軌道交通動(dòng)態(tài)客流對輪軌力特征影響研究

劉 浪，王安斌，高曉剛，鞠龍華，李 煒

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海201620；2.上海工程技術(shù)大學(xué) 上海市軌道交通振動(dòng)與噪聲控制技術(shù)工程研究中心，上海201620)

輪軌力是列車及軌道動(dòng)力學(xué)重要評價(jià)參數(shù)，關(guān)系到列車運(yùn)行的安全性。目前國內(nèi)對輪軌力及列車運(yùn)行安全性進(jìn)行了大量分析研究工作，主要是通過現(xiàn)場測試和理論計(jì)算對輪軌作用力進(jìn)行分析研究[1]，常衛(wèi)華[2]對軌道橫向力進(jìn)行了研究，分析了橫向力大小對軌道各部件的受力變形規(guī)律的影響。張?jiān)骑w等[3]建立車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析研究山區(qū)工況下曲線半徑、欠超高、緩和曲線長度等幾何參數(shù)對列車通過性能的影響，解決山區(qū)小半徑曲線條件下列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性等問題。侯博文等[4]根據(jù)車輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)，研究了重載列車通過交叉渡線時(shí)的輪軌力特征及列車行車的安全性。龔凱等[5]對曲線超速導(dǎo)致的脫軌規(guī)律進(jìn)行了分析研究，分析外軌超高、不同曲線半徑工況下列車超速引起的脫軌規(guī)律。李谷等[6]采用測力輪對測量輪軌力的方法分析輪軌力動(dòng)態(tài)參數(shù)特征及與軌道病害的關(guān)系。任尊松等[7]對高速動(dòng)車組軌道系統(tǒng)輪軌力的載荷分布規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了列車通過直線和曲線區(qū)間的輪軌載荷統(tǒng)計(jì)特征。丁然等[8]對城際動(dòng)車組輪軌力載荷譜特征進(jìn)行了研究，分析了輪軌垂向力、橫向力分布特征及動(dòng)荷系數(shù)變化范圍等規(guī)律。

本文針對軌道交通動(dòng)態(tài)客流對輪軌力參數(shù)及行車安全性能參數(shù)的影響進(jìn)行了分析研究，采用現(xiàn)場線路試驗(yàn)的方法對在動(dòng)態(tài)客流情況下地鐵列車輪軌力幅值大小、脫軌系數(shù)及頻域特征參數(shù)進(jìn)行對比分析，揭示了一天時(shí)間段內(nèi)動(dòng)態(tài)客流對輪軌力參數(shù)特征的影響，比較了客流高峰期與客流非高峰期輪軌力特征參數(shù)的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)概況

根據(jù)測試原理輪軌力線路測試可以分為地面測試和車載測試兩類[1]，本試驗(yàn)采用在地面鋼軌上安裝應(yīng)變片的方式進(jìn)行輪軌垂向力和橫向力測試。選擇地鐵運(yùn)營線路曲線段的一個(gè)截面作為研究對象，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，分別在測試截面處鋼軌的軌腰中和軸上及軌底上表面粘貼應(yīng)變片并組成電橋[9]，測試列車正常運(yùn)行情況下每個(gè)車輪通過該截面時(shí)的垂向輪軌力和橫向輪軌力。測點(diǎn)位置及方向如表1所示。

表1 測點(diǎn)位置及方向

在鋼軌垂直方向和水平方向各布置4 個(gè)二軸90°應(yīng)變花，組成惠斯通電橋，輪軌力現(xiàn)場測試如圖1所示。

圖1 輪軌力現(xiàn)場測試

1.2 標(biāo)定

通過加載裝置分別對鋼軌施加垂向和橫向荷載，得到這兩個(gè)方向上荷載與應(yīng)變之間的比例系數(shù)，最終將試驗(yàn)中列車通過測點(diǎn)位置時(shí)的應(yīng)變信號換算為實(shí)際輪軌力值。

垂向力荷載由10 kN 一級逐級增加到100 kN，橫向力荷載由5 kN 一級逐級增加到50 kN，得到標(biāo)定結(jié)果如表2所示。

表2 垂向力和橫向力標(biāo)定結(jié)果

2 線路測試

在實(shí)際運(yùn)營地鐵線路上開展試驗(yàn)研究，列車采用6節(jié)編組，測試時(shí)間為24 h，包含列車一天運(yùn)營中的不同客流量工況。試驗(yàn)時(shí)采用多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣頻率設(shè)置為5 120 Hz，滿足頻率響應(yīng)要求。

