高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試車輛動力學(xué)響應(yīng)輪軌垂向力評判方法研究

祖宏林，李谷，張志超，牛留斌

（1.?中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司?機(jī)車車輛研究所，北京???100081；2.?中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司?基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京???100081）

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，車輛運(yùn)行速度不斷提高，車輛對軌道短波不平順越來越敏感，強(qiáng)烈的輪軌作用不但會影響車輛的運(yùn)行安全性和乘坐舒適性，還會引起車輛和軌道相關(guān)部件的疲勞傷損，降低使用壽命。輪軌作用力通常是通過安裝在車輛上的測力輪對進(jìn)行測量[1-3]，因其能夠直接反映車輛運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性，已成為我國高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試車輛動力學(xué)響應(yīng)的必測項(xiàng)目，在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中發(fā)揮著越來越重要的作用[4-7]。異常的輪軌垂向作用力會導(dǎo)致車輛和軌道相關(guān)部件的疲勞傷損，如不及時處置，任其發(fā)展會危及行車安全。因此，加強(qiáng)對車輛和軌道疲勞傷損方面的關(guān)注，并制定相關(guān)的評價方法和評判標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。通過對輪軌垂向作用力的頻譜和統(tǒng)計(jì)分析，提出一種高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試車輛動力學(xué)響應(yīng)輪軌垂向力評判方法。

1 高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試輪軌垂向力檢測典型案例分析

1.1 焊縫附近鋼軌凹陷引起局部幅值較大的輪軌垂 向力

在線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，多次檢測到距離焊縫約1?000?mm位置由于鋼軌凹陷而引起的幅值較大的輪軌垂向力。

實(shí)例1：高速綜合檢測列車在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，檢測發(fā)現(xiàn)幅值較大的輪軌垂向力實(shí)測波形見圖1，左輪輪軌垂向力峰值達(dá)到116.8?kN，右輪輪軌垂向力峰值達(dá)到197.7?kN，檢測速度為200?km/h，測力輪對平均靜輪重為60?kN，左輪輪軌垂向力動態(tài)變化峰值（以靜輪重為基準(zhǔn)動態(tài)變化量的峰值）達(dá)到56.8?kN，右輪輪軌垂向力動態(tài)變化峰值達(dá)到137.7?kN。工務(wù)部門現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)距離焊縫約1?100?mm的位置左側(cè)鋼軌存在0.7?mm凹陷，右側(cè)鋼軌存在2.0?mm凹陷，凹陷波長約0.3?m，均超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限度值。右側(cè)鋼軌現(xiàn)場照片見圖2，由于該位置鋼軌缺陷引起了幅值較大的輪軌垂向沖擊作用力，其中右側(cè)鋼軌凹陷程度太大，工務(wù)部門更換了該位置鋼軌，左側(cè)鋼軌凹陷程度較小，采取打磨措施進(jìn)行整治。

圖1 焊縫附近鋼軌凹陷導(dǎo)致幅值較大的輪軌垂向力實(shí)測波形（實(shí)例1）

圖2 焊縫附近鋼軌凹陷現(xiàn)場照片（實(shí)例1）

實(shí)例2：另一次高速綜合檢測列車聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，檢測發(fā)現(xiàn)幅值較大的輪軌垂向力實(shí)測波形見圖3，左輪輪軌垂向力峰值達(dá)到142.7?kN，檢測速度為110?km/h，測力輪對平均靜輪重為60?kN，左輪輪軌垂向力動態(tài)變化峰值達(dá)到82.7?kN。工務(wù)部門現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)距離焊縫約850?mm位置左側(cè)鋼軌存在1.5?mm凹陷，凹陷波長約0.5?m，超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限度值，現(xiàn)場檢測照片見圖4，由于該位置鋼軌缺陷引起了幅值較大的輪軌垂向沖擊作用力，且該鋼軌凹陷程度太大，工務(wù)部門更換了該位置的鋼軌。

