鐵路轉(zhuǎn)轍機(jī)震動(dòng)情況的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)分析

【摘要】目前國(guó)內(nèi)不少鐵路安裝有進(jìn)口的轉(zhuǎn)轍機(jī)，其性能穩(wěn)定、工作可靠是最大的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)安裝路基的條件要求比較嚴(yán)格，否則將嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)行的安全。本文就鐵路提速后轉(zhuǎn)轍機(jī)工作環(huán)境震動(dòng)的產(chǎn)生、特性進(jìn)行了實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析計(jì)算，并提出完善意見(jiàn)。

【關(guān)鍵詞】鐵路震動(dòng)分析；現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路提速已經(jīng)進(jìn)行過(guò)多次，為了使提速后的鐵路轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)行更安全、可靠，我們對(duì)目前國(guó)內(nèi)鐵路普遍存在的轉(zhuǎn)轍機(jī)隨鋼軌枕起伏而引起的鐵路信號(hào)異常的潛在問(wèn)題，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、分析及計(jì)算等環(huán)節(jié)的工作。但是由于時(shí)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(diǎn)供參考，不妥之處敬請(qǐng)指正。

一、震動(dòng)分析

業(yè)內(nèi)人士周知，在列車通過(guò)鐵路時(shí)鋼軌枕與路基之間在規(guī)定范圍內(nèi)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(shí)會(huì)出現(xiàn)超過(guò)此值的現(xiàn)象（現(xiàn)實(shí)中最大達(dá)20毫米），結(jié)果之一是直接導(dǎo)致與鋼軌枕相連的轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作異常，輕則出現(xiàn)信號(hào)異常，重則導(dǎo)致列車顛覆。與本實(shí)例相關(guān)的振動(dòng)起因主要有受迫振動(dòng)（包括沖擊振動(dòng)）、共振及自激振動(dòng)等。從現(xiàn)場(chǎng)錄象分析看，共振的效果不明顯。從轉(zhuǎn)轍機(jī)工作原理等方面看自激振動(dòng)的條件不具備。由于列車通過(guò)的過(guò)程是連續(xù)的，因此沖擊振動(dòng)也不占主導(dǎo)地位（沖擊振動(dòng)主要發(fā)生在鋼軌接縫處，對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的影響不大），所以分析認(rèn)為就安裝在Z形支撐板上的轉(zhuǎn)轍機(jī)呈現(xiàn)的振動(dòng)而言，受迫振動(dòng)是主要因素。按振動(dòng)隨時(shí)間的變化規(guī)律論，本例也不是標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。鋼軌枕受迫振動(dòng)的基本過(guò)程是，承載著全部車體重量的運(yùn)動(dòng)車輪經(jīng)過(guò)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)處的鋼軌產(chǎn)生的正壓力使得鋼軌及鋼軌枕產(chǎn)生向下的運(yùn)動(dòng)，車輪過(guò)后，鋼軌及鋼軌枕等在恢復(fù)力的作用下又向上運(yùn)動(dòng)，整列車按一定的速度通過(guò)時(shí)，節(jié)拍形成了，受迫振動(dòng)產(chǎn)生了。

以我國(guó)客車總數(shù)中，數(shù)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(zhǎng)=25500毫米，車輛全長(zhǎng)=26576毫米，自重=42.6噸，定員=118人（帶車長(zhǎng)席的為112人），最高運(yùn)行速度=160公里/小時(shí)），依據(jù)列車基本結(jié)構(gòu)條件，當(dāng)客車以126公里/小時(shí)的速度（實(shí)測(cè)數(shù)值）通過(guò)時(shí)，計(jì)算得出的各參數(shù)（周期和頻率）數(shù)值為：

二、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的基本情況及分析

（1）現(xiàn)狀。轉(zhuǎn)轍機(jī)與鋼軌枕的連接是通過(guò)一對(duì)Z形的鋼板支撐著的。（2）測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)主要采集的是鋼軌枕和轉(zhuǎn)轍機(jī)主支撐（即，Z形支撐）的振幅。其中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)不同的列車類型所引起的震動(dòng)幅度和頻率均不同。（3）數(shù)據(jù)分析。一是激振頻率。主要與所通過(guò)列車的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。客車通過(guò)時(shí)，不僅速度高，且引起的振幅也大。二是說(shuō)明。我們由以上分析的振動(dòng)性質(zhì)知道，安裝在Z形支撐上的轉(zhuǎn)轍機(jī)是受迫振動(dòng)，且Z形支撐在轉(zhuǎn)轍機(jī)振動(dòng)時(shí)的慣性力的作用下，又產(chǎn)生被動(dòng)變形（是在彈性變形范圍內(nèi)的），存在實(shí)際最大振幅與車輪作用點(diǎn)有個(gè)滯后量的現(xiàn)實(shí)，為了簡(jiǎn)化分析，在下面的計(jì)算中將忽略。

