基于高速動車組實測輪軌力的軌道缺陷評價方法

張一喆，祖宏林，張志超，儲高峰

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

高速鐵路軌面低塌、波浪磨耗以及其他各類輪軌型面匹配不良均會嚴重影響乘坐舒適度、鋼軌結構使用壽命，甚至威脅動車組運行安全［1-3］。然而很多軌道缺陷長度短、深度小，在靜態條件下容易被工務檢測設備忽略，但此類缺陷會在輪軌高速接觸過程中成倍放大。針對該問題，現今有學者通過車載振動傳感器［4］和測力傳感器兩條路線進行識別。

隨著測力輪對技術的不斷發展，采用輪軌作用力對軌道缺陷進行識別評價成了近幾年的研究熱點，國內外學者對輪軌載荷測量技術及其在軌道結構損傷診斷方面均有研究。陳建政［5］及Hiromichi［6］等人對輪軌接觸關系進行了深入研究。陳成元［7］、李谷［8］以及Ham［9］等人長期致力于連續測量測力輪對技術研究。同時，中國鐵道科學研究院各機構也在嘗試采用輪軌作用力，對某些軌道結構的缺陷進行初步的識別和分析［10-11］。

文中對運用中的連續測量測力輪對技術進行了簡要介紹，并對其在高速綜合檢測列車巡檢過程中采集的數據進行分析整理，針對不同檢測指標提出了與之對應的軌道缺陷識別方法及判定閾值。大量現場勘測結果顯示，基于該輪軌力測試系統的缺陷評價體系有較好的工程應用價值。

1 測力輪對制作方案與安裝

1.1 連續測量測力輪對工作原理

輪對與鋼軌之間的垂、橫、縱向力統稱輪軌力，一般采用測力輪對與測力鋼軌進行檢測，輪軌力與脫軌系數、輪重減載率等運行安全性指標關系密切［1，4，8］。

設車輪為理想彈性體，在輪對輻板內外側布置8 組應變片組成惠斯通全橋，如圖1 所示。

圖1 連續測量測力輪對橋路示意圖

其中A、B、C、D為4 組測力橋臂，每組橋臂為4 個應變片組成的電橋。可知，測量橋路的輸出電壓為式（1）：

式中：i點的應變為εi。

當輪軌載荷恒定時，輪對輻板某點的應變分布可等效為同半徑下應變沿車輪周向的分布，以ε1為例，展開為轉角θ的偶函數為式（2）：

由此可知，電橋輸出與轉角的關系為式（3）：

測量橋路輸出與各方向輪軌力及其各自敏感度之間關系為式（4）：

式中：l為輪軌力作用點的橫向位置；f和g分別為測量電橋分別對于垂向力、橫向力的敏感度；P和Q分別為被測垂向力和橫向力。

基于如上所述基本原理，通過大量實踐發現，在某一半徑范圍內布置電阻應變計可消除接觸點橫向位移對輪軌垂向力測試結果的影響。由此，橫向力及垂向力可通過式（5）的方程組得到。

為消除求解該式過程中角度測量和矩陣計算所產生的誤差，本次試驗使用2 組相位差90°并且靈敏度系數互相構成正余弦關系的測量電橋進行輪軌力求解［5，7-8，11-12］。

1.2 輪軌力測試技術及測力輪對標定

高速綜合檢測列車輪軌力檢測系統，采用“單周期雙橋路正弦余弦合成法”連續測力測量方案。“單周期”指車輪旋轉1 周，所有橋路的靈敏度完成相應的1 個周期。而“雙橋路”是指采用2 個結構完全相同但有特定相位差的橋路測量同一輪軌作用力。而“正弦余弦合成法”是指上述2 個測量電橋靈敏度相互構成正弦和余弦關系，在數據處理時采用“平方之和再開方”的函數運算使得合成后的輸出橋路靈敏度在任意轉角位置始終保持恒定。該方案的優勢在于橋路數量少、測量靈敏度高、所需通道數和配套設備少、數據流程較為容易、橋路標定檢查相對簡單、頻響范圍寬［8，12］。

