基于重載貨車動力響應的軌道狀態(tài)檢測裝置技術(shù)研究

袁逸暢 李旭偉 柴雪松 陳憲麥 徐磊 薛峰 徐世峰

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中南大學土木工程學院，長沙 410075；3.中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161000

國外重載鐵路積極推廣基于軌道狀態(tài)的維修模式。狀態(tài)修維修模式采用先進的檢測技術(shù)及設(shè)備，基于基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)的檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析、評估，得出線路維修的決策和方案。目前，國外重載鐵路主要采用軌道綜合檢查車、移動加載車、測試貨車［1-3］、鋼軌探傷車、基于實時軌道狀態(tài)的貨車安全評估技術(shù)等檢測手段及檢測技術(shù)，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)的檢測。測試貨車是一種在營運列車上加裝長期測試設(shè)備的車輛，其作為軌道狀態(tài)的檢測手段之一，因等軸重、檢測周期短，且不會對運營造成干擾，可以隨車進行多項測試（如監(jiān)測懸掛系統(tǒng)變形、側(cè)架加速度等），在國外，如澳大利亞（圖1）、美國（圖2）重載鐵路軌道狀態(tài)修方面得到了較好的應用，但在國內(nèi)尚屬空白。

圖1 澳大利亞測試貨車

圖2 美國TTCI測試貨車（IFC）

國內(nèi)重載鐵路主要有大秦鐵路、瓦日鐵路、浩吉鐵路、朔黃鐵路等，開行重載單元列車及組合列車，車輛以C80系列為主，編組固定，貨物品種單一，運量大而集中，在裝卸地之間循環(huán)往返運行，且車輛空、重狀態(tài)鮮明。在調(diào)研國外測試貨車的基礎(chǔ)上，本文以國內(nèi)C80重載貨車為載體，建立重載貨車-有砟軌道系統(tǒng)耦合分析建模，研究C80貨車不同位置在典型軌道病害下的動力響應，提出測試貨車的技術(shù)方案。

1 建立模型

重載貨車主要由車體、轉(zhuǎn)向架及分布于其中的懸掛元件組成，其走行裝置通常采用三大件式轉(zhuǎn)向架，包括搖枕、側(cè)架和輪對三部分。基于貨車結(jié)構(gòu)和部件受力特點，建立重載貨車-有砟軌道系統(tǒng)耦合分析模型［4］，包括貨車、有砟軌道、輪軌接觸3個子模型。貨車子模型由車體、搖枕、側(cè)架、輪對等11個剛體組成，每輛車共39個自由度。有砟軌道子模型由鋼軌、扣件、混凝土軌枕及道床、路基等部分組成。為充分反映鋼軌-墊層-軌枕-道床-路基系統(tǒng)的功能及其相互作用關(guān)系，將整個軌道系統(tǒng)模擬為三層離散點支承梁模型。輪軌接觸相互作用子模型是重載貨車-有砟軌道系統(tǒng)耦合動力學模型的核心，主要采用輪軌空間動態(tài)耦合模型［4］加以處理。

2 常見軌道病害下動力響應分析

貨車運行速度越高，運載重量越重，運輸密度越大，則輪軌作用力越大，更容易造成鋼軌傷損和軌道幾何形位惡化，使軌道、車輛部件的疲勞傷損加劇，嚴重時影響行車安全。以典型的鋼軌焊縫凹陷、波磨、三角坑3類軌道病害作為激勵輸入，開展重載貨車-有砟軌道系統(tǒng)的動力響應分析。

2.1 焊縫凹陷

焊縫凹陷不平順使焊縫焊接區(qū)鋼軌軌面低于正常鋼軌頂面，焊縫凹陷不平順由兩部分組成，見圖3。可知：焊縫處凹陷程度最為嚴重，長度一般在0.1~0.2 m，幅值為0.1~0.4 mm；焊縫相鄰區(qū)域軌面凹陷曲線較平緩，稱軟著區(qū)，總長度可按1 m考慮，經(jīng)測量其幅值在0.1~0.3 mm。目前對于焊縫不平順一般描述為單一余弦形諧波不平順和疊加短波不平順［5］。

圖3 焊縫不平順特征波形

根據(jù)焊縫凹陷不平順的描述，結(jié)合重載貨車-有砟軌道系統(tǒng)耦合分析模型進行模擬。重載貨車在空載、重載兩種狀態(tài)下經(jīng)過焊縫不平順時的車體垂向加速度、首位輪對受到的鋼軌垂向反力（輪軌垂向力）、鋼軌垂向位移和加速度見圖4。可知，焊縫凹陷不平順引起的重載貨車-有砟軌道系統(tǒng)的動力響應十分顯著，造成軌道結(jié)構(gòu)和車輛部件的沖擊性傷損破壞。