三、實(shí)物系統(tǒng)分析

結(jié)合Z形支撐梁及安裝在上面的轉(zhuǎn)轍機(jī)系統(tǒng)（包括：道岔機(jī)構(gòu)、鋼軌、軌枕、Z形支撐、轉(zhuǎn)轍機(jī)、動(dòng)作機(jī)構(gòu)及信號(hào)機(jī)構(gòu)等——以下同）。（1）分析計(jì)算對(duì)象的基本情況。該系統(tǒng)共有2個(gè)對(duì)稱的Z形支撐板，其中每側(cè)（單個(gè)）的Z形支撐的實(shí)物尺寸為長(zhǎng)1200毫米，寬260毫米，厚16毫米。但是從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(xiǎn)截面位于側(cè)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(cè)700毫米段完成可以簡(jiǎn)化成懸臂梁，其中Z形支撐的懸臂部分的質(zhì)量m2=23公斤，作用在單側(cè)Z形支撐板上的質(zhì)量m1=50公斤（轉(zhuǎn)轍機(jī)總重量的1/2）。（2）該系統(tǒng)（單側(cè)）的各項(xiàng)主要參數(shù)的計(jì)算及說(shuō)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(zhuǎn)轍機(jī)重量m1的單獨(dú)作用下，該Z形支撐板B端的自然撓度變形fa=3.153mm。這個(gè)撓度變形在安裝調(diào)試轉(zhuǎn)轍機(jī)后相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言處于平衡狀態(tài)，靜止或勻速運(yùn)動(dòng)（上下平動(dòng)、平移）情況下不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生影響。（3）加速度。對(duì)于客車而言，前面已經(jīng)得出按126公里/小時(shí)的速度所對(duì)應(yīng)的激振頻率=4.1Hz，若按20毫米的最大起伏條件計(jì)算得出B端的運(yùn)動(dòng)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(chǎn)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(shí)的速度通過(guò)時(shí)，在66公斤的慣性力作用下，B端會(huì)產(chǎn)生新的撓度變形，變形量f加=4.23mm。若列車速度再提高，該數(shù)值將大幅度地增加（當(dāng)混編貨車以200時(shí)速通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的慣性力達(dá)475公斤，那么變形量≈31mm）。（6）說(shuō)明。當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)整個(gè)系統(tǒng)隨鋼軌枕同步地上下起伏動(dòng)作時(shí)不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成工作異常，這種情況不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)構(gòu)之間出現(xiàn)相對(duì)位移，只是對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)結(jié)構(gòu)的可靠性提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求（轉(zhuǎn)轍機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)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(xiàn)上下振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力會(huì)造成B端繞A點(diǎn)產(chǎn)生擺動(dòng)，這種情況將導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)構(gòu)之間出現(xiàn)相對(duì)位移，這樣就會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作構(gòu)成威脅（如，引起轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部測(cè)試桿位置的變化，使信號(hào)輸出異常等），應(yīng)該加以控制。（7）圓頻率計(jì)算。單側(cè)Z形支撐（包括轉(zhuǎn)轍機(jī)）的系統(tǒng)固有圓頻率為：ω=■=48.4rad/s；f=■=7.7Hz。以上結(jié)果也證明，按126公里/小時(shí)的速度運(yùn)行的客車所產(chǎn)生的激振頻率在1.9Hz～4.1Hz之間，確實(shí)不在系統(tǒng)的固有頻率7.7Hz的共振頻率范圍之內(nèi)，所以沒(méi)有共振發(fā)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(tǒng)的實(shí)際振動(dòng)問(wèn)題（包括轉(zhuǎn)轍機(jī)系統(tǒng)隨鋼軌枕上下勻速平動(dòng)、平移與簡(jiǎn)單減振彈簧之間的矛盾），建議采取以下幾項(xiàng)措施。（1）比較。國(guó)外轉(zhuǎn)轍機(jī)一般安裝在兩條鋼軌的中間，這樣就沒(méi)有如我國(guó)安裝在一端形成懸臂梁的弊病。當(dāng)然，我國(guó)早期的國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的支撐也有采用整體角鋼的安裝形式，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體剛性好。（2）改進(jìn)措施。對(duì)本案例中的Z形支撐板的改進(jìn)措施。由于側(cè)筋板原來(lái)的設(shè)計(jì)不合理，造成其結(jié)構(gòu)的整體剛度低。當(dāng)側(cè)筋板的高度尺寸=100毫米，厚度尺寸=16毫米時(shí)，截面的慣性矩I=133cm4。這樣，即使在200公里的時(shí)速產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)條件下，使作用在B端的慣性力達(dá)到475公斤時(shí)，所產(chǎn)生的變形撓度也只有2mm。這是一個(gè)成本低、可靠而且能完全適應(yīng)不同列車通過(guò)速度（包括列車停在道岔處的情況）的解決方案。

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