普速道岔動力學響應測試研究

方智超,丁軍君,趙冠闖,王軍平,蔣 俊

(1.西南交通大學機械工程學院,成都 610031； 2.中鐵物軌道科技服務集團有限公司,北京 100036)

引言

道岔是鐵路線路中引導列車換線運行的關鍵部件，起著連接兩股軌道、跨越交叉線路的作用，與區間線路相比岔區結構更復雜，由尖軌、心軌、翼軌和護軌等部件組成[1-4]。由于岔區存在多股鋼軌并且尖軌和心軌存在變截面特性，列車在直、側向過岔時，車輪踏面與鋼軌接觸點間存在兩點、三點接觸，輪軌間伴隨著明顯的沖擊和振動，嚴重威脅列車行車安全，因此，車輛過岔時的安全性、穩定性研究顯得尤為重要[5-8]。輪軌作用力和振動加速度是反映車輛過岔狀態的重要參數，理論方法對于該參數的求解具有一定的局限性，通過現場進行實際測試能夠獲得較為準確的數值[9]。

何華武以系統集成設計方法建立了250 km/h客運專線18號道岔多種設計理論體系，通過對所研制道岔的試鋪和動測試驗，驗證了該道岔設計理論體系的科學性及道岔結構設計的合理性[10]。在該試驗過程中，由于轉轍器區輪軌作用力測點布置在轉轍器跟端附近地面，使得力的傳遞路徑變長，對測試結果產生影響。王平等利用激光位移傳感器和數字數據采集系統開發了輪對橫向位移測試系統，在合寧線上對引進的法國道岔進行了岔區輪對橫移測試，驗證了測試系統的可靠性[11]。在該試驗過程中，由于激光位移傳感器支座布置在軌枕上，列車通過時軌枕處的振動會對測試結果產生干擾。錢坤等對朔黃鐵路一組75 kg/m鋼軌12號單開道岔進行了輪軌力和振動加速度動態測試，以評估開行重載提速列車對道岔安全性的影響[12]。王樹國等結合地面和車載測試方法，分別對18號、42號和62號道岔開展了動力學試驗研究[13-15]，并對高速道岔關鍵技術(如岔區軌道剛度合理取值及均勻化技術、尖軌降低值優化技術、轉轍器運動學軌距優化技術、側線線型設計技術)對動車組高速直、側向過岔平穩性的影響進行了試驗研究[16]。XIN建立轍叉區輪對-道岔耦合模型并分析了車輛過岔時輪對與叉心的動力學響應，最后通過ESAH-M試驗裝置對仿真結果進行驗證，證明了模型的合理性[17]。

1 普速道岔動力學試驗

1.1 線路概況

試驗選取渝懷鐵路白濤站附近一組普速12號單開有砟道岔，如圖1所示。該線路為客、貨共運線，列車直、側向過岔時出現輪軌異常振動和晃車。試驗場地開闊，無明顯干擾源，便于布置設備儀器。

圖1 試驗地點12號單開有砟道岔

1.2 試驗方法

試驗主要測試元件有電阻式應變片、加速度傳感器，測試內容包括輪軌作用力和振動加速度，設置采樣頻率為1 000 Hz。考慮岔區尖軌和叉心部位特殊要求，測點布置如圖2所示，分別于轉轍器區、導曲線部分、轍叉區鋼軌軌底和軌腰位置布置應變片和加速度傳感器，其中，在輪軌力測試的8個測點中，1、2號測點位于尖軌前端6號和7號岔枕之間，7、8號測點對應叉心處56號和57號岔枕中間位置；振動加速度測試的9個測點中，9、10號測點位于尖軌底面，17號測點位于心軌底面。輪軌作用力采用地面測試方法中的剪力法測量[18]，該方法依據鋼軌任意斷面處剪力代數與輪載成正比的原理，通過圖3所示現場標定測得應力-應變擬合方程F=kε+b，其中F為應力，k為比例系數，ε為應變，b為常數項，最后反演出輪軌作用力。

圖2 道岔動力學試驗測試傳感器位置布置

圖3 輪軌作用力現場標定

1.3 數據分析處理方法

試驗數據分析處理流程如圖4所示，主要采用時頻分析方法。其中，鋼軌形變信號經0.4～40 Hz帶通濾波處理后輸出時域信號，代入應力-應變擬合方程求解輪軌作用力；振動加速度信號經0～500 Hz帶通濾波處理后輸出時域信號，運用快速傅里葉變換(FFT)將時域信號轉換成頻域信號并進行頻譜分析[19-20]。 實際測試時，應變片組成全橋經應變信號輸入線接入動態信號測試分析儀，加速度傳感器經BNC信號轉接頭接入動態信號測試分析儀，最后經計算機數據采集系統采集數據并生成信號文件。

圖4 信號采集分析系統

2 測試結果分析

由于試驗布置的輪軌力和振動加速度測點較多，限于篇幅，只對列車直、側向過岔時的關鍵測點位置采集數據進行分析。選取電力牽引機車為SS9型的客運列車前4節車體直向過岔和HXD3型電力機車側向過岔采集數據，列車直向過岔時選取測點2、7、10、17采集數據分析；側向過岔時選取測點1、8、9、17采集數據進行分析。其中客運列車運行速度為96 km/h，機車運行速度為39 km/h。

