普速铁路轨道三角坑管理标准探讨

杨 飞，陈东生，李国龙，赵文博

(中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081)

三角坑会引起车辆侧滚和横摆，从而引起轮载变动，严重的三角坑甚至会导致车辆转向架呈三轮支撑、一轮悬浮的恶劣状态，引起车辆倾覆脱轨，严重危及行车安全，因此，必须将轨道三角坑限定在一定程度之内[1-2]。世界各国都对三角坑的管理较其他不平顺(除小轨距)更为严格。从文献[3]可知，瑞典铁路维护部门认为三角坑病害引起脱轨的风险很高，规定了3，6 m的三角坑变化率限值分别为15，25 mm，超过后应立即对其进行维修。从相关的欧州标准中[4]也可以看出，三角坑的管理标准值较高低、轨向、水平等项目更加严格。

三角坑有基长和幅值2个特征参数。三角坑检测时，日本采用2.5 m基长，欧盟采用3 m基长，美国采用9.4，18.9 m基长，我国采用2.4，3.0，6.25 m基长。各个国家对基长的选择并不一致，而且在我国，相同速度条件下，不同基长的三角坑控制限值都一样，给现场的养护维修造成了困扰。

目前对三角坑的研究主要集中在三角坑幅值大小对车辆动力响应的影响方面。文献[5]分析了高速列车通过存在轨道缺陷的S形曲线时的安全性。文献[6]应用列车-轨道空间耦合时变系统振动分析理论，分析了轨道三角坑对列车脱轨安全性的影响，并就现行铁路线路维修规则中对轨道三角坑的限值进行了评估。文献[7]从车辆-轨道系统耦合动力学方面分析了轨道几何不平顺的安全限值。文献[8]采用计算机仿真并结合国内外有关试验数据、标准，提出秦沈客运专线综合试验段轨道不平顺管理标准建议值。但系统分析普速线路不同三角坑基长、幅值与车辆的安全性和舒适性关系的研究较少。

本文基于我国常用的25K型普速客车，运用多体动力学软件建立车辆-轨道耦合动力学模型，根据既定的车辆动力响应评价标准，分析直线段、缓和曲线段存在不同基长和幅值的三角坑时，不同速度下列车运行的安全性和舒适性，从而对三角坑管理标准的制定提供理论依据。

1 仿真模型及评价标准

1.1 车辆-轨道耦合动力学模型

基于我国常用的25K型普速客车参数，运用多体动力学软件SIMPACK建立单节拖车动力学模型。模型由车体、转向架、轮对等多个刚体组成，通过一、二系悬挂连接。转向架主要由构架、轮对轴箱装置、中央悬挂装置、基础制动装置、轴温报警装置5部分组成。模型所采用的自由度类型见表1。

表1 25K型普速列车自由度

注：带*的为非独立自由度。

车轮采用LMA踏面，钢轨采用CHN60廓形。轮轨接触力采用FASTSIM算法进行计算。

为了验证模型的准确性，计算了模型以速度76 km/h 运行时，在一线路区段实测不平顺(高低和轨向)激扰下车体横向、垂向振动加速度响应情况。将仿真结果同实测数据进行对比，对比结果见图1、图 2。可以看出二者相关性良好，验证了模型的准确性。因此，可以用该仿真模型开展后续仿真计算。

图1 车体横向振动加速度对比

图2 车体垂向振动加速度对比

1.2 三角坑设置条件

三角坑即左右两轨顶面相对于轨道平面的扭曲，用相隔一定距离的2个横截面水平幅值的代数差进行度量[1]。在计算时，分别对左右两股钢轨设置波长为L、波幅为A的垂向单波余弦不平顺，相位差为1/2个周期，从而人为地形成量测基长为L/2、最大幅值为2A的扭曲不平顺状态，如图3所示。

图3 三角坑示意

1.3 车辆动力响应评价标准

为了满足舒适性要求并保障行车安全，本文采用车体垂向振动加速度、车体横向振动加速度、脱轨系数和轮重减载率作为轨道动态质量评价的依据，具体评价标准见表2。

表2 轨道动态质量评价标准

注：车体横向、垂向振动加速度标准取自铁运[2006]146号《铁路线路修理规则》[9]。

2 普速铁路正线三角坑管理标准分析

2.1 计算工况

分别计算车辆以速度160，120，80 km/h通过含有三角坑的直线区段、缓和曲线区段时的车辆动力响应，其中缓和曲线区段的线型参数及对应的车速按照表3进行设置。曲线半径依据TB 10098—2017《铁路线路设计规范》[10]中规定的困难地段最小曲线半径选取，超高按一般路段最大超高150 mm选取，不同车速对应的欠超高分别为39，62，1 mm。其中车辆以速度120 km/h 通过曲线区段时的欠超高值达到62 mm，接近旅客所能承受的欠超高一般容许值70 mm，行车条件较差。