圖4 焊縫凹陷病害下重載貨車-有砟軌道系統(tǒng)動力響應

不同行車速度、不同焊縫凹陷等級下，空載及重載狀態(tài)的重載貨車動力響應見圖5。可知：隨著焊縫凹陷幅值不斷增加，各行車速度條件下貨車動力響應均逐漸增大，但側(cè)架垂向位移響應幅值較小且受速度變化影響不明顯；加速度動力響應中以軸箱垂向加速度的響應最為顯著，且在相同工況下軸箱、側(cè)架、車體垂向加速度振動幅值總體呈遞減趨勢；貨車在空載、重載狀態(tài)下的動力響應存在一定差異，同等病害幅值下空載狀態(tài)的加速度動力響應明顯高于重載狀態(tài)，重載狀態(tài)的側(cè)架垂向位移高于空載狀態(tài)。因此，對于焊縫凹陷，可利用軸箱垂向加速度來進行評價，側(cè)架、車體垂向加速度用于輔助校核；側(cè)架、車體垂向加速度可用于貨車穩(wěn)定性和運行品質(zhì)評價；基于空載、重載狀態(tài)的響應差異，利用軸箱垂向加速度來評價焊縫凹陷時應采用不同的評價標準。

圖5 焊縫凹陷病害下重載貨車動力響應

2.2 鋼軌波磨

客貨混運鐵路由于列車軸重大，鋼軌波磨波長較長，一般為200~300 mm，且深度較深，引起的振動頻率較低，一般在30 Hz左右［6］。隨著波磨深度增加，波磨引起的輪軌動力相互增加，各貨車系統(tǒng)部件的響應相應變大。在鋼軌波浪形磨耗作用下，貨車各部件的振動響應十分顯著，且響應波形呈周期振動狀態(tài)。無論是空載狀態(tài)還是重載狀態(tài)，輪重減載率均達到0.54左右。對于側(cè)架和軸箱的垂向振動加速度，空載狀態(tài)與重載狀態(tài)的幅值接近。以鋼軌波磨波長300 mm、波幅0.05 mm時重載狀態(tài)為例，重載貨車-有砟軌道系統(tǒng)動力響應時程曲線見圖6。

圖6 鋼軌波磨波長300 mm、波幅0.05 mm時重載狀態(tài)的重載貨車-有砟軌道系統(tǒng)動力響應時程曲線

為了分析貨車系統(tǒng)在不同波磨深度下的動力響應差異，取波幅0.01、0.05、0.10、0.15 mm，對比研究波磨深度對貨車系統(tǒng)的動力學影響。計算可知，與波幅0.01 mm相比，波幅為0.05、0.10、0.15 mm時，車體垂向加速度分別增大9.2%、118.4%、182.8%，側(cè)架垂向加速度分別增大5.7%、114.8%、339.6%，軸箱垂向加速度分別增大2.3%、105.3%、383.6%。因此，應嚴格將波磨深度控制在0.10 mm以下。波磨深度達到0.10 mm后，各側(cè)架振動響應增幅極大。車體、側(cè)架和軸箱的振動加速度均能對鋼軌波磨的動力激擾做出敏感反應，但側(cè)架和軸箱的振動響應幅值相對較大，應通過軸箱和側(cè)架的振動響應來監(jiān)測鋼軌波磨情況。

2.3 三角坑

設(shè)置左右兩股鋼軌波長12.5 m、波幅5、10、15、20 mm的三角坑不平順狀態(tài)，仿真分析不同行車速度下，重載貨車在空載及重載狀態(tài)下的動力響應，結(jié)果見圖7。可知：①隨著三角坑幅值增加，重載貨車各系統(tǒng)部件的響應均呈增大趨勢。②在振動響應方面，車體垂向加速度從三角坑幅值5 mm開始、側(cè)架和軸箱垂向加速度從三角坑幅值10 mm開始，重載貨車在空載、重載狀態(tài)下響應差別顯著，空載狀態(tài)的響應幅值明顯高于重載狀態(tài)；當三角坑幅值為20 mm、行車速度70 km/h及以上時，車體垂向加速度幅值已超過限值0.7g。③側(cè)架位移響應方面，相較于焊縫凹陷、鋼軌波磨，側(cè)架垂向位移響應幅值顯著增加；三角坑幅值5 mm時，空載狀態(tài)下側(cè)架垂向位移超過5 mm，重載狀態(tài)下超過20 mm，因此適宜設(shè)置傳感器檢測三角坑病害。

圖7 三角坑病害下重載貨車動力響應

3 測試貨車技術(shù)方案

重載貨車在焊縫凹陷、鋼軌波磨、三角坑等軌道不平順作用下會產(chǎn)生一定的動力響應。據(jù)此研制開發(fā)相應在線檢測裝置，利用動力響應數(shù)據(jù)反演、定位軌道病害，分析病害發(fā)展趨勢，為常態(tài)化、短周期軌道狀態(tài)監(jiān)測提供便捷檢測手段，提高軌道維修時效性及運輸安全性。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)重載貨車-有砟軌道系統(tǒng)耦合動力分析，選取C80貨車為測試載體，加裝長期自動檢測的車輛狀態(tài)感應模塊、組合導航模塊、自發(fā)電模塊，實現(xiàn)基于C80貨車動力響應的自動檢測。①車輛狀態(tài)感應模塊：包括軸箱加速度、側(cè)架加速度、車體加速度、搖枕側(cè)架相對位移；②組合導航模塊：包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）、微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）、陀螺儀與加速度計、編碼器，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實時、精準提供車輛里程定位；③自發(fā)電模塊：C80貨車無車載電源，為滿足測試系統(tǒng)長期工作供