采用自主研發的標定臺對制作完成的連續測力輪對進行標定［13］，如圖2 所示。對輪對輪緣、滾動圓以及滾動圓外移30 mm，3 個位置進行垂向橋標定，并通過液壓桿在內側面加載進行橫向橋標定。其中垂向加載80 kN，橫向加載70 kN，通常每間隔15°進行一次標定。通過實測輪軌載荷與各個橋路輸出電壓計算系數。

圖2 TK-LDBD 型測力輪對標定試驗臺

1.3 輪軌動力學測試系統

某檢測列車測力輪對安裝在1 車4 軸，標定完成的測力輪對如圖3 所示。

圖3 連續測量測力輪對

高速綜合檢測列車搭載的動力學檢測系統，通常同時安裝車體、軸箱及構架加速度計，可實時計算平穩性指標，并對輪軌力異常信號進行再次判定，系統可通過搭載的速度傳感器及陀螺儀，同時采集速度及角速度信號。實時采用工控機通過網絡交換機連接采集設備，對輪軌力數據進行采集、存儲及分析。工作流程如圖4 所示。

圖4 動力學數據綜合采集分析系統

聯調聯試及日常巡檢常設置2 000 Hz 采樣頻率，能夠完全覆蓋輪軌力及加速度各測點動態頻響范圍，在保證數據完整的同時，也盡可能節約了存儲空間。對所得的應變數據，進行去除零漂、低通濾波，并通過系數矩陣將其轉化為輪軌力數據［14-16］。

2 基于輪軌力的軌道缺陷評價標準

2.1 輪軌力的常規評價標準

在日常針對高速鐵路線路的巡檢中，動力學專業以脫軌系數、輪重減載率、輪軌力等作為安全性和穩定性評判指標。參考GB/T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》［17］、TB 10761—2013《高速鐵路工程動態驗收技術規范》［18］，并結合多年運用經驗，給出高速列車運行安全性評判標準，見表1。

表1 高速列車運行安全性評判標準

表1 中，P0為靜軸重。輪軌垂向力檢測結果通常應小于基準值，如超過基準值且具有良好重復性，則會造成各軌道結構疲勞損傷；同時，輪軌垂向力不得超過最大允許值。在實際測試過程中，設立預警值，可起到警示作用，引起作業人員注意。

2.2 軌道缺陷評價方案

表1 中的各項閾值作為安全性評價標準，在聯調聯試及各類高速動車組型式試驗中普遍使用。但是在常規高速鐵路軌道狀態巡檢中不能發揮作用，滿足上述標準僅是運行安全的底線要求，并不能有效識別軌面低塌、波磨及各類輪軌匹配不良問題。

輪軌載荷峰值的突變通常是由于鋼軌行車面低塌、焊縫凸起或道岔特殊結構等軌道問題造成。基于輪軌力峰值的評判標準見表2，對上述問題進行判定識別。

表2 局部輪軌作用力峰值評判標準 單位：kN

由于輪軌垂向力與靜輪重有關，為了評價標準統一，故表2 中Pd采用除去靜輪重后的實測輪軌垂向力。

波磨等缺陷采用輪軌垂向力區段有效值進行評判，輪軌幾何型面匹配不良等缺陷采用輪軸橫向力區段有效值進行評判，輪軸橫向力值為式（6）：

式中：QL和QR分別為左輪和右輪的橫向力。

區段輪軌作用力50 m 窗有效值的評判標準見表3。其中輪軌垂向力區段有效值Prms達到A 級標準通常即為可見波磨。以高速動車組靜軸重均值120 kN 為基準，參照表1 輪軸橫向力閾值50 kN，給出輪軸橫向力有效值Hrms的3 級閾值分別