鐵路轉轍機震動情況的現場測試技術分析

【摘要】目前國內不少鐵路安裝有進口的轉轍機，其性能穩定、工作可靠是最大的優點，但是對安裝路基的條件要求比較嚴格，否則將嚴重影響鐵路運行的安全。本文就鐵路提速后轉轍機工作環境震動的產生、特性進行了實地現場測試，分析計算，并提出完善意見。

【關鍵詞】鐵路震動分析；現場數據采集

隨著經濟的發展，鐵路提速已經進行過多次，為了使提速后的鐵路轉轍機運行更安全、可靠，我們對目前國內鐵路普遍存在的轉轍機隨鋼軌枕起伏而引起的鐵路信號異常的潛在問題，進行了現場實測、分析及計算等環節的工作。但是由于時間、條件等諸多方面的原因，工作帶有一定的局限性，所闡述的以下論點供參考，不妥之處敬請指正。

一、震動分析

業內人士周知，在列車通過鐵路時鋼軌枕與路基之間在規定范圍內允許有不大于6毫米的起伏差值。但由于各種客觀原因，有時會出現超過此值的現象（現實中最大達20毫米），結果之一是直接導致與鋼軌枕相連的轉轍機的工作異常，輕則出現信號異常，重則導致列車顛覆。與本實例相關的振動起因主要有受迫振動（包括沖擊振動）、共振及自激振動等。從現場錄象分析看，共振的效果不明顯。從轉轍機工作原理等方面看自激振動的條件不具備。由于列車通過的過程是連續的，因此沖擊振動也不占主導地位（沖擊振動主要發生在鋼軌接縫處，對轉轍機的影響不大），所以分析認為就安裝在Z形支撐板上的轉轍機呈現的振動而言，受迫振動是主要因素。按振動隨時間的變化規律論，本例也不是標準的簡諧振動。鋼軌枕受迫振動的基本過程是，承載著全部車體重量的運動車輪經過時對轉轍機處的鋼軌產生的正壓力使得鋼軌及鋼軌枕產生向下的運動，車輪過后，鋼軌及鋼軌枕等在恢復力的作用下又向上運動，整列車按一定的速度通過時，節拍形成了，受迫振動產生了。

以我國客車總數中，數量最多的新造25G型硬座客車為例（固定軸距=2400毫米，車輛定距=18000毫米，車體長=25500毫米，車輛全長=26576毫米，自重=42.6噸，定員=118人（帶車長席的為112人），最高運行速度=160公里/小時），依據列車基本結構條件，當客車以126公里/小時的速度（實測數值）通過時，計算得出的各參數（周期和頻率）數值為：

二、現場數據采集的基本情況及分析

（1）現狀。轉轍機與鋼軌枕的連接是通過一對Z形的鋼板支撐著的。（2）測試。現場主要采集的是鋼軌枕和轉轍機主支撐（即，Z形支撐）的振幅。其中，現場實測不同的列車類型所引起的震動幅度和頻率均不同。（3）數據分析。一是激振頻率。主要與所通過列車的結構形式有關。客車通過時，不僅速度高，且引起的振幅也大。二是說明。我們由以上分析的振動性質知道，安裝在Z形支撐上的轉轍機是受迫振動，且Z形支撐在轉轍機振動時的慣性力的作用下，又產生被動變形（是在彈性變形范圍內的），存在實際最大振幅與車輪作用點有個滯后量的現實，為了簡化分析，在下面的計算中將忽略。

三、實物系統分析

結合Z形支撐梁及安裝在上面的轉轍機系統（包括：道岔機構、鋼軌、軌枕、Z形支撐、轉轍機、動作機構及信號機構等——以下同）。（1）分析計算對象的基本情況。該系統共有2個對稱的Z形支撐板，其中每側（單個）的Z形支撐的實物尺寸為長1200毫米，寬260毫米，厚16毫米。但是從現場實物能清楚地看出，該Z形支撐的左端與鋼軌枕屬于牢固連接，其危險截面位于側筋板最薄弱處，而此處到最右端的尺寸為700毫米。由于該Z形支撐的右側700毫米段完成可以簡化成懸臂梁，其中Z形支撐的懸臂部分的質量m2=23公斤，作用在單側Z形支撐板上的質量m1=50公斤（轉轍機總重量的1/2）。（2）該系統（單側）的各項主要參數的計算及說明：一是慣性矩。Z形支撐板截面的慣性矩= 8.87cm4。二是影響。在轉轍機重量m1的單獨作用下，該Z形支撐板B端的自然撓度變形fa=3.153mm。這個撓度變形在安裝調試轉轍機后相對于整個系統而言處于平衡狀態，靜止或勻速運動（上下平動、平移）情況下不會對系統的正常工作產生影響。（3）加速度。對于客車而言，前面已經得出按126公里/小時的速度所對應的激振頻率=4.1Hz，若按20毫米的最大起伏條件計算得出B端的運動加速度為：a=ω2·δ=（4.1×6.28）2×20×10-3=13.26m/s2（比重力加速度g略高）。（4）慣性力。加速度a在B端產生的慣性力為：F=m1·a=50×13.26= 66Kg.（5）變形量。客車以126公里/小時的速度通過時，在66公斤的慣性力作用下，B端會產生新的撓度變形，變形量f加=4.23mm。若列車速度再提高，該數值將大幅度地增加（當混編貨車以200時速通過時產生的慣性力達475公斤，那么變形量≈31mm）。（6）說明。當轉轍機整個系統隨鋼軌枕同步地上下起伏動作時不會對整個系統造成工作異常，這種情況不會導致系統內部機構之間出現相對位移，只是對轉轍機結構的可靠性提出相應的設計要求（轉轍機的結構設計應該是具有一定抗震能力的）。但是，若是由于Z形支撐的剛度不夠，在出現上下振動時產生的慣性力會造成B端繞A點產生擺動，這種情況將導致系統內部機構之間出現相對位移，這樣就會對系統的穩定工作構成威脅（如，引起轉轍機內部測試桿位置的變化，使信號輸出異常等），應該加以控制。（7）圓頻率計算。單側Z形支撐（包括轉轍機）的系統固有圓頻率為：ω=■=48.4rad/s；f=■=7.7Hz。以上結果也證明，按126公里/小時的速度運行的客車所產生的激振頻率在1.9Hz～4.1Hz之間，確實不在系統的固有頻率7.7Hz的共振頻率范圍之內，所以沒有共振發生。

四、解決方案

在鋼軌枕與鐵路基之間的起伏差值不能消除的情況下，解決本系統的實際振動問題（包括轉轍機系統隨鋼軌枕上下勻速平動、平移與簡單減振彈簧之間的矛盾），建議采取以下幾項措施。（1）比較。國外轉轍機一般安裝在兩條鋼軌的中間，這樣就沒有如我國安裝在一端形成懸臂梁的弊病。當然，我國早期的國產轉轍機的支撐也有采用整體角鋼的安裝形式，其特點是結構簡單，整體剛性好。（2）改進措施。對本案例中的Z形支撐板的改進措施。由于側筋板原來的設計不合理，造成其結構的整體剛度低。當側筋板的高度尺寸=100毫米，厚度尺寸=16毫米時，截面的慣性矩I=133cm4。這樣，即使在200公里的時速產生的強烈振動條件下，使作用在B端的慣性力達到475公斤時，所產生的變形撓度也只有2mm。這是一個成本低、可靠而且能完全適應不同列車通過速度（包括列車停在道岔處的情況）的解決方案。

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