電需求，安裝某主機廠研制的軸端永磁自發(fā)電裝置。測試貨車測點布置如圖8所示。

圖8 測試貨車測點布置

3.2 安裝技術(shù)方案

基于測試貨車測試內(nèi)容及C80貨車結(jié)構(gòu)特點，制定各測試點的安裝位置和方式。

1）軸箱加速度傳感器

軸箱加速度設(shè)置在測試貨車兩端軸左右輪軸箱位置，共安裝4個加速度傳感器。安裝采用承載鞍上加工安裝孔，組裝安裝平臺，利用螺栓、防松墊圈等安裝軸箱加速度傳感器，如圖9所示。

圖9 測試貨車軸箱加速度傳感器安裝示意

2）側(cè)架位移及加速度傳感器

側(cè)架位移用于測量側(cè)架和搖枕之間的相對位移，2個轉(zhuǎn)向架左右側(cè)均有設(shè)置，共計4個測點。位移和加速度傳感器集成安裝在同一套安裝架上，可測量垂向位移、橫向位移及側(cè)架加速度，安裝結(jié)構(gòu)如圖10所示。為適應重載貨車空載、重載狀態(tài)的準確測量，專用安裝架采用萬向球軸承及滑軌滑塊結(jié)構(gòu)，傳感器安裝后具備沿垂向或橫向自動滑動功能，從而解決空載、重載狀態(tài)下的相對位移測量［7］。

圖10 測試貨車側(cè)架位移及加速度傳感器安裝示意（單位：mm）

3）車體加速度傳感器

車體加速度測量點主要用于測量車體縱向、橫向和垂向的振動響應，分別安裝在1、2位心盤內(nèi)側(cè)，距心盤中心線小于1 000 mm且靠近車體中心側(cè)的車底架中梁下蓋板上［8］。傳感器安裝架焊接在中梁上，傳感器通過螺栓固定，如圖11所示。

圖11 測試貨車車體加速度安裝示意

4）組合導航

組合導航模塊集成了MEMS、陀螺儀、加速度計、GNSS、編碼器等傳感器，通過多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)及高精度算法，提高系統(tǒng)的可靠性、精確性和動態(tài)性，實時提供測試貨車精準里程位置信息，從而實現(xiàn)軌道病害的準確定位。編碼器安裝在軸端，通過專用承載鞍和托架與安裝盤固定，外設(shè)防護罩；GNSS天線通過安裝架固定在車體端部上方，用于接收衛(wèi)星信號；組合導航接收機安裝在車體端部的儀表箱內(nèi)。組合導航模塊如圖12所示。

圖12 測試貨車組合導航模塊

5）自發(fā)電模塊

測試貨車通過軸端自發(fā)電方式對測試設(shè)備進行長期穩(wěn)定供電。軸端發(fā)電機采用永磁同步發(fā)電機，其中轉(zhuǎn)子安裝于軸端，替代原軸承前蓋，定子與機殼一體安裝于轉(zhuǎn)向架的專用承載鞍上。發(fā)電機安裝后不影響轉(zhuǎn)向架原有部件的組裝、作用，且不侵入限界。軸端自發(fā)電模塊安裝后如圖13所示。

圖13 測試貨車自發(fā)電模塊

4 結(jié)論

1）焊縫凹陷病害下，不同車速的貨車動力響應幅值均隨凹陷深度的增加而增加；與車體、側(cè)架、軸箱垂向加速度相比，側(cè)架垂向位移幅值受車速的影響較小；同等條件下，列車空載狀態(tài)的垂向加速度幅值均大于重載狀態(tài)。

2）鋼軌波磨病害下，貨車各部件的動力響應幅值均隨磨耗深度的增加而加大；車體垂向加速度和側(cè)架垂向位移受列車速度影響較小，受空重載狀態(tài)的影響較大；側(cè)架垂向加速度和軸箱垂向加速度受車速、空重載狀態(tài)的影響都比較明顯。

3）三角坑病害下，不同車速的空載、重載狀態(tài)下重載貨車的動力響應幅值均隨著三角坑幅值的增大而增大；與焊縫凹陷和鋼軌波磨兩種病害相比，貨車側(cè)架垂向位移對三角坑幅值的影響更為敏感。

4）根據(jù)重載貨車在三種常見病害下的動力響應，以C80貨車為測試對象，對其安裝車輛狀態(tài)感應模塊、組合導航模塊、自發(fā)電模塊，以實現(xiàn)基于貨車動力響應的軌道狀態(tài)自動檢測。