試驗用軌道的平順性檢測與分析

祝向陽，周文祥，孔振文，何 勇

（1.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610036；2.西南交通大學(xué)高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 611756）

0 引言

高速列車運行模擬實驗臺位于西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，用于進(jìn)行高速列車運動模型的氣動力學(xué)等實驗，對我國高鐵技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和助力交通強(qiáng)國戰(zhàn)略實施具有重要意義［1-3］。試驗臺由約 143 m 小鋼軌、1∶10 的鋁合金模型車、電磁驅(qū)動系統(tǒng)、制動回收系統(tǒng)等組成。模型車需要在 50 m 范圍加速到 110 m/s，制停距離不大于 40 m，模型車的速度很快，要求軌道安裝幾何尺寸達(dá)到較高精度。

模擬試驗臺設(shè)東、西線雙線，東線后來改成磁軌。西線軌道采用 8 kg/m 最小號鋼軌，5 m 長一段，拼接為總長約 143 m 的直線軌道，軌距設(shè)計值為 144 mm。模擬試驗臺的鋼軌位置分布如圖 1 所示，其中Y軸指向西側(cè)，X軸指向北側(cè)，Z軸垂直于xOy平面向上。軌道線路在實際鋪設(shè)過程中，其鋼軌的空間幾何位置難免相對其設(shè)計位置產(chǎn)生偏差，稱為不平順。

圖1 鋼軌位置分布圖

鐵路提速發(fā)展至今已近 200年，各國對提高列車運行速度都進(jìn)行了理論和試驗研究，發(fā)現(xiàn)在鐵路線路方面，軌道的平順性是限制列車運行速度的主要因素之一，所引起的輪軌作用力及列車振動，會隨著車速的提高而急劇增加，嚴(yán)重時導(dǎo)致列車脫軌，因此高速鐵路對不平順幅值的要求極為嚴(yán)格［4，5］，各個鐵路發(fā)達(dá)國家都有自己的軌道幾何質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)，積累了豐富的經(jīng)驗。為此本文將干線鐵路軌道不平順的相關(guān)理論及技術(shù)用于評價試驗臺線路。

1 軌道平順性檢測

試驗臺鋼軌安裝在直線電機(jī)平臺之上，前期張曉陽等［6］對安裝電機(jī)的 T 型槽導(dǎo)軌進(jìn)行了調(diào)整。本文在此基礎(chǔ)之上，對西線安裝好的鋼軌平順性進(jìn)行檢測，采用游標(biāo)卡尺及全站測量儀［7］對鋼軌進(jìn)行全面測量；此外通過測量模型車的橫向加速度和垂向加速度也能夠反映出小鋼軌安裝質(zhì)量，在對超差區(qū)段進(jìn)行調(diào)整前采用激光準(zhǔn)直儀對過大的局部不平順進(jìn)行復(fù)核。

1.1 軌道不平順的概念

軌道的幾何形狀、基本尺寸和空間位置相對其設(shè)計的理想位置的偏差稱為軌道的不平順。軌道不平順的分類方式有好幾種，其中按照位置的方位可分為 4 類（見圖 2）。

圖2 軌道常見不平順

高低不平順：指軌道沿鋼軌長度方向，軌道中心線在豎直平面內(nèi)與水平線的凹凸不平，可以表示如式（1）所示。

水平不平順：指軌道各個橫截面上左右兩軌頂面高差的波動變化，是左右兩根鋼軌頂面的相對高度誤差，可以表示如式（2）所示。

式（1）、（2）中，ZL、ZR分別為左右兩股鋼軌的垂向坐標(biāo)，mm。

軌向不平順：指軌道內(nèi)側(cè)面沿鋼軌長度方向的橫向不平順，可以表示如式（3）所示。

軌距不平順：指左右鋼軌之間的軌距沿著軌道長度方向的變化，可以表示如式（4）所示。

式（3）、（4）中，yL、yR分別為左右鋼軌的橫向坐標(biāo)；g0為名義軌距，mm。

此外，在垂向還有扭曲不平順即三角坑，是指左右兩軌頂面相對于軌道平面的扭曲，用相隔一定距離（軸距或心盤距）的兩個橫截面水平幅值的代數(shù)差度量［9］。

1.2 軌道不平順的檢測

通常采用均方值、方差或標(biāo)準(zhǔn)差來描述軌道不平順的幅值特性，它們能夠反映某段軌道的質(zhì)量狀態(tài)，TQI 是左右軌向、左右高低、軌距、水平以及三角坑軌道幾何不平順幅值的標(biāo)準(zhǔn)差之和，軌道質(zhì)量指數(shù) TQI 能夠反映軌道平順性綜合質(zhì)量狀態(tài)［10，11］。本文檢測內(nèi)容主要包括：鋼軌平面直線線型（軌道直線度）、豎面線型（軌道平整度）及軌距的測量與分析；同時在安裝平臺上標(biāo)記了測點的位置及其編號，表 1 所示為軌道不平順質(zhì)量指數(shù) TQI 管理標(biāo)準(zhǔn)。

表1 250～350 km/h 線路軌道質(zhì)量指數(shù)管理值［12］

根據(jù) 200 m 區(qū)段軌道不平順質(zhì)量指數(shù) TQI 管理標(biāo)準(zhǔn)（見表 1），時速 250～350 km/h 的 TQI 值為 5.0；測得的試驗臺鋼軌坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過計算可得鋼軌的各不平順結(jié)果，如表 2 所示。