在每輛列車通過測點(diǎn)位置時(shí)采集得到24 個(gè)輪軌垂向力峰值和24 個(gè)橫向力峰值。對測得的輪軌力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)一天時(shí)間內(nèi)所有列車經(jīng)過測試截面時(shí)的輪軌力值，如圖2 所示?？芍嗆壌瓜蛄χ翟谠绯可习嗫土鞲叻迤诩巴砩舷掳喔叻迤谳^大，在早晨剛運(yùn)營時(shí)間及晚上運(yùn)營結(jié)束前一段時(shí)間段內(nèi)客客流相對較小，輪軌垂向力值比較小。選擇輪軌垂向力值較大的下午下班高峰期時(shí)間段18：00到19：00與輪軌力值較小的晚上運(yùn)營結(jié)束前的時(shí)間段22：00 到23：00 試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，選擇每個(gè)時(shí)間段內(nèi)6 趟列車數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比較不同客流量工況下輪軌垂向力和橫向力的幅值大小、頻譜特征以及列車脫軌系數(shù)變化趨勢。

圖2 測試斷面全天輪軌垂向力值

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 輪軌垂向力分析

由表3 可知，客流高峰期輪軌垂向力平均值為63.7 kN，非高峰期平均值為56.4 kN；其中在客流高峰期曲線內(nèi)軌平均值為66.3 kN，曲線外軌平均值為61.0 kN；在非高峰期內(nèi)軌平均值為58.4 kN,外軌平均值為54.5 kN。

表3 輪軌垂向力值大小/kN

對客流高峰期和非高峰期的內(nèi)軌與外軌垂向力進(jìn)行比較可知，兩種客流狀態(tài)下內(nèi)軌垂向力值均要大于外軌，其變化趨勢如圖4、圖5所示，這是由于曲線段存在過超高，列車通過曲線段時(shí)內(nèi)軌的平均輪載較大，外軌的平均輪載較小導(dǎo)致的。

圖5 客流非高峰期輪軌垂向力圖

比較客流高峰期和非高峰期輪軌垂向力可知，客流高峰期輪軌垂向力比非高峰期要大，變化趨勢曲線如圖6、圖7 所示，隨著列車客流量增大內(nèi)軌垂向力平均值由58.4 kN 增大至66.3 kN，增大了11.9 %；外軌垂向力平均值由54.5 kN 增大為61.0 kN，增大了10.8%；整體輪軌垂向力增大11.3%?？土髁孔兓瘜嗆壌瓜蛄τ绊懕容^明顯。

圖6 內(nèi)軌輪軌垂向力圖

圖7 外軌輪軌垂向力圖

輪軌垂向力典型時(shí)間歷程如圖3 所示，可知輪軌垂向力小于100 kN。對每列車經(jīng)過測點(diǎn)位置的輪軌垂向力值取平均值，得到內(nèi)軌和外軌垂向力平均值如表3所示。

圖3 輪軌垂向力時(shí)間歷程

3.2 輪軌橫向力分析

輪軌橫向力時(shí)間歷程圖如圖8 所示，可知輪軌橫向力一般小于20 kN。

圖8 輪軌橫向力時(shí)間歷程

對每趟車經(jīng)過測點(diǎn)位置的輪軌橫向力取平均值，得到內(nèi)軌和外軌輪軌橫向力值如表4所示。

表4 輪軌橫向力值/kN

由表4 可知，客流高峰期輪軌橫向力平均值為8.6 kN，非高峰期平均值為8.0 kN；客流高峰期內(nèi)軌輪軌橫向力平均值為10.1 kN，外軌橫向力平均值為7.0 kN；非高峰期輪軌垂向力平均值為9.1 kN，外軌橫向力平均值6.8 kN。

對客流高峰期和非高峰期的內(nèi)、外軌橫向力進(jìn)行比較可知，高峰期輪軌橫向力要大于非高峰期橫向力值，同時(shí)內(nèi)軌輪軌橫向力平均值也大于外軌橫向力平均值，變化趨勢如圖9 至圖10 所示。客流高峰期與非高峰期比較，內(nèi)軌橫向力平均值增大10.1%；外軌橫向力平均值增大3.5%。

