軌道結構病害對車輛軌道耦合動力學的影響

張志軍 中交鐵道設計研究總院有限公司

開通高速鐵路能夠促進相對應區位發生相應變革，也在一定程度上影響了區域的產業結構、產業聚集，對相關區域的布局、空間發展都產生了重要影響。相比于其他交通運輸方式，高速鐵路有較高的時效性，且受天氣因素影響較小。但另一方面，高速列車與軌道系統之間的問題更加復雜、突出。

一、車輛軌道耦合模型

通常情況下，在對車輛軌道缺陷下動力學進行研究的基礎上，需要促進軌道和車輛基礎動力學模型構建。大量研究人員分析了車輛與軌道之間的相互作用，最具廣泛力的為車輛軌道耦合動力，該理論體系能夠實現對軌道車輛獨立系統的有效銜接，并基于復雜軌下結構進行相應簡化，從而保證理論能夠應用于不同研究之中。在鐵路系統動力學分析的不同方面，車輛-軌道耦合動力學理論有著十分廣泛的應用。為了有效降低軌道局部傷損情況，需要構建合理的動力學分析模型。實際上，傳統車輛動力學理論比較成熟，借助不同商用軟件能夠構建不同車輛模型，且并不斷細化和完善分析、后期處理工作。但另一方面，上述模型未對參振機制充分考慮，且對軌道局部傷損未給予綜合考慮。

車體、輪對以及構架是高速動車組車輛體系中比較重要的組成部分。其中，借助軸箱子系統以及鋼彈簧能夠連接輪對和構架，且鋼彈簧與軸向定位節點能夠提供輪對縱向、橫向以及垂向剛度，同時結合構架結構不同，垂向減震器安裝也有所不同，一般都安裝早軸箱尾端以及構架端部。空氣彈簧能夠實現構架與車體的垂向、縱向和橫向剛度，在此基礎上空氣彈簧也能夠看作二系減震設備，為車體提供橫向、垂向阻尼，附加的橫向阻尼一般是由本車體、橫向減震器以及與構架提供，而且所采用的抗蛇形減震器能夠為其提供縱向阻尼。橫向止檔、抗側滾扭桿的扭轉、止檔剛度也能夠被車體以及轉向架提供。

二、軌道結構病害

從宏觀幾何角度進行分析發現，軌道結構狀態反映形式之一即是軌道不平順，也能夠體現軌道結構綜合性能。同時軌道交通系統中，由于各方面因素的影響，不可避免的會出現軌道不平順的現象，其主要是由于軌道結構、機車車輛出現疲勞破壞、振動以及穩定性降低的主要因素。在高速情況下，上述問題反應更加明顯。確定性不平順以及隨機不平順是軌道不平順的主要分類，其中隨機不平順一般是指軌道生產、安裝、運輸以及施工等因素導致軌道最初階段出現幾何不平順的情況。確定性不平順也是隨機出現，但波形很容易對車輛產生激勵，能夠借助數學表達式描述。不同于隨機不平順，確定性不平順只針對特定位置。在軌道與車輛研究過程中，要重點評估整體軌道的優劣，其能夠基于線路隨機不平順，且會對車輛運行的穩定性以及舒適性造成影響。線路局部位置常見的異常是軌道病害，雖然有較小的范圍，但車輛通過會對車輛安全性、平穩性造成影響，基于病害波長不同，能夠將軌道病害分為短波、中波以及長波軌道病害。對高速鐵路無砟軌道而言，短波軌道病害具體包括剝離、焊縫凹凸不平順、擦傷、波浪形磨耗等情況，上述病害會將附加沖擊作用力應用到車輛輪中。在反復沖擊后，導致鋼軌損壞、破壞的情況，針對錯誤的情況，相關工作人員需要盡早處理。軌道板離縫、扣件失效等情況導致線路三角坑。在長波軌道中，軌道不均勻沉降、路橋過渡段剛度不平順等是比較常見的病害類型。使得路基非均勻沉降的勻速相對較多，且比較復雜，比較常見因素與路段地基土質之間有十分密切的關系。路基非均勻沉降將會有可能導致線路出現幾何變形情況，甚至會導致線路不能對同行條件滿足，使得線路的經濟效益、運能欠缺。

線路上常見的一個問題即是軌道隨機不平順，沿線路方向變化規則不固定，波形變化情況也相對復雜，波長、幅值以及相位簡諧波疊加形成波形，在線路運行時間發生改變，因此其本質上屬于一種隨機過程，不能用數學表達式給予準確表達。在描述軌道隨機不平順時，一般應用隨機過程相關理論，如概率密度函數、功率譜密度等，綜合描述幅值、空間波長域等，來構架軌道不平順功率譜密度函數。基于對軌道隨機不平順數據進行分析發現，軌道不平順功率譜密度函數因此形成，借助譜估計方法以及曲線擬合方法可以了解和掌握頻率功率譜密度的關系，能夠對線路宏觀幾何狀態表征，指導軌道養護維修工作。

三、車輛相應與軌道缺陷之間的關系

借助耦合理論對車輛模型、軌道缺陷模型和軌道模型構建，能夠對任何時段對任意車輛軌道相應情況模擬，有效拓展耦合理論應用空間。在實際應用過程中，車輛響應數據能夠作為位置或時間為自變量，其性質為非周期一維信號。就信號層面看，一個信號能夠將一定信息包含其中，但上述信息會有不同干擾，因此借助相關方法能夠明確干擾信號中的需求信息。短波、中波以及長波軌道病害是軌道病害的主要類型，二系、一系懸掛存在車體、構架以及輪對，借助簡單分析，能夠明確軌道病害出現激擾會由于減震過濾效果，導致車輛不同部分出現差異。借助對比分析，可以明確波長軌道病害導致的車輛相應主體也存在差異。中波軌道的病害則處于上述兩種中間，主要是對構架加速度響應造成影響。導致上述差異主要因素包括：其一，是不同波長軌道病害導致車輛頻率成本增加，與相應波長特征相符合。其二，一系、二系懸掛的阻尼特征會對大部分中高頻、高頻成分相應能量耗散，從而使得病害影響增大，影響列車的正常運行。

四、總結

綜上所述，軌道結構病害對車輛軌道耦合動力學有著十分突出的影響。就實際情況看，相關工作人員需要加強相應研究，促進理論在實踐中的具體應用。針對分析、應用過程中存在的不足，相關工作人員還需要加強相應的研究，以期促進軌道列車正常運行。