高速铁路典型轨道病害下轮轨力响应特性试验研究

2019-12-05张志超祖宏林牛留斌储高峰

中国铁道科学 2019年6期

李谷，张志超，祖宏林，牛留斌，储高峰

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081；2.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)

随着高速列车的大量开行和运营线路的长期服役，轨道线路状态对列车运行安全性和平稳性的影响逐渐显现，轮轨间相互作用一旦恶化，将会引起轨道病害的滋生和迅速发展，使得列车部件和轨道结构在大幅值高频循环载荷环境下极易产生材料失效、疲劳伤损甚至结构破坏等突发问题，危及行车安全[1]。高速铁路轨道线路状态对运输安全性和可靠性具有关键影响作用，因此亟需发展高效、准确、全面的高速铁路轨道状态检测技术。

目前，我国的高速铁路轨道状态检测技术正在从单一的轨道几何状态检测向包括轨道几何状态检测、轮轨动力学检测在内的综合检测技术的方向发展，其中基于轮轨力连续测量的轨道状态检测技术[2-3]作为轨道质量综合检测的重要组成部分发挥着越来越重要的作用。目前，我国已有多列高速综合检测列车装备了轮轨力检测系统，该系统除了能够检查各项运行安全性和平稳性考核参数以外，还能够通过对轮轨力响应特征的捕捉，结合对轴箱、构架和车体振动响应的综合分析，准确高效地发现轨道线路上引起轮轨力异常和运行平稳性降低的各类缺陷，特别是可以有效识别轨道短波不平顺，弥补传统轨道几何状态检测方式的不足。作为一种全新的轨道状态检测技术，该系统已经在多条新建高速铁路联调联试及运营高速铁路客专线路的日常巡检中发挥了重要作用[4-6]，并积累了大量的轮轨力响应试验数据和检测实例。现阶段应加强对这些试验数据的系统梳理和综合分析，从而研究掌握轮轨力异常响应与轨道短波不平顺病害的相互关联性，提高高速铁路轨道病害识别的精确度和效率。

本文通过对试验数据的深入分析，系统研究高速列车轮轨力异常响应特征与轨道病害的关联关系，讨论发生这些常见轨道病害时轮轨力的动态特征变化规律。

1 基于连续测量测力轮对技术的轮轨力检测系统

随着轮轨力连续测量技术的提升和高速综合检测列车的研发，基于连续测量测力轮对技术的轮轨力检测系统开始装备于轨道检查车和多列高速综合检测列车，逐渐应用于普速铁路和高速铁路的轨道状态检测中。到目前为止，基于轮轨力连续测量的轨道状态检测方法已经形成了一整套完备的具有完全自主知识产权的技术体系，完成了多条高速铁路联调联试和日常巡检任务。轮轨力连续测量检测系统由高精度连续测量测力轮对、振动加速度传感器、轮轨力数据传输采集子系统、轮轨力数据综合分析子系统等部分组成，主要具有以下技术特点：①轮轨力是车轮和钢轨相互作用的直接结果，能够最直接最真实地反映车轮和钢轨的受力状态。②采用连续测量测力轮对技术，实现在车轮旋转360°范围内任一角度都具有同样精度的测试灵敏度和抗串扰特性，也即实现列车在高速运行过程中轮轨间作用力的实时连续测量，这是保证轨道状态不间断检测和各频段轮轨力分析的关键所在。③在测力轮对能够获取全轮周范围内准确的轮轨力信号基础上，实际轮轨力测量的频率范围主要取决于采样频率，根据检测目的和运行速度不同，可通过不同的采样频率设定来针对所关注频率范围内的检测结果。图1给出了装备于高速综合检测列车的连续测量测力轮对示例。

图1 高速综合检测列车装备的连续测量测力轮对

2 典型轨道病害与轮轨力响应特征关联分析

通过对前期采集的大量试验数据进行深入分析和梳理，结合对线路现场实地勘查情况，系统分析轮轨力异常响应特征与轨道状态不良之间的关联性，总结归纳了高速铁路几种常见的轨道病害，主要包括钢轨表面低塌或凸起、钢轨表面波形磨耗、道岔结构异常激扰等短波不平顺问题，以及钢轨廓形欠佳引起晃车问题。

2.1 钢轨表面低塌或凸起

钢轨表面焊缝区凹凸不平和轨面低塌是高速铁路常见的短波不平顺问题之一，它会引起车轮与钢轨间的大幅度冲击，使得轮轨垂向力产生瞬间高频冲击振动，容易引发钢轨伤损或疲劳破坏等安全问题。

