offsets when the empty box－car staying in the wind zone

列车在停留试验过程中的振动偏移量主要由环境风引起的气动力导致，因此在不同挡风墙后停留时的振动偏移量大小与所受到的环境风气动力密切相关。由于在不同挡风墙后停留时，大风风速差别较大，因此不能直接通过比较振动偏移量的统计值来判断挡风墙挡风效果的优劣。仿照文献［9］所述气动力系数建立环境风作用下横向振动偏移量系数计算式如式(6)和式(7)所示。

式中，Vwmax和Vwavg分别为停留试验过程中环境风最大瞬时风速和平均风速，取铁路沿线测风站所测的风速，m/s;Dmax和Dmin分别为所有监控点中振动偏移量的最大值和最小值，mm;Damax和Damin分别为所有监控点中横向振动偏移量均值的最大值和最小值，mm;ρ为来流密度，kg/m3;兰新铁路百里风区海拔在500～700 m之间，取海拔高度600 m。按建筑结构荷载规范［10］近似计算，得到来流密度为 1.177 kg/m3。

计算得到P62K型空棚车在风区停留试验时的横向振动偏移量系数如表3所示。

表3 P62K型空棚车停留试验时，环境风作用下的横向振动偏移量系数Table 3 The coefficients of lateral vibration offset under wind environment when the P62Kbox－car staying in the wind zone

从表3可知，就横向振动偏移量的最大(最小)值来说，无挡风墙时的横向振动偏移量系数最大，砼枕直插式挡风墙和加筋对拉式挡风墙效果最好;加筋对拉式(加高)和砼板式效果接近;各种挡风墙中，土堤式挡风墙效果最差。

从横向振动偏移量的最大(最小)平均值来说，也是无挡风墙时的系数最大;各挡风墙中，在土堤式挡风墙后的系数最大、挡风效果最差，加筋对拉式挡风墙和砼枕直插式挡风墙的挡风效果最好。

4 运行试验测试结果

P62K型空棚车分别在一线和二线的风区和非风区运行时的最大横向振动偏移量测试结果见表4所示。期间最大瞬时风速达33.5 m/s(12级)、平均风速达26.1 m/s(10级)，试验车最高运行速度为80 km/h。

在风区一线运行时的最大横向振动偏移量为137 mm，出现在运行速度为60 km/h时;在风区二线运行时的最大横向振动偏移量为126 mm，出现在运行速度为80 km/h时;在非风区一线运行时的最大横向振动偏移量为83 mm，出现在运行速度为70 km/h时;在非风区二线运行时的最大横向振动偏移量为76 mm，运行速度为70 km/h。在风区运行时的最大横向振动偏移量比在非风区运行时的最大横向振动偏移量大54 mm，说明环境风对P62K型空棚车的横向振动偏移量的影响比较大。

表4 P62K型空棚车运行试验振动偏移量测试结果统计值Table 4 Lateral vibration offsets of the P62Kempty box－car in running test

棚车运行试验中，最大横向振动偏移量为137 mm，考虑车体计算宽度后，未超出建筑限界。

5 结论

(1)介绍了基于机器视觉的车辆横向振动偏移量在线实车测试方法，建立了车体相对轨道和轨面中心线的姿态角和偏移量的计算式;

(2)对P62k型空棚车进行了横向振动偏移量试验，得到了该棚车在非风区和风区运行时的最大横向振动偏移量分别为83 mm和137 mm，考虑车体计算宽度后，未超出建筑限界;

(3)分析了P62k型空棚车在无挡风墙区段和不同挡风墙后停留试验时各监控点横向振动偏移量的统计值，提出了环境风作用下振动偏移量系数的概念，并分析得到该棚车在无挡风墙时的环境风作用下横向振动偏移量系数最大，在砼枕直插式挡风墙和加筋对拉式挡风墙后停留时的横向振动偏移量系数最小，加筋对拉式(加高)和砼板式挡风效果接近，土堤式挡风墙效果最差。该结论与气动力测试得到的倾覆系数和横向气动力的规律相吻合。

［1］严隽耄.车辆工程［M］.2版.北京:中国铁道出版社，1999.YAN Juan-mao.Vehicle engineering［M］.Second edition.Beijing:China Railway Publishing House，1999.

［2］中华人民共和国铁道部.铁路超限超重货物运输规则［S］.北京:中国铁道出版社，2007.Ministry of Railways of P.R.C.Regulations on transport of railway out－of－gauge goods and over－load goods［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2007.

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