钢轨维修对高速铁路轨道平顺性的影响分析

李 铭

（中国铁路上海局集团有限公司 上海高铁维修段，上海 200439）

保证高速列车运行的安全性、平稳性与舒适性是线路轨道维修作业的根本目的. 我国高速铁路网络初步形成，华东地区的部分高铁运营已超过10年. 随着线路服役时间的增加，轨道服役性能也趋于劣化，由此引发的高速列车晃车事件已成为线路轨道运维中的主要矛盾. 铁路管理部门通常通过轨道质量指数和幅值来管理轨道结构服役状态[1]，但现阶段出现轨道质量指数（Track Quality Index, TQI）及幅值超限的情况极少，反而线路晃车超限报警不断出现. 作为解决此问题的有效手段，钢轨维修作业在生产实践中被广泛应用. 因此，研究钢轨维修对线路轨道平顺性的影响，直接关系到高速铁路养护维修计划的有效制订.

对于高速铁路轨道不平顺的相关问题，国内外学者展开了大量研究，如高望翰等[2]分析高铁的高低不平顺拟合谱，突出了波长3.3～5.0 m波段特征；杨翠平等[3]利用主成分分析法对轨道不平顺进行降维，提出15个时域特征量对轨道质量指数进行补充的方法；杨友涛等[4]基于多元经验模态分解分析了高速铁路轨道不平顺参数间的相关性，给出轨道不平顺的能量分布及对应的波长特征；张坤等[5]利用SIMPACK软件讨论不同类型轨道不平顺对高速列车行车的影响；张荣鹤等[6]研究轨向及高低不平顺对轮轨系统动力学影响，确定各不平顺值下的限速标准；田新宇等[7]基于轮轨动力学和实测数据探讨对晃车影响较大的线路长波不平顺的管理方法及指标；杨飞等[8]采用60 m弦长进行高铁线路长波不平顺的静态测量及控制标准. 这些研究深化了对高速铁路轨道不平顺管理的认识，但值得注意的是，现有研究多是针对评估高铁无砟轨道状态及其对列车运行影响而展开的分析，对典型线路钢轨维修作业后轨道线路平顺性的状态分析研究较少，尚存在进一步讨论分析的空间.

基于此，本研究从线路轨道不平顺运维的实际入手，根据线路钢轨养修资料，分析轨道不平顺的时频分布特征，确定线路对列车运行敏感波长的变化规律，为科学合理地管理高速铁路轨道不平顺提供技术和理论支撑.

1 样本来源

根据铁路管理部门提供的运维资料，分别选取钢轨修理前后，轨道综合检测列车的线路轨道检测数据. 轨道综合检测列车类型为CRH2C−2150，线路处于华东地区，轨道结构为CRTS II型板式无砟轨道结构，60型钢轨，WJ−8型扣件，基础结构为32 m简支梁桥，线路的设计速度为350 km/h，目前运营速度为300 km/h.

分别采用2020年9月线路钢轨修理前以及2020年10月线路钢轨维修后的检测数据，检测列车的速度为300 km/h，数据样本长度为20 km，采样间隔为0.25 m. 分析区段的钢轨维修作业是由铁路管理部门委托中铁物总运维科技有限公司来进行的，采用96头钢轨修理车按照60N型中国标准钢轨廓形进行打磨作业，打磨方案依据钢轨磨削量最小来制定，钢轨作业验收标准均符合《高速铁路钢轨打磨管理办法》（铁总运（2014）357号），此区段未安排线路几何形位静态等调整维修作业.现有研究结果表明，线路长波不平顺显著影响高速列车运行平稳性[9−10]. 结合现有的无砟轨道维修规范[11]，本研究以1～42 m和1～120 m两个波长区段的左高低不平顺和左轨向不平顺为例进行分析，确定钢轨修理前后轨道不平顺的分布特征.

2 轨道不平顺的时域及频域分析

2.1 时域分析

图1为线路轨道高低不平顺在不同波长区段的时域幅值分布图. 同时为了分析其统计特征，也给出相应的箱型分布. 由图可知，两个波长区段下的高低不平顺幅值均小于规范[11]中I级限值管理水平. 钢轨修理作业对于1～42 m和1～120 m的波长区段高低幅值时域分布没有显著改善，均分布在±4 mm之间；仅1～120 m的波长在最大幅值方面有少量减小，约为1.5 mm. 为进一步讨论区段高低不平顺的分布，本研究同时计算上述区段的TQI，如图2所示. 由图可知1～42 m的波段时域分布有一定的改善，幅值区间减小约0.2 mm；而1～120 m区段仅对TQI最大峰值有显著减小作用，最大峰值约降低0.7 mm，而对时域分布几乎无影响.