实例1：钢轨不良焊缝引起大幅值轮轨垂向冲击力。检测列车在同一位置反复多次检测发现的轮轨垂向力实测波形如图2所示。由图2可见，轮轨垂向力在该位置存在1个大幅值波峰，并伴有几个震荡衰减的波动，据此可判断该位置钢轨表面存在短波不平顺。后经工务部门现场勘查确认(如图3所示)，该位置由于钢轨现场焊缝处理不到位，在局部轨面形成了低塌，长度约为0.8 m，最大低塌深度约为1.0 mm。

图2 钢轨不良焊缝位置轮轨垂向力异常响应

图3 钢轨不良焊缝位置现场勘查结果

实例2：钢轨母材凹陷引起大幅值轮轨垂向冲击力。检测列车在新建线路联调联试中检测发现的轮轨垂向力实测波形如图4所示。由图4可见，轮轨垂向力峰值高达242.6 kN。而工务部门现场勘查发现出现这个峰值系钢轨母材存在深1.5 mm的凹陷(如图5所示)所致，由于该处轨面凹陷引起了大幅度的轮轨垂向力冲击作用，使得下部扣件和垫片在短期作用下便发生了破碎。

从上述实例可以看出，钢轨表面低塌或凸起这类轨道短波不平顺会引起大幅值轮轨垂向力，使其峰值显著增大，可考虑采用轮轨垂向力的瞬时峰值对这类轨道短波不平顺进行有效识别。此外，这类轨道短波不平顺引起的轮轨垂向力峰值大都会随着速度的提高明显增大。

图4 钢轨母材凹陷位置轮轨垂向力异常响应

图5 钢轨母材凹陷位置现场勘查结果

2.2 钢轨表面波浪形磨耗

钢轨表面波浪形磨耗，也即钢轨波磨，是高速铁路另一类较为常见的轨道病害，它会使得轮轨垂向力产生连续大幅值高频振动，尤其对于道床刚度较大的无砟轨道，由于道床基础的减震能力较弱，在反复大幅值高频率轮轨垂向力作用下极易引起钢轨扣件等轨道部件的疲劳破坏，也是引发高速列车簧下部件脱落的重要因素，对高速列车的运行安全构成隐患。

实例3：直线线路钢轨波磨引起连续大幅值高频轮轨垂向力。检测列车在某条尚未开通运营的高铁线路上多个区段检测到如图6所示的连续大幅值高频轮轨垂向力，波动幅值高达60 kN，振动频率为600 Hz左右，分析判断该区段钢轨表面存在十分严重的波磨，现场勘查也确认该区段钢轨表面的确存在持续波磨，如图7所示。在该线路开通运营后不久，恰在检测发现波磨最为严重的区段出现了扣件大量断裂或松脱的现象，表明在此类波磨严重区段引发了连续高频轨轮垂向力的出现，是导致扣件出现早期疲劳断裂的主要原因。

图6 钢轨表面波磨区段轮轨力实测波形图和频谱图

实例4：小半径曲线外轨钢轨波磨引起连续大幅值高频轮轨垂向力。除了高速铁路直线或大半径曲线区段的钢轨波磨，在小半径曲线区段，虽然列车运行速度很低，但是容易出现外轨波磨。检测列车在多个高铁车站附近检测发现如图8所示的大幅高频轮轨垂向力，波动幅值达40 kN，振动频率为120 Hz左右(速度较低)。现场勘查确认该曲线区段外侧钢轨存在明显的表面波磨。

通过大量试验数据分析可知，钢轨表面波磨的波长大多在80～120 mm范围内，这类轨道短波不平顺会引起大幅高频轮轨垂向力，其振动频率随车速变化，当车速为200～300 km·h-1时振动频率多在500～700 Hz范围内。这类持续高频振动与轮轨冲击作用不同，它使得轮轨之间积累大量的高频振动能量，更适合从能量累积的角度对其进行评价和识别。

图7 钢轨表面波磨区段现场勘查结果

图8 钢轨表面波磨区段轮轨力实测波形图

2.3 道岔结构异常激扰

从以往检测数据分析来看，道岔结构异常激扰的形式多种多样，大体上可归纳为2个方面主要问题：①道岔尖轨或心轨位置的道岔结构变异使得列车直向或侧向过岔时出现轮轨横向力瞬时陡增，形成冲击力；②道岔结构和刚度的变化，使得列车直向过岔时出现连续大幅值轮轨垂向力，极易形成类似波磨的短波不平顺。异常增大的轮轨力对相对薄弱的道岔结构将产生疲劳伤损或磨耗等影响，容易造成道岔结构破坏。

