轨道结构病害对车辆轨道耦合动力学的影响

张志军 中交铁道设计研究总院有限公司

开通高速铁路能够促进相对应区位发生相应变革，也在一定程度上影响了区域的产业结构、产业聚集，对相关区域的布局、空间发展都产生了重要影响。相比于其他交通运输方式，高速铁路有较高的时效性，且受天气因素影响较小。但另一方面，高速列车与轨道系统之间的问题更加复杂、突出。

一、车辆轨道耦合模型

通常情况下，在对车辆轨道缺陷下动力学进行研究的基础上，需要促进轨道和车辆基础动力学模型构建。大量研究人员分析了车辆与轨道之间的相互作用，最具广泛力的为车辆轨道耦合动力，该理论体系能够实现对轨道车辆独立系统的有效衔接，并基于复杂轨下结构进行相应简化，从而保证理论能够应用于不同研究之中。在铁路系统动力学分析的不同方面，车辆-轨道耦合动力学理论有着十分广泛的应用。为了有效降低轨道局部伤损情况，需要构建合理的动力学分析模型。实际上，传统车辆动力学理论比较成熟，借助不同商用软件能够构建不同车辆模型，且并不断细化和完善分析、后期处理工作。但另一方面，上述模型未对参振机制充分考虑，且对轨道局部伤损未给予综合考虑。

车体、轮对以及构架是高速动车组车辆体系中比较重要的组成部分。其中，借助轴箱子系统以及钢弹簧能够连接轮对和构架，且钢弹簧与轴向定位节点能够提供轮对纵向、横向以及垂向刚度，同时结合构架结构不同，垂向减震器安装也有所不同，一般都安装早轴箱尾端以及构架端部。空气弹簧能够实现构架与车体的垂向、纵向和横向刚度，在此基础上空气弹簧也能够看作二系减震设备，为车体提供横向、垂向阻尼，附加的横向阻尼一般是由本车体、横向减震器以及与构架提供，而且所采用的抗蛇形减震器能够为其提供纵向阻尼。横向止档、抗侧滚扭杆的扭转、止档刚度也能够被车体以及转向架提供。

二、轨道结构病害

从宏观几何角度进行分析发现，轨道结构状态反映形式之一即是轨道不平顺，也能够体现轨道结构综合性能。同时轨道交通系统中，由于各方面因素的影响，不可避免的会出现轨道不平顺的现象，其主要是由于轨道结构、机车车辆出现疲劳破坏、振动以及稳定性降低的主要因素。在高速情况下，上述问题反应更加明显。确定性不平顺以及随机不平顺是轨道不平顺的主要分类，其中随机不平顺一般是指轨道生产、安装、运输以及施工等因素导致轨道最初阶段出现几何不平顺的情况。确定性不平顺也是随机出现，但波形很容易对车辆产生激励，能够借助数学表达式描述。不同于随机不平顺，确定性不平顺只针对特定位置。在轨道与车辆研究过程中，要重点评估整体轨道的优劣，其能够基于线路随机不平顺，且会对车辆运行的稳定性以及舒适性造成影响。线路局部位置常见的异常是轨道病害，虽然有较小的范围，但车辆通过会对车辆安全性、平稳性造成影响，基于病害波长不同，能够将轨道病害分为短波、中波以及长波轨道病害。对高速铁路无砟轨道而言，短波轨道病害具体包括剥离、焊缝凹凸不平顺、擦伤、波浪形磨耗等情况，上述病害会将附加冲击作用力应用到车辆轮中。在反复冲击后，导致钢轨损坏、破坏的情况，针对错误的情况，相关工作人员需要尽早处理。轨道板离缝、扣件失效等情况导致线路三角坑。在长波轨道中，轨道不均匀沉降、路桥过渡段刚度不平顺等是比较常见的病害类型。使得路基非均匀沉降的匀速相对较多，且比较复杂，比较常见因素与路段地基土质之间有十分密切的关系。路基非均匀沉降将会有可能导致线路出现几何变形情况，甚至会导致线路不能对同行条件满足，使得线路的经济效益、运能欠缺。

线路上常见的一个问题即是轨道随机不平顺，沿线路方向变化规则不固定，波形变化情况也相对复杂，波长、幅值以及相位简谐波叠加形成波形，在线路运行时间发生改变，因此其本质上属于一种随机过程，不能用数学表达式给予准确表达。在描述轨道随机不平顺时，一般应用随机过程相关理论，如概率密度函数、功率谱密度等，综合描述幅值、空间波长域等，来构架轨道不平顺功率谱密度函数。基于对轨道随机不平顺数据进行分析发现，轨道不平顺功率谱密度函数因此形成，借助谱估计方法以及曲线拟合方法可以了解和掌握频率功率谱密度的关系，能够对线路宏观几何状态表征，指导轨道养护维修工作。

三、车辆相应与轨道缺陷之间的关系

借助耦合理论对车辆模型、轨道缺陷模型和轨道模型构建，能够对任何时段对任意车辆轨道相应情况模拟，有效拓展耦合理论应用空间。在实际应用过程中，车辆响应数据能够作为位置或时间为自变量，其性质为非周期一维信号。就信号层面看，一个信号能够将一定信息包含其中，但上述信息会有不同干扰，因此借助相关方法能够明确干扰信号中的需求信息。短波、中波以及长波轨道病害是轨道病害的主要类型，二系、一系悬挂存在车体、构架以及轮对，借助简单分析，能够明确轨道病害出现激扰会由于减震过滤效果，导致车辆不同部分出现差异。借助对比分析，可以明确波长轨道病害导致的车辆相应主体也存在差异。中波轨道的病害则处于上述两种中间，主要是对构架加速度响应造成影响。导致上述差异主要因素包括：其一，是不同波长轨道病害导致车辆频率成本增加，与相应波长特征相符合。其二，一系、二系悬挂的阻尼特征会对大部分中高频、高频成分相应能量耗散，从而使得病害影响增大，影响列车的正常运行。

四、总结

综上所述，轨道结构病害对车辆轨道耦合动力学有着十分突出的影响。就实际情况看，相关工作人员需要加强相应研究，促进理论在实践中的具体应用。针对分析、应用过程中存在的不足，相关工作人员还需要加强相应的研究，以期促进轨道列车正常运行。