圖3 焊縫附近鋼軌凹陷導(dǎo)致幅值較大的輪軌垂向力實(shí)測波形（實(shí)例2）

圖4 焊縫附近鋼軌凹陷現(xiàn)場照片（實(shí)例2）

幅值較大的輪軌垂向沖擊作用會對鋼軌扣件和墊片甚至軌道板造成傷損，在實(shí)例1中，工務(wù)部門現(xiàn)場檢查后反饋鋼軌下的墊片已經(jīng)破碎；同時幅值過大的輪軌垂向力也會對車輪踏面造成傷損，在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中曾檢測到輪軌垂向力幅值超過200?kN時導(dǎo)致車輪踏面硌傷（見圖5）。

1.2 鋼軌表面波浪形磨耗引起區(qū)段幅值較大的連續(xù) 高頻輪軌垂向力

實(shí)例3：高速綜合檢測列車檢測發(fā)現(xiàn)的區(qū)段幅值較大的連續(xù)高頻輪軌垂向力實(shí)測波形見圖6，左輪和右輪輪軌垂向力波動幅度超過±60?kN，主頻約為560?Hz，檢測速度為240?km/h，測力輪對平均靜輪重為70?kN。經(jīng)工務(wù)部門現(xiàn)場檢查確認(rèn)，該區(qū)段鋼軌表面的確存在較嚴(yán)重的持續(xù)短波長高低不平順（鋼軌波磨），現(xiàn)場照片見圖7。工務(wù)部門反饋該波磨區(qū)段經(jīng)常出現(xiàn)扣件斷裂或松脫現(xiàn)象，驗(yàn)證了高頻輪軌垂向力長期作用的確會造成軌道相關(guān)部件的疲勞傷損。

圖5 幅值過大的輪軌垂向力作用導(dǎo)致車輪踏面硌傷

圖6 鋼軌表面波浪形磨耗區(qū)段輪軌垂向力實(shí)測波形（實(shí)例3）

圖7 鋼軌表面波浪形磨耗區(qū)段現(xiàn)場照片（實(shí)例3）

2 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)輪軌垂向力的評判方法

高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試車輛動力學(xué)響應(yīng)測試主要依據(jù)TB?10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》4.2章節(jié)中相關(guān)規(guī)定[8]，但在該章節(jié)中并未對輪軌垂向力進(jìn)行規(guī)定。在《高速動車組整車試驗(yàn)規(guī)范》（鐵運(yùn)〔2008〕?28號）中對動車組輪軌垂向力進(jìn)行了明確規(guī)定，輪軌垂向力不得大于 170?kN。在 UIC?518—2009《鐵道車輛的動力學(xué)性能：安全性能：軌道疲勞：乘坐質(zhì)量試驗(yàn)和認(rèn)可方法》軌道疲勞章節(jié)10.1.2中對于輪軌垂向力的規(guī)定見表1[9]。

表1 UIC 518—2009輪軌垂向力評判標(biāo)準(zhǔn)

輪軌垂向力應(yīng)同時滿足表1和“輪軌垂向力≤90+靜輪重”的規(guī)定，輪軌垂向力采用截止頻率20??Hz低通濾波。

由于《高速動車組整車試驗(yàn)規(guī)范》（鐵運(yùn)〔2008〕28號）和UIC?518—2009都是針對機(jī)車車輛動力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)，由軌道短波不平順缺陷引起的高頻輪軌垂向力不適用于評價機(jī)車車輛的動力學(xué)性能，所以 UIC?518—2009 中規(guī)定輪軌垂向力采用 20?Hz低通濾波是科學(xué)的。而聯(lián)調(diào)聯(lián)試車輛動力學(xué)響應(yīng)檢測的主要目的是發(fā)現(xiàn)軌道存在的缺陷，目前引起幅值較大的輪軌垂向力作用的都是短波不平順，輪軌垂向力也都是高頻垂向力，不能照搬用于評價機(jī)車車輛動力學(xué)性能的評判標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)提高輪軌垂向力的分析頻率范圍。

