普速道岔动力学响应测试研究

方智超,丁军君,赵冠闯,王军平,蒋 俊

(1.西南交通大学机械工程学院,成都 610031； 2.中铁物轨道科技服务集团有限公司,北京 100036)

引言

道岔是铁路线路中引导列车换线运行的关键部件，起着连接两股轨道、跨越交叉线路的作用，与区间线路相比岔区结构更复杂，由尖轨、心轨、翼轨和护轨等部件组成[1-4]。由于岔区存在多股钢轨并且尖轨和心轨存在变截面特性，列车在直、侧向过岔时，车轮踏面与钢轨接触点间存在两点、三点接触，轮轨间伴随着明显的冲击和振动，严重威胁列车行车安全，因此，车辆过岔时的安全性、稳定性研究显得尤为重要[5-8]。轮轨作用力和振动加速度是反映车辆过岔状态的重要参数，理论方法对于该参数的求解具有一定的局限性，通过现场进行实际测试能够获得较为准确的数值[9]。

何华武以系统集成设计方法建立了250 km/h客运专线18号道岔多种设计理论体系，通过对所研制道岔的试铺和动测试验，验证了该道岔设计理论体系的科学性及道岔结构设计的合理性[10]。在该试验过程中，由于转辙器区轮轨作用力测点布置在转辙器跟端附近地面，使得力的传递路径变长，对测试结果产生影响。王平等利用激光位移传感器和数字数据采集系统开发了轮对横向位移测试系统，在合宁线上对引进的法国道岔进行了岔区轮对横移测试，验证了测试系统的可靠性[11]。在该试验过程中，由于激光位移传感器支座布置在轨枕上，列车通过时轨枕处的振动会对测试结果产生干扰。钱坤等对朔黄铁路一组75 kg/m钢轨12号单开道岔进行了轮轨力和振动加速度动态测试，以评估开行重载提速列车对道岔安全性的影响[12]。王树国等结合地面和车载测试方法，分别对18号、42号和62号道岔开展了动力学试验研究[13-15]，并对高速道岔关键技术(如岔区轨道刚度合理取值及均匀化技术、尖轨降低值优化技术、转辙器运动学轨距优化技术、侧线线型设计技术)对动车组高速直、侧向过岔平稳性的影响进行了试验研究[16]。XIN建立辙叉区轮对-道岔耦合模型并分析了车辆过岔时轮对与叉心的动力学响应，最后通过ESAH-M试验装置对仿真结果进行验证，证明了模型的合理性[17]。

1 普速道岔动力学试验

1.1 线路概况

试验选取渝怀铁路白涛站附近一组普速12号单开有砟道岔，如图1所示。该线路为客、货共运线，列车直、侧向过岔时出现轮轨异常振动和晃车。试验场地开阔，无明显干扰源，便于布置设备仪器。

图1 试验地点12号单开有砟道岔

1.2 试验方法

试验主要测试元件有电阻式应变片、加速度传感器，测试内容包括轮轨作用力和振动加速度，设置采样频率为1 000 Hz。考虑岔区尖轨和叉心部位特殊要求，测点布置如图2所示，分别于转辙器区、导曲线部分、辙叉区钢轨轨底和轨腰位置布置应变片和加速度传感器，其中，在轮轨力测试的8个测点中，1、2号测点位于尖轨前端6号和7号岔枕之间，7、8号测点对应叉心处56号和57号岔枕中间位置；振动加速度测试的9个测点中，9、10号测点位于尖轨底面，17号测点位于心轨底面。轮轨作用力采用地面测试方法中的剪力法测量[18]，该方法依据钢轨任意断面处剪力代数与轮载成正比的原理，通过图3所示现场标定测得应力-应变拟合方程F=kε+b，其中F为应力，k为比例系数，ε为应变，b为常数项，最后反演出轮轨作用力。

图2 道岔动力学试验测试传感器位置布置

图3 轮轨作用力现场标定

1.3 数据分析处理方法

试验数据分析处理流程如图4所示，主要采用时频分析方法。其中，钢轨形变信号经0.4～40 Hz带通滤波处理后输出时域信号，代入应力-应变拟合方程求解轮轨作用力；振动加速度信号经0～500 Hz带通滤波处理后输出时域信号，运用快速傅里叶变换(FFT)将时域信号转换成频域信号并进行频谱分析[19-20]。 实际测试时，应变片组成全桥经应变信号输入线接入动态信号测试分析仪，加速度传感器经BNC信号转接头接入动态信号测试分析仪，最后经计算机数据采集系统采集数据并生成信号文件。

图4 信号采集分析系统

2 测试结果分析

由于试验布置的轮轨力和振动加速度测点较多，限于篇幅，只对列车直、侧向过岔时的关键测点位置采集数据进行分析。选取电力牵引机车为SS9型的客运列车前4节车体直向过岔和HXD3型电力机车侧向过岔采集数据，列车直向过岔时选取测点2、7、10、17采集数据分析；侧向过岔时选取测点1、8、9、17采集数据进行分析。其中客运列车运行速度为96 km/h，机车运行速度为39 km/h。