2.1 輪軌作用力

客運列車直向過岔時輪軌力采集波形如圖5所示。由圖5可知，機車部分通過道岔區域的輪軌作用力明顯大于其他車體，這是由于機車部分除走行部外還承載著機械、電機設備和電子電器裝置，輪軌垂向力和橫向力較客車車體增長約37%和50%。其中通過轉轍器區和轍叉區時，輪軌橫向力最大值近似，約為60 kN；輪軌垂向力最大值出現在轍叉區，約為150 kN，轉轍器區輪軌垂向力最大值約為130 kN。

圖5 客運列車直向過岔輪軌力時程曲線

試驗測得單節機車側向過岔輪軌力采集波形如圖6所示，機車側向通過轉轍器區時輪軌橫向力最大值約為70 kN，垂向力最大值約為110 kN；轍叉區輪軌橫向力最大值約為55 kN，垂向力最大值約為130 kN。

圖6 單節機車側向過岔輪軌力時程曲線

測試結果表明，列車直、側向過岔時，垂向力峰值均出現在轍叉區，橫向力峰值出現在列車側向過岔時的轉轍器區。機車側向過岔時，由于低速運行，輪軌垂向力較直向過岔降低約20%，輪軌橫向力變化不明顯，但整體有所降低。不同位置處脫軌系數極值如圖7所示，最大值均出現在轉轍器區，且在安全限值以內。

圖7 不同位置處脫軌系數

2.2 振動加速度

客運列車直向過岔時振動加速度采集波形如圖8所示，列車通過尖軌和叉心區域時伴隨著明顯的瞬態沖擊，尖軌處最大橫向加速度達到200 m/s2，最大垂向加速度達到400 m/s2；叉心處最大橫向加速度約為180 m/s2，最大垂向加速度約為400 m/s2。軌枕處由于鋼軌扣壓件和道床的減振作用，測得的垂向加速度峰值約為40 m/s2。

圖8 客運列車直向過岔加速度時程曲線

對采集到的振動加速度時程響應數據進行傅里葉變換，得到列車直向過岔時的振動加速度頻譜如圖9所示。

圖9 列車直向過岔加速度頻譜

頻譜分析表明，列車直向過岔時，尖軌和心軌處加速度測點由200 Hz及300 Hz附近的頻率成分主導。尖軌垂向和心軌垂向處主頻為295 Hz，尖軌橫向和心軌橫向處振動加速度出現多個單峰值，集中在200，225，300 Hz附近，且振幅相近。這表明列車直向過岔時，尖軌和心軌處承受的垂向振動能量較為集中，橫向振動能量較為分散。

試驗測得單節機車側向過岔時振動加速度采集波形如圖10所示，機車低速通過時，在尖軌和叉心區域仍會產生瞬態沖擊，此時加速度峰值較列車直向過岔時大幅度降低。測得尖軌處最大橫向加速度約為60 m/s2，最大垂向加速度約為150 m/s2；叉心位置橫向加速度最大值約為50 m/s2，垂向加速度最大值約為90 m/s2。導曲線部分由于鋼軌廓形不存在截面形狀的較大突變，列車通過時基本無瞬態沖擊現象，測得輪軌橫向和垂向振動加速度峰值相近，約為30 m/s2。

圖10 單節機車側向過岔加速度時程曲線

對采集到的振動加速度時程響應數據進行傅里葉變換，得到機車側向過岔時的振動加速度頻譜如圖11所示。

圖11 單節機車側向過岔加速度頻譜

頻譜分析表明，單節機車側向過岔時，尖軌處振動加速度出現多個峰值，主頻不明顯，垂向振動加速度主要集中在290，360，480 Hz附近，橫向振動加速度主要集中在130，170，380 Hz附近，振動能量較為分散，且橫向振動加速度主頻幅值普遍大于垂向振動加速度；心軌處振動加速度主頻主要集中在450～500 Hz內，屬于高頻振動。

測試結果表明，列車直、側向通過道岔區域時，橫向加速度峰值均出現在尖軌處。直向過岔時垂向加速度峰值在尖軌和叉心區域相近，尖軌和心軌處承受的垂向振動集中于主頻295 Hz處，橫向振動能量較分散；側向過岔時垂向加速度極值出現在尖軌位置，尖軌處振動能量在頻域內分布較分散，心軌處振動加速度主頻較直向過岔更為集中，主要分布在450～500 Hz高頻段。此外，列車高速通過時，岔區鋼軌振動明顯，每周期內存在多點瞬態沖擊，低速通過時，鋼軌瞬態沖擊數目、振動加速度峰值和不同頻段振動加速度幅值顯著降低。

3 結論

(1)由于尖軌和叉心部位明顯的軌道結構不平順特征，列車機車部分通過該區域時，會產生輪軌作用力和振動加速度峰值，且隨著運行速度的增加而增大。

(2)列車直向過岔時，輪軌垂向力較橫向力變化明顯，輪軌垂向力峰值達到150 kN，橫向力峰值約為60 kN；列車側向過岔通過轉轍器區和轍叉區時，輪軌橫向力略有降低，垂向力峰值出現在轍叉區，約為130 kN。脫軌系數呈現先降低后升高的趨勢，但峰值均出現在轉轍器區，且在安全限值之內。

(3)列車過岔速度對振動加速度影響顯著，高速通過時最大垂向振動加速度為400 m/s2，低速時為150 m/s2，下降幅度達到60%。在頻域分析中，列車直向過岔時垂向振動加速度主頻集中在295 Hz，振動能量較橫向更為集中。側向過岔時尖軌處出現多個單峰值，振動能量在頻域內分布分散，心軌處振動加速度主頻主要集中在450～500 Hz內。