同時(shí)由于客流量對輪軌力的影響是隨機(jī)的，也會(huì)出現(xiàn)高峰期輪軌力值小于或接近非高峰期輪軌力值的情況，從圖2 及圖9、圖10 中均可以看出這種現(xiàn)象。

圖9 客流高峰期輪軌橫向力圖

圖10 客流非高峰期輪軌橫向力圖

3.3 脫軌系數(shù)

脫軌系數(shù)是用于評定車輛的車輪輪緣在橫向力作用下是否會(huì)爬軌的一項(xiàng)安全指標(biāo)參數(shù)[10]，參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[9]，曲線半徑為250 m～400 m 范圍時(shí)客車脫軌系數(shù)評定限值為：

式中：Q表示輪軌橫向力，P表示輪軌垂向力。根據(jù)測量得到的脫軌系數(shù)值如表5所示。

表5 脫軌系數(shù)

可知兩種客流狀態(tài)情況下脫軌系數(shù)相差不大，測試所得客流高峰期脫軌系數(shù)平均值為0.13，客流非高峰期脫軌系數(shù)為0.14，脫軌系數(shù)都符合安全行車要求且有足夠的安全余量[9]。

3.4 頻譜分析

圖11給出了輪軌垂向力頻譜曲線圖，可知輪軌垂向力頻率范圍在200 Hz以下，主要頻率分布在10 Hz～160 Hz 范圍內(nèi)，其中在80 Hz～120 Hz 范圍內(nèi)有明顯的共振峰值。

圖11 輪軌垂向力頻響特性曲線

圖12為輪軌橫向力功率譜密度曲線圖，兩種客流狀態(tài)下在90 Hz及120 Hz～200 Hz范圍內(nèi)有明顯共振峰值，且內(nèi)軌共振峰值比外軌要大。

圖12 輪軌橫向力頻響特性曲線

比較高峰期與非高峰期內(nèi)軌及外軌輪軌力頻譜曲線可知，輪軌垂向力在兩種客流情況下在頻域中分布趨勢比較一致，在80 Hz～120 Hz范圍出現(xiàn)共振峰值；輪軌橫向力在90 Hz附近出現(xiàn)明顯共振峰值，在120 Hz～200 Hz頻率范圍內(nèi)軌與外軌輪軌力頻譜分布趨勢一致，頻率值大小表現(xiàn)出差異，高峰期內(nèi)軌共振頻率為155 Hz，外軌共振頻率為190 Hz；非高峰期內(nèi)軌共振頻率為175 Hz，外軌共振頻率為190 Hz，高峰期內(nèi)軌共振頻率向低頻偏移。

4 結(jié)語

為研究動(dòng)態(tài)客流量對輪軌力的影響，本文通過現(xiàn)場實(shí)測的方法，分析了不同客流量對某地鐵實(shí)際線路曲線段輪軌垂向力和橫向力的影響，得出以下結(jié)論：

（1）客流量變化對輪軌垂向力和橫向力的影響較大。隨著列車客流增大，整體輪軌垂向力增大12.9%，輪軌橫向力增大7.5%。其中內(nèi)軌垂向力平均值由58.4 kN增大為63.7 kN，增大了11.9%；內(nèi)軌橫向力平均值由9.1 kN 增大為10.1 kN，增大了11.0 %。外軌垂向力平均值由54.5 kN 增大為61.0 kN，增大了10.9 %；外軌橫向力平均值由6.8 kN 增大為7.0 kN，增大了2.9%。客流量動(dòng)態(tài)變化對輪軌力的影響比較明顯。

（2）列車正常運(yùn)營狀態(tài)下動(dòng)態(tài)客流量對脫軌系數(shù)影響不大，脫軌系數(shù)在0.12～0.16范圍之間變化，符合安全行車要求且有足夠的安全余量。

（3）隨著客流量動(dòng)態(tài)變化，輪軌垂向力和橫向力頻譜特征曲線趨勢一致。輪軌垂向力在80 Hz～120 Hz范圍內(nèi)有明顯的共振峰值，輪軌橫向力在90 Hz及120 Hz～200 Hz范圍內(nèi)有明顯共振峰值，且內(nèi)軌共振峰值比外軌要大。隨著客流量增大，客流非高峰期內(nèi)軌共振頻率由175 Hz偏移到高峰期的155 Hz，內(nèi)軌橫向共振頻率出現(xiàn)偏移。