实例5：道岔结构变异引起大幅值轮轨横向冲击力。检测列车侧向和高速直向通过18号道岔时的轮轨力实测波形图如图9所示。由图9可见：侧向通过道岔时，在道岔心轨位置出现显著的轮轨横向力冲击，其最大值达102.2 kN；高速直向通过道岔时，左轮的轮轨横向力在道岔区有异常突增，最大值达40.0 kN，明显异常。

实例6：钢轨结构和刚度的变化引起连续大幅值轮轨垂向力。检测列车直向通过道岔时轮轨垂向力出现异常实测波形和频谱图如图10所示。由图10可见，轮轨垂向力在列车直向通过道岔时呈现连续冲击特性，在尖轨和心轨位置高频轮轨垂向力增大的尤为明显，其持续振动的频率约为50 Hz，分析认为系道岔结构变化所形成。

图9 检测列车通过道岔时轮轨力实测波形图

图10 检测列车直向通过道岔区时连续大幅值轮轨垂向力实测波形图和频谱图

从上述实例可以看出，道岔区段容易存在轮轨垂向力和横向力的大幅增加，作用频率加大，且轮轨横向力的异常增大主要集中在尖轨、心轨等关键部位。道岔出现尖轨裂纹是目前高速铁路普遍存在的问题，究其原因还是长期大幅度轮轨力冲击作用的结果，本文所列的道岔结构异常激扰引起大幅轮轨冲击力的情况应该是其中重要原因之一。

2.4 钢轨廓形欠佳

综合多次检测数据归纳分析来看，引起列车出现横向晃动(晃车)的主要原因是钢轨廓形欠佳导致轮轨型面匹配状态不良，引起轮轨和构架的蛇行运动，诱发轮轴横向力和构架横向加速度同时出现连续周期性波动，引起车辆运行平稳性降低。

影响轮轨匹配关系有多种因素，从轨道状态角度来说主要是钢轨廓形打磨不到位或轮轨磨耗造成钢轨廓形变化。

实例7：钢轨未打磨引起轮轴横向力和构架横向加速度连续周期性波动，车辆出现明显晃车。出现明显晃车现象时轮轴力实测波形图如图11所示。由图11可见，个别区段轮轴横向力和构架横向加速度连续周期性波动，波长约13 m。经工务部门确认这些区段钢轨尚未进行打磨，该区段钢轨廓形与其他区段存在明显差异，由于轮轨匹配关系欠佳，引起轮对和构架蛇行运动。

实例8：钢轨廓形不良引起构架横向加速度指标超限。检测列车在某新建线路联调联试中检测发现，轮轴横向力和构架横向加速度在多个区段出现了大幅连续周期性波动，并且多处地段的构架横向加速度指标超限(连续6个峰值超出8 m·s-2)。现场检查发现线路轨面尚未进行打磨，钢轨廓形状态欠佳。随即对部分区段进行了钢轨打磨，打磨后复测轮轴横向力和构架横向加速度的周期性波动现象消失，构架横向加速度振动幅值显著降低，打磨前后钢轨廓形对比和构架横向加速度对比分别如图12和图13所示。

钢轨廓形变化会使得轮轨接触点位置、接触斑摩擦系数等参数发生变化，直接影响轮轨匹配关系，轮轨匹配关系欠佳极易引起轮对和构架出现蛇行运动，使得轮轴横向力和构架、车体横向出现连续周期性波动，引起晃车。这类周期性波动也存在明显能量累积效应，适合从能量累积角度对其进行评价和识别。由于这类问题涉及车辆和轨道线路2个方面，通过打磨钢轨廓形或镟修车轮踏面都能加以改善，因此需要从维修成本方面综合考虑，寻求效益最大化的施修措施。

3 结语

通过系统分析多年积累的高速铁路联调联试和日常巡检轮轨力检测数据，深入研究了轮轨力异常响应特征与轨道状态异常的关联关系，结果表明钢轨表面低塌或凸起引起大幅值轮轨垂向冲击力，钢轨波磨引起连续大幅值高频轮轨垂向力，道岔结构变异引起大幅值轮轨横向冲击力，道岔区钢轨结构和刚度变化引起连续轮轨垂向力，钢轨廓形欠佳引起轮轨横向力和构架横向加速度的周期性波动。这些不同类型轨道病害均会引起具有不同振动特征的频率较高的动车组轮轨力响应，可考虑采用不同的滤波或数据统计分析方法对这些高频轮轨力进行数据处理分析，从而提出基于轮轨力连续测量的高速铁路轨道病害检测评价方法。这些工作对于提高高铁线路检查效率，解决现场工程问题和开展更为深入的高速铁路轮轨关系研究都具有重要的现实意义和指导作用。