图1 高低不平顺幅值分布Fig. 1 Amplitude distribution of longitudinal irregularity

图2 高低不平顺TQI分布Fig. 2 TQI distribution of longitudinal irregularity

图3和图4为相同样本区段的左轨向幅值、TQI及箱型分布图. 由图可知对1～42 m波段，轨向不平顺无论是幅值还是TQI都差异性较小；但在1～120 m的波段上，幅值及TQI均差异性显著，说明钢轨修理对于长波范围内的轨向不平顺有较好 的控制效果.

图3 轨向不平顺幅值分布Fig. 3 Amplitude distribution of track alignment irregularity

图4 轨向不平顺TQI分布Fig. 4 TQI distribution of track alignment irregularity

2.2 频域分析

为进一步讨论钢轨修理对轨道不平顺的频域影响规律，这里对高低及轨向不平顺样本进行功率谱密度计算，计算方法参考文献[12]，选用Welch法，窗函数选用汉宁窗.

图5 为左高低不平顺谱计算结果. 由图可知两种波长区段下高低轨道不平顺谱呈现多峰分布的特征，6.4 m和32 m周期性不平顺突出，说明轨道板板长及桥梁跨度作用明显. 对比钢轨修理前后可知，两种波长在3 m以下区段，钢轨修理后较打磨前小，说明钢轨修理对于中短波不平顺作用效果显著，但中长波（3 m以上）区间效果则不明显.

图5 左高低不平顺谱Fig. 5 Spectrum of left longitudinal irregularity

图6为左轨向不平顺谱计算结果 . 由图可知，两种波长区段下轨向不平顺谱同样呈现多峰分布的特征，但中长波段周期性不平顺不突出，仅在3.8 m以下的波长区间存在着较为丰富的窄带凸形峰及尖峰谱线，说明钢轨中存在一定的焊接接头不平顺以及钢轨在轧制、运输与铺设过程中产生了硬弯. 对比打磨前后波形可知，钢轨修理对于轨向不平顺控制具有一定的效果，在全波段呈现减小趋势，但减少的幅值有差异性，在32 m以上的波长区段减小的幅值相对较大.

图6 左轨向不平顺谱Fig. 6 Spectrum of left track alignment irregularity

3 轨道不平顺与车体振动加速度的相干分析

为进一步讨论轨道不平顺波长对行车舒适性的影响，本研究采用相干分析分别计算高低不平顺与车辆垂向振动加速度、轨向不平顺与车辆横向振动加速度的关系，从而确定轨道不平顺的不利波长范围.

根据互谱不等式，相干函数计算公式[12]为

式中： Sx(f)、Sy(f)分别为轨道不平顺、车辆振动加速度； γ2xy越大表示相干程度越高.

图7为高低不平顺—车辆垂向加速度相干函数，可知1～42 m波长范围内钢轨修理前后相干系数大于0.7的最不利波长区间近似不变，都位于波长35.714～29.412 m内；而1～120 m波长内，钢轨修理的效果显著，打磨后不利波长相干系数显著降低，说明钢轨修理有助于提高列车垂向运行舒适性.

图7 高低—垂向加速度相干函数Fig. 7 Coherent function of longitudinal irregularity and vertical acceleration

图8 为轨向—横向加速度相干函数. 由图可知，钢轨修理前后轨向不平顺在两个波长区间相干系数均呈现一定程度地降低，说明钢轨修理对控制轨向不平顺有一定帮助，但整体效果不明显，这主要是由于高速铁路横向振动加速度不仅仅是由轨向不平顺引起的，轨向不平顺仅是主因，其成因较为复杂，因此其系数相对较小，不如高低不平顺对垂向振动影响的效果显著.

图8 轨向—横向加速度相干函数Fig. 8 Coherent function of track alignment irregularity and lateral acceleration

4 结 语

本研究通过对钢轨修理前后的高速铁路无砟轨道平顺性进行分析，从时域、频域以及相干分析3个角度探讨1～42 m和1～120 m两个波长区段的轨道不平顺时空分布特征，得到如下结果：

1）在轨道不平顺时域分布上，对分析的4种工况而言，钢轨修理作业仅对1～120 m的轨向不平顺TQI有显著改善作用，最大幅值降低约0.7 mm，某种程度上可以缓解晃车问题；

2）在轨道不平顺频域分布上，钢轨修理作业对于轨道不平顺波长的组成没有显著作用，仅对3 m以下区段轨道不平顺有一定的改善作用；

3）钢轨修理作业对改善列车垂向振动有一定的效果，但对横向振动的控制效果不显著.