在TB?10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能評判標(biāo)準(zhǔn)4.3.2條款中規(guī)定的輪軌垂向力相關(guān)要求見表2[8]。其中，輪軌垂向力檢測值通常應(yīng)小于基準(zhǔn)值，若檢測結(jié)果超過基準(zhǔn)值且具有一定重復(fù)性，則會影響軌道結(jié)構(gòu)部件的疲勞壽命；檢測結(jié)果不得大于最大允許值。

表2 TB 10761—2013輪軌垂向力評判標(biāo)準(zhǔn)

在TB?10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能評判標(biāo)準(zhǔn)4.3.2條款中對輪軌垂向力進(jìn)行了明確限定，但用于軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能評價的輪軌垂向力是在鋼軌上進(jìn)行測量，而且是對所有通過的車輪進(jìn)行測試，而車輛動力學(xué)響應(yīng)的輪軌垂向力通過測力輪對進(jìn)行測量，測量結(jié)果受測力輪對安裝位置的車輛靜輪重影響較大，由于測量方法不同，該評判標(biāo)準(zhǔn)不適用于基于測力輪對的輪軌垂向力檢測。

軌道設(shè)計(jì)參數(shù)決定了軌道所能承受的垂向作用力范圍，從軌道承受力這個角度，輪軌垂向力采用170?kN或UIC?518—2009中隨速度變化的絕對限度值是可行的。但軌道缺陷引起的垂向力作用也會對車輛相關(guān)部件產(chǎn)生疲勞傷損的影響，而車輛相關(guān)部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)一般都與靜輪重緊密相關(guān)，靜輪重越小，車輛相關(guān)部件的強(qiáng)度等級相對越小，因此采用絕對限度值不能適用于不同軸重的車輛。UIC?518—2009中采用絕對限度值和與靜輪重相關(guān)的限度值中較小的值作為評判限度值可以借鑒。

3 高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試輪軌垂向力統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)多年聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試數(shù)據(jù)和相關(guān)研究成果，鋼軌低塌和焊縫不平順等鋼軌短波不平順的波長主要分布在0.25～1.50?m，輪軌垂向力波動的頻率范圍主要分布在 400?Hz以下。

參考 UIC?518—2009 中速度＞ 300?km/h、輪軌垂向力≤160?kN的規(guī)定，但提高輪軌垂向力的分析頻率范圍，采用400?Hz低通濾波對輪軌垂向力進(jìn)行分析。

實(shí)例4：速度350?km/h下測得的輪軌垂向力峰值（400?Hz低通濾波）隨里程分布散點(diǎn)圖見圖8，測力輪對平均靜輪重為60?kN，輪軌垂向力峰值全部分布在100?kN以下，距離限度值160?kN仍有較大裕量。

參考UIC?518—2009中輪軌垂向力≤90+靜輪重的規(guī)定，但提高輪軌垂向力動態(tài)變化量的分析頻率范圍，采用0.5～400.0?Hz帶通濾波對輪軌垂向力動態(tài)變化量進(jìn)行分析。

圖8 輪軌垂向力峰值隨里程分布散點(diǎn)圖（實(shí)例4）

實(shí)例5：速度350?km/h下測得的輪軌垂向力動態(tài)變化峰值（0.5～400.0?Hz帶通濾波）隨里程分布散點(diǎn)圖見圖9，輪軌垂向力動態(tài)變化峰值基本分布在30?kN以下，僅有一處輪軌垂向力動態(tài)變化峰值超出了30?kN。輪軌垂向力動態(tài)變化峰值超出30?kN位置的實(shí)測波形見圖10，經(jīng)工務(wù)部門現(xiàn)場復(fù)核，該焊縫處短波不平順幅值超出了0.2?mm。

