大風環境下P62K型空棚車橫向振動偏移量試驗研究＊

李紅艷，陳治亞，趙 鋼，魯寨軍

(1.中國鐵道科學研究院基礎設施檢測中心，北京 100081;2.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075)

為確保行車安全，鐵路機車車輛限界與建筑限界之間預留了較大的空間。當建筑限界確定后，該預留空間的大小決定了機車車輛的最大外廓尺寸。我國鐵路機車車輛限界在橫向基本屬于無偏移限界［1］，只是在設計尺寸基礎上考慮了車輛制造公差引起的偏移或傾斜，并未包括運行過程中隨機振動引起的偏移量。因此，在確定機車車輛限界時不得不為動態偏移量預留較大的空間以確保運輸安全。同時，超限車與鄰線列車交會時的運行條件［2］也與車輛在運行過程中的橫向偏移量密切相關。如果經過分析和研究，確認車輛的最大動態偏移量遠小于預留的空間，則在建筑限界條件不變的情況下，可以將車輛限界放寬，使車輛有更大的容積運輸貨物或旅客，或可放寬超限貨物安全運輸技術條件，從而大大提高運輸效率。大風環境下，車輛承受的氣動力大大增加［3－4］，可使車輛的振動偏移量增大，因此研究大風環境下的車輛橫向振動偏移量具有重要的意義。

本文采用實車試驗方法，研究了P62k型空棚車在蘭新線上運行時的橫向振動偏移量，分別得到了該棚車在風區和非風區運行及在不同擋風墻后停留時的最大橫向振動偏移量;采用環境風作用下振動偏移量系數分析大風對橫向偏移量的影響，比較了不同擋風墻的防風效果。

1 車輛振動偏移量檢測方法

建立圖1所示的 OwXwYwZw坐標系。圖中OwXw和OwYw軸均位于軌面上，OwXw與軌道中心線重合或相切，OwYw垂直于OwXw，OwZw軸垂直于軌面，指向軌面下方。該坐標系原點Ow始終跟隨車輛以線路中心線為軌跡向前移動，并且在移動過程中Xw軸始終與線路中心線重合(直線上)或相切(曲線上)，稱之為軌面隨行坐標系。當縱橫對稱的車體連同轉向架平放在平直線上時，若其縱向對稱面ABCD與OwXwZw平面重合，橫向對稱面EFGH與OwYwZw平面重合，則稱該位置為正位置。車輛運行時，相對該正位置的偏移量，即為振動偏移量。將軌面隨行坐標系平移至處于正位置時的測點1形成車體隨行坐標系ObXbYbZb，該坐標系隨測點1相對OwXwYwZw平移或繞自身軸旋轉。

圖1 坐標系定義Fig.1 Coordinate system definition

本文以軌道中心線和軌面作為檢測基準，采用基于機器視覺的非接觸式檢測方法［5］。在被測車體非共線的4個點上分別安裝高速CCD，隨著車輛的運動，各CCD分別記錄鋼軌相對該測點的運動圖像序列，運用圖像處理技術，得到各測點相對軌面的偏移量zci，yci［6］(i=1，2，3，4)。4 個測點的高速CCD受時間同步裝置控制，同步采集數據，計算機對測得的數據進行整理、顯示、存儲和對外實時通信。綜合測點1、測點2和測點3的橫向坐標 yci(i=1，2，3)和垂向坐標 zci(i=1，2，3)，由式(1)～式(3)可以確定車體相對于2條鋼軌的測滾角α、點頭角β和搖頭角γ，通過式(4)和式(5)可分別得到測點1以軌面隨行坐標系表示的橫向偏移量Δywc1和垂向偏移量Δzwc1，進而通過剛體運動學相關公式得到車體上任意點(或固連于車體上的貨物)的動態偏移量［7］。第4個測點所測得的偏移量用于對結果進行驗證。

式中，zci和yci分別為i測點相對軌道的垂向和橫向坐標(以i測點的攝像機坐標系表示);xbi和ybi分別為i測點在坐標系ObXbYbZb中的坐標。

2 測點和監控點布置

P62K型棚車車體主要外廓尺寸:除手制動外，最高點為縱中心線上，距軌面高度4103 mm;車體長15500 mm;車體最大寬度3312 mm;下側梁下表面距軌面高度995 mm;車頂彎梁與上側梁連接處距軌面高3902 mm。據此，選擇車體一二位端縱中心線上的最高點和二位側的最高、最低點共6個監控點對P62k型棚車的橫向振動偏移量進行研究。測點和監控點布置如圖2所示，監控點坐標如表1所示，坐標值的基準坐標系為OwXwYwZw。

圖2 測點和監控點布置Fig.2 Distribution of measuring and monitoring points

表1 監控點坐標Table 1 Coordinates of monitoring points

3 在風區停留時測試結果分析

列車在二線停留時，P62K型空棚車的橫向振動偏移量見表2所示。由于擋風墻位于Y軸負方向側，因此表中數值為正時，表示該監控點向遠離擋風墻側偏移;數值為負時，表示該監控點向擋風墻靠近。