表3 普速客车通过缓和曲线区段线型参数

三角坑基长分别设置为L/2=2.4，3，5，6.25，8，10，12，14，16，18，20 m；三角坑幅值以2A=2，4，6，8，10，12，14，16，18，20 mm依次递增。曲线段三角坑布置方式如图4所示，将三角坑全部布置在缓和曲线上，右轨不平顺终点位于缓圆点处。

图4 曲线段三角坑布置方式

图5 速度160 km/h时三角坑幅值和基长与车辆响应的关系(直线段)

2.2 基长和幅值与车辆动力响应的关系

图5表示普速客车以速度160 km/h通过直线段时，仿真计算得到的三角坑幅值和基长与车辆动力响应的关系。相同基长条件下，4项动力学指标均随三角坑幅值的增大而增大。相同三角坑幅值条件下，三角坑基长对车体横向振动加速度的影响要大于对车体垂向振动加速度的影响。一般情况下，在相同三角坑幅值条件下，三角坑基长越长，车辆的动力响应越小。

根据表2给出的轨道动态质量评价标准中的Ⅲ级、Ⅳ级限值标准，对直线段车辆动力响应进行评价，得到4项车辆动力学指标在不同三角坑幅值下，容许的最大三角坑幅值与三角坑基长之比(即三角坑变化率限值)与三角坑基长之间的关系，并绘制成速度160 km/h 下各项指标的三角坑变化率限值曲线，见图6。可以看出，当速度为160 km/h时，基长较短时三角坑变化率限值由轮重减载率控制，基长较长时三角坑变化率限值由脱轨系数控制。取4项动力学指标对应的最严格的三角坑变化率限值作为控制标准，得到速度160 km/h下综合指标的三角坑变化率限值曲线，见图7。

图6 速度160 km/h下各项指标的三角坑变化率限值曲线(直线段)

图7 速度160 km/h下综合指标的三角坑变化率限值曲线(直线段)

运用同样的方法分析得到不同车速条件下，三角坑分别位于直线段和缓和曲线段，通过Ⅲ级、Ⅳ级评价标准得到三角坑变化率限值与三角坑基长之间的关系。不同速度下，三角坑基长较短时，三角坑变化率限值均由轮重减载率控制，但基长较长时，三角坑变化率限值则由脱轨系数或轮重减载率进行控制。绘制成不同速度下直线段和缓和曲线段综合指标的三角坑变化率限值曲线，见图8和图9。

图8 不同速度下综合指标的三角坑变化率限值曲线(直线段)

图9 不同速度下综合指标的三角坑变化率限值曲线(缓和曲线段)

2.3 管理标准建议

根据调研得到我国普速铁路行驶列车转向架轴距为2.4～2.7 m。考虑到不同车型轴距有所不同，2～3 m 基长三角坑幅值按照2～3 m中最严的三角坑变化率限值进行控制。考虑到现场人工检查时仍会采用轨距尺，当轨距尺检查时三角坑普遍采用6.25 m 基长，基长与轨检车并不一致，控制值也应有所区别。因此，普速铁路不同速度下三角坑的管理标准建议值见表4。

表4 普速铁路不同速度下三角坑管理标准建议值

3 结论

本文以我国常用25K型普速客车为例，根据既定的车辆动力响应评价标准，研究其通过位于直线段和缓和曲线段的三角坑时列车的安全性和舒适性。主要研究结论如下：

1)建立了我国常用25K型普速客车精细化模型，通过将仿真结果同实测数据进行对比，可以得出二者相关性良好，验证了模型的准确性。

2)通过仿真模型分析了不同速度下直线段和缓和曲线段上不同三角坑基长和幅值与车辆动力响应的关系，可以得到相同基长下，幅值越大车辆动力响应越大；但相同幅值下，不同基长的三角坑对车辆动力响应的影响并不一致，基长较短时三角坑变化率限值均由轮重减载率控制，基长较长时三角坑变化率限值则由脱轨系数或轮重减载率控制。

3)借助既有的动力学评价标准对仿真结果进行评定，按照动力学指标中最严格的三角坑变化率限值作为控制标准，得到普速铁路不同速度等级下三角坑的管理标准建议值。