2.1 轮轨作用力

客运列车直向过岔时轮轨力采集波形如图5所示。由图5可知，机车部分通过道岔区域的轮轨作用力明显大于其他车体，这是由于机车部分除走行部外还承载着机械、电机设备和电子电器装置，轮轨垂向力和横向力较客车车体增长约37%和50%。其中通过转辙器区和辙叉区时，轮轨横向力最大值近似，约为60 kN；轮轨垂向力最大值出现在辙叉区，约为150 kN，转辙器区轮轨垂向力最大值约为130 kN。

图5 客运列车直向过岔轮轨力时程曲线

试验测得单节机车侧向过岔轮轨力采集波形如图6所示，机车侧向通过转辙器区时轮轨横向力最大值约为70 kN，垂向力最大值约为110 kN；辙叉区轮轨横向力最大值约为55 kN，垂向力最大值约为130 kN。

图6 单节机车侧向过岔轮轨力时程曲线

测试结果表明，列车直、侧向过岔时，垂向力峰值均出现在辙叉区，横向力峰值出现在列车侧向过岔时的转辙器区。机车侧向过岔时，由于低速运行，轮轨垂向力较直向过岔降低约20%，轮轨横向力变化不明显，但整体有所降低。不同位置处脱轨系数极值如图7所示，最大值均出现在转辙器区，且在安全限值以内。

图7 不同位置处脱轨系数

2.2 振动加速度

客运列车直向过岔时振动加速度采集波形如图8所示，列车通过尖轨和叉心区域时伴随着明显的瞬态冲击，尖轨处最大横向加速度达到200 m/s2，最大垂向加速度达到400 m/s2；叉心处最大横向加速度约为180 m/s2，最大垂向加速度约为400 m/s2。轨枕处由于钢轨扣压件和道床的减振作用，测得的垂向加速度峰值约为40 m/s2。

图8 客运列车直向过岔加速度时程曲线

对采集到的振动加速度时程响应数据进行傅里叶变换，得到列车直向过岔时的振动加速度频谱如图9所示。

图9 列车直向过岔加速度频谱

频谱分析表明，列车直向过岔时，尖轨和心轨处加速度测点由200 Hz及300 Hz附近的频率成分主导。尖轨垂向和心轨垂向处主频为295 Hz，尖轨横向和心轨横向处振动加速度出现多个单峰值，集中在200，225，300 Hz附近，且振幅相近。这表明列车直向过岔时，尖轨和心轨处承受的垂向振动能量较为集中，横向振动能量较为分散。

试验测得单节机车侧向过岔时振动加速度采集波形如图10所示，机车低速通过时，在尖轨和叉心区域仍会产生瞬态冲击，此时加速度峰值较列车直向过岔时大幅度降低。测得尖轨处最大横向加速度约为60 m/s2，最大垂向加速度约为150 m/s2；叉心位置横向加速度最大值约为50 m/s2，垂向加速度最大值约为90 m/s2。导曲线部分由于钢轨廓形不存在截面形状的较大突变，列车通过时基本无瞬态冲击现象，测得轮轨横向和垂向振动加速度峰值相近，约为30 m/s2。

图10 单节机车侧向过岔加速度时程曲线

对采集到的振动加速度时程响应数据进行傅里叶变换，得到机车侧向过岔时的振动加速度频谱如图11所示。

图11 单节机车侧向过岔加速度频谱

频谱分析表明，单节机车侧向过岔时，尖轨处振动加速度出现多个峰值，主频不明显，垂向振动加速度主要集中在290，360，480 Hz附近，横向振动加速度主要集中在130，170，380 Hz附近，振动能量较为分散，且横向振动加速度主频幅值普遍大于垂向振动加速度；心轨处振动加速度主频主要集中在450～500 Hz内，属于高频振动。

测试结果表明，列车直、侧向通过道岔区域时，横向加速度峰值均出现在尖轨处。直向过岔时垂向加速度峰值在尖轨和叉心区域相近，尖轨和心轨处承受的垂向振动集中于主频295 Hz处，横向振动能量较分散；侧向过岔时垂向加速度极值出现在尖轨位置，尖轨处振动能量在频域内分布较分散，心轨处振动加速度主频较直向过岔更为集中，主要分布在450～500 Hz高频段。此外，列车高速通过时，岔区钢轨振动明显，每周期内存在多点瞬态冲击，低速通过时，钢轨瞬态冲击数目、振动加速度峰值和不同频段振动加速度幅值显著降低。

3 结论

(1)由于尖轨和叉心部位明显的轨道结构不平顺特征，列车机车部分通过该区域时，会产生轮轨作用力和振动加速度峰值，且随着运行速度的增加而增大。

(2)列车直向过岔时，轮轨垂向力较横向力变化明显，轮轨垂向力峰值达到150 kN，横向力峰值约为60 kN；列车侧向过岔通过转辙器区和辙叉区时，轮轨横向力略有降低，垂向力峰值出现在辙叉区，约为130 kN。脱轨系数呈现先降低后升高的趋势，但峰值均出现在转辙器区，且在安全限值之内。

(3)列车过岔速度对振动加速度影响显著，高速通过时最大垂向振动加速度为400 m/s2，低速时为150 m/s2，下降幅度达到60%。在频域分析中，列车直向过岔时垂向振动加速度主频集中在295 Hz，振动能量较横向更为集中。侧向过岔时尖轨处出现多个单峰值，振动能量在频域内分布分散，心轨处振动加速度主频主要集中在450～500 Hz内。