由表中數據可見，在無擋風墻和各種擋風墻后，均是與軌面距離最高的監控點的橫向振動偏移量絕對值最大，這是車體繞下心滾擺的結果。在砼板式擋風墻、加筋對拉式(加高)擋風墻和加筋對拉式擋風墻后的橫向振動偏移量主要為負值，即車體向擋風墻側偏移和側滾;停留于無擋風墻區段或在土堤式、橋式、砼板直插式擋風墻后停留時，所有監控點橫向振動偏移量均為正，即車體整體向遠離擋風墻側偏移和側滾。這些規律均與氣動力測試得到的氣動力傾覆系數的規律相同［8］。P62K型空棚車在風區停留試驗中，最大瞬時風速為24.8 m/s，出現在砼枕直插式擋風墻后停留時，對應的最大橫向振動偏移量為36 mm;在橋式擋風墻后停留時，最大瞬時風速為22.9 m/s，對應的最大橫向振動偏移量為37 mm，這也是各次停留試驗中的最大值，考慮車體計算寬度后，未超出建筑限界。

表2 P62K型空棚車停留試驗振動偏移量測試結果Table 2 Test results of lateral vibration offsets when the empty box－car staying in the wind zone

列車在停留試驗過程中的振動偏移量主要由環境風引起的氣動力導致，因此在不同擋風墻后停留時的振動偏移量大小與所受到的環境風氣動力密切相關。由于在不同擋風墻后停留時，大風風速差別較大，因此不能直接通過比較振動偏移量的統計值來判斷擋風墻擋風效果的優劣。仿照文獻［9］所述氣動力系數建立環境風作用下橫向振動偏移量系數計算式如式(6)和式(7)所示。

式中，Vwmax和Vwavg分別為停留試驗過程中環境風最大瞬時風速和平均風速，取鐵路沿線測風站所測的風速，m/s;Dmax和Dmin分別為所有監控點中振動偏移量的最大值和最小值，mm;Damax和Damin分別為所有監控點中橫向振動偏移量均值的最大值和最小值，mm;ρ為來流密度，kg/m3;蘭新鐵路百里風區海拔在500～700 m之間，取海拔高度600 m。按建筑結構荷載規范［10］近似計算，得到來流密度為 1.177 kg/m3。

計算得到P62K型空棚車在風區停留試驗時的橫向振動偏移量系數如表3所示。

表3 P62K型空棚車停留試驗時，環境風作用下的橫向振動偏移量系數Table 3 The coefficients of lateral vibration offset under wind environment when the P62Kbox－car staying in the wind zone

從表3可知，就橫向振動偏移量的最大(最小)值來說，無擋風墻時的橫向振動偏移量系數最大，砼枕直插式擋風墻和加筋對拉式擋風墻效果最好;加筋對拉式(加高)和砼板式效果接近;各種擋風墻中，土堤式擋風墻效果最差。

從橫向振動偏移量的最大(最小)平均值來說，也是無擋風墻時的系數最大;各擋風墻中，在土堤式擋風墻后的系數最大、擋風效果最差，加筋對拉式擋風墻和砼枕直插式擋風墻的擋風效果最好。

4 運行試驗測試結果

P62K型空棚車分別在一線和二線的風區和非風區運行時的最大橫向振動偏移量測試結果見表4所示。期間最大瞬時風速達33.5 m/s(12級)、平均風速達26.1 m/s(10級)，試驗車最高運行速度為80 km/h。

在風區一線運行時的最大橫向振動偏移量為137 mm，出現在運行速度為60 km/h時;在風區二線運行時的最大橫向振動偏移量為126 mm，出現在運行速度為80 km/h時;在非風區一線運行時的最大橫向振動偏移量為83 mm，出現在運行速度為70 km/h時;在非風區二線運行時的最大橫向振動偏移量為76 mm，運行速度為70 km/h。在風區運行時的最大橫向振動偏移量比在非風區運行時的最大橫向振動偏移量大54 mm，說明環境風對P62K型空棚車的橫向振動偏移量的影響比較大。

表4 P62K型空棚車運行試驗振動偏移量測試結果統計值Table 4 Lateral vibration offsets of the P62Kempty box－car in running test

棚車運行試驗中，最大橫向振動偏移量為137 mm，考慮車體計算寬度后，未超出建筑限界。

5 結論

(1)介紹了基于機器視覺的車輛橫向振動偏移量在線實車測試方法，建立了車體相對軌道和軌面中心線的姿態角和偏移量的計算式;

(2)對P62k型空棚車進行了橫向振動偏移量試驗，得到了該棚車在非風區和風區運行時的最大橫向振動偏移量分別為83 mm和137 mm，考慮車體計算寬度后，未超出建筑限界;

(3)分析了P62k型空棚車在無擋風墻區段和不同擋風墻后停留試驗時各監控點橫向振動偏移量的統計值，提出了環境風作用下振動偏移量系數的概念，并分析得到該棚車在無擋風墻時的環境風作用下橫向振動偏移量系數最大，在砼枕直插式擋風墻和加筋對拉式擋風墻后停留時的橫向振動偏移量系數最小，加筋對拉式(加高)和砼板式擋風效果接近，土堤式擋風墻效果最差。該結論與氣動力測試得到的傾覆系數和橫向氣動力的規律相吻合。

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