圖9 輪軌垂向力動態(tài)變化峰值隨里程分布散點(diǎn)圖（實(shí)例5）

圖10 輪軌垂向力動態(tài)變化峰值33.9 kN位置實(shí)測波形（實(shí)例5）

根據(jù)多年聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試數(shù)據(jù)和相關(guān)研究成果，輪軌垂向力動態(tài)變化峰值與軌道短波不平順的幅值有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系，軌道狀態(tài)較好情況下，輪軌垂向力動態(tài)變化峰值一般不會超出30?kN，當(dāng)輪軌垂向力動態(tài)變化峰值接近或超出90?kN時，鋼軌的不平順幅值通常都會超出1.0?mm，大大超出0.3?mm的限度值（如實(shí)例1和實(shí)例2）。輪軌間垂向動態(tài)作用力越大，對軌道疲勞傷損的影響越大。

與圖6中類似的區(qū)段連續(xù)高頻輪軌垂向力作用通常是由于車輪與鋼軌連續(xù)周期性短波不平順（鋼軌波磨）產(chǎn)生耦合共振所引起，區(qū)段連續(xù)高頻輪軌垂向力作用頻率主要分布在400～600?Hz和800～900?Hz這2個范圍內(nèi)，因此采用0.5～1?000.0?Hz帶通濾波對區(qū)段連續(xù)高頻輪軌垂向力進(jìn)行分析，并采用100?m窗滑動標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行幅值評價，輪軌垂向力滑動標(biāo)準(zhǔn)差實(shí)測波形見圖11。

圖11 輪軌垂向力滑動標(biāo)準(zhǔn)差實(shí)測波形

實(shí)例6：速度350?km/h下測得的輪軌垂向力100?m窗滑動標(biāo)準(zhǔn)差隨里程分布散點(diǎn)圖見圖12，可以看出，輪軌垂向力滑動標(biāo)準(zhǔn)差基本分布在10?kN以下，僅有若干離散大值點(diǎn)超出10?kN，全線軌道狀態(tài)較好。輪軌垂向力100?m窗滑動標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到12.7?kN位置（K151+300附近區(qū)段）實(shí)測波形見圖13，可以看出，在K151+300—K151+400區(qū)段內(nèi)高頻輪軌垂向力相對于其他區(qū)段幅值明顯較大。

實(shí)例7：速度300?km/h下測得的輪軌垂向力100?m窗滑動標(biāo)準(zhǔn)差隨里程分布散點(diǎn)圖見圖14，可以看出，輪軌垂向力滑動標(biāo)準(zhǔn)差主要分布在10?kN以下，有若干離散大值點(diǎn)超出15?kN，有1處處于20～25?kN，有2處超出25?kN，集中在K586附近區(qū)段。K586附近區(qū)段輪軌垂向力實(shí)測波形見圖15，工務(wù)部門現(xiàn)場復(fù)核K586附近區(qū)段確實(shí)存在較為嚴(yán)重的鋼軌波磨。

圖12 輪軌垂向力100 m窗滑動標(biāo)準(zhǔn)差 隨里程分布散點(diǎn)圖（實(shí)例 6）

圖13 輪軌垂向力100 m窗滑動標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到12.7 kN位置實(shí)測波形圖（實(shí)例 6）

圖14 輪軌垂向力 100 m 窗滑動標(biāo)準(zhǔn)差 隨里程分布散點(diǎn)圖（實(shí)例7）

根據(jù)多年聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試數(shù)據(jù)和相關(guān)研究成果，高頻輪軌垂向力幅值與鋼軌連續(xù)周期性短波不平順的幅值有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，軌道狀態(tài)較好的情況下輪軌垂向力100?m窗滑動標(biāo)準(zhǔn)差一般不會超出10?kN，當(dāng)輪軌垂向力100?m窗滑動標(biāo)準(zhǔn)差超出25?kN時，通常都會對應(yīng)較為嚴(yán)重的鋼軌波磨（如實(shí)例3和實(shí)例7）。高頻輪軌垂向力幅值越大，對軌道疲勞傷損的影響越大。