表2 模擬試驗臺鋼軌 TQI 計算值

表 2 中 TQI 值為 8.9 超過標(biāo)準(zhǔn)值 5.0，可見鋼軌的平順性較差，主要表現(xiàn)在軌向及高低平順狀態(tài)不理想，故必須進(jìn)行調(diào)整。

2 軌道不平順分析及調(diào)整

2.1 軌距不平順分析

表2 中軌距不平順的標(biāo)準(zhǔn)差為 0.4，低于表2 中 0.6，可以看出管道內(nèi)鋼軌的軌距不平順狀態(tài)良好；根據(jù)測得的數(shù)據(jù)通過 Origin 畫出點線圖，服從正態(tài)分布，并依據(jù) 3σ原則可見大部分測點的數(shù)值符合要求（見圖 3），只有個別點仍需要調(diào)整。

圖3 軌距不平順

2.2 水平不平順分析

表2 中水平不平順的標(biāo)準(zhǔn)差的值為 0.4 低于表1 中的 0.7，可以看出管道內(nèi)鋼軌的水平不平順狀態(tài)良好；對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，服從正態(tài)分布，畫出點線圖后根據(jù) 3σ原則發(fā)現(xiàn)測點的數(shù)值滿足要求（見圖 4），但對于偏差較大的少數(shù)點需要調(diào)整。

圖4 水平不平順

2.3 高低不平順分析

從表 2 高低不平順的標(biāo)準(zhǔn)差，可看出鋼軌左高低比右高低好，測得的數(shù)據(jù)通過 Origin 畫出左高低和右高低點線圖，整體服從正態(tài)分布，根據(jù) 3σ原則，從曲線中可以看出左軌測點的數(shù)值基本上為［0.424，0.430］，右軌測點的數(shù)值個別需要調(diào)整（見圖 5）。

圖 5 高低不平順

2.4 軌向不平順分析

從表 2 中軌向不平順的標(biāo)準(zhǔn)差可以看出試驗臺鋼軌的軌向平順狀態(tài)不理想，右軌向比左軌向較差，對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如圖 6 所示；需要對鋼軌的軌向平順狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

圖6 軌向不平順

2.5 軌道不平順調(diào)整

通過以上對試驗臺鋼軌的平順性分析，可以發(fā)現(xiàn)鋼軌的水平及軌距平順性良好，高低及軌向需要調(diào)整；本文采用小型打磨機(jī)對鋼軌進(jìn)行打磨，根據(jù)鋼軌打磨驗收標(biāo)準(zhǔn)及鋼軌打磨策略對高速試驗臺鋼軌進(jìn)行打磨［13-15］，先整體打磨，再根據(jù)標(biāo)記有問題的測點進(jìn)行適量打磨，同時調(diào)整墊片、螺栓等，使打磨、調(diào)整后的鋼軌平順性基本滿足試驗要求。

3 鋼軌調(diào)整后平順性評價

從車輛系統(tǒng)動力學(xué)的角度，軌道不平順是車輛系統(tǒng)振動的最主要激擾因素；其中高低和水平不平順主要影響車輛垂向振動加速度及垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、舒適度指標(biāo)，軌距和軌向不平順主要影響車輛的橫向動力學(xué)性能［16，17］。通過測量鋁合金模型車在運行中的橫向加速度和垂向加速度對調(diào)整后的鋼軌平順性進(jìn)行評價。

本文采用鐵道車輛舒適度測試儀和手持 GPS 的方式，取得模型車的橫向、垂向加速度，分析處理后畫出加速度曲線（見圖 7、8），與車輛舒適度指標(biāo)比較，評價調(diào)整后鋼軌的平順狀態(tài)。

圖7 車體橫向加速度

圖8 車體垂向加速度

從橫向、垂向加速度圖中可以看出加速度值最大不超過 0.3g，小于 TB/T 3355－2014《軌道幾何狀態(tài)動態(tài)檢測及評定》軌道動態(tài)管理標(biāo)準(zhǔn)中的 I 級指標(biāo)橫向加速度 0.6g和垂向加速度 1g，最大幅值基本出現(xiàn)在用于安裝鋼軌和電機(jī)的基礎(chǔ)平臺接縫處。從以上分析來看，使用軌道砂輪打磨機(jī)對鋼軌打磨及調(diào)整過后，鋼軌的橫向、垂向平順度基本滿足試驗要求，但鋼軌接縫處、平臺接縫處仍存在問題，需要進(jìn)一步調(diào)整，以滿足鋁合金模型車試驗要求。

4 結(jié)語

通過對高速運行模擬試驗臺鋼軌的平順性進(jìn)行檢測、分析與調(diào)整得出以下結(jié)論：

1）采用軌道不平順質(zhì)量管理指數(shù) TQI 和車體橫向、垂向加速度能夠較好地評價軌道平順性。

2）采用小型打磨機(jī)及調(diào)整鋼軌墊片、螺栓的方法能夠改善鋼軌的平順性。

本文對高速運行模擬試驗臺鋼軌的平順性進(jìn)行了檢測及分析，并對鋼軌進(jìn)行了調(diào)整，對后續(xù)模型車的制動試驗的有效、安全進(jìn)行具有重要作用。Q