圖15 K586附近區(qū)段輪軌垂向力實(shí)測波形（實(shí)例7）

4 高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試輪軌垂向力評判方法研究及限度值建議

根據(jù)多年聯(lián)調(diào)聯(lián)試的測試數(shù)據(jù)和相關(guān)科研成果，鋼軌表面凹陷、低塌或凸起等引起的局部幅值較大的輪軌垂向力適合用峰值進(jìn)行評判，鋼軌表面波磨等引起的區(qū)段幅值較大的連續(xù)高頻輪軌垂向力適合用滑動標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行評判。同時將輪軌垂向力峰值的考核頻率上限提高到400.0?Hz，區(qū)段輪軌垂向力滑動標(biāo)準(zhǔn)差的考核頻率上限提高到 1?000.0?Hz。

對于軌道疲勞傷損的影響采用UIC?518—2009中輪軌垂向力隨速度變化的絕對限度值的相關(guān)規(guī)定，采用輪軌垂向力動態(tài)變化部分替代UIC?518—2009中關(guān)于輪軌垂向力≤90+靜輪重的規(guī)定，輪軌垂向力動態(tài)變化部分通過對輪軌垂向力進(jìn)行0.5～400.0?Hz帶通濾波計(jì)算得到。采用輪軌垂向力動態(tài)變化峰值對局部輪軌垂向力作用進(jìn)行考核，采用輪軌垂向力100?m窗滑動標(biāo)準(zhǔn)差對區(qū)段連續(xù)高頻輪軌垂向力作用進(jìn)行考核。

TB?10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能評判標(biāo)準(zhǔn)4.3.2條款對輪軌垂向力評價進(jìn)行了分級：基準(zhǔn)值和最大允許值兩級。根據(jù)多年聯(lián)調(diào)聯(lián)試大量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該兩級分級評價不夠精細(xì)，參考TB/T?3355—2014《軌道幾何狀態(tài)動態(tài)檢測及評定》引入4級分級用于評價對輪軌疲勞傷損影響的程度。

聯(lián)調(diào)聯(lián)試輪軌垂向力評判方法及評判限度值建議見表3、表4，其中Ⅰ級為經(jīng)常保養(yǎng)限度值、Ⅱ級為計(jì)劃維修限度值、Ⅲ級為臨時補(bǔ)修限度值、Ⅳ級為限速及臨時補(bǔ)修限度值[10]。

表3 聯(lián)調(diào)聯(lián)試輪軌垂向力評判方法及限度值建議

表4 聯(lián)調(diào)聯(lián)試輪軌垂向力動態(tài)變化量評判方法及限度值建議

5 結(jié)束語

隨著我國高速鐵路運(yùn)營里程的快速增長和運(yùn)營速度的提高，車輛和軌道相關(guān)部件疲勞壽命的問題日益凸顯，輪軌垂向力是國際上認(rèn)可的用于評價軌道疲勞傷損的指標(biāo)，通過輪軌垂向力指標(biāo)可以檢測到鋼軌低塌、焊縫不平順和鋼軌波磨等軌道短波不平順，指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)維修，延長車輛和軌道相關(guān)部件的服役壽命。基于多年高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試輪軌垂向力檢測數(shù)據(jù)的分析和相關(guān)科研成果的總結(jié)，并參考國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出一種高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試車輛動力學(xué)響應(yīng)輪軌垂向力評判方法，該評判方法在高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試車輛動力學(xué)響應(yīng)測試應(yīng)用中取得了較好的效果。鑒于車輛動力學(xué)響應(yīng)輪軌垂向力評判方法中首次引入4級分級評價，各級評判限度值的科學(xué)性還需進(jìn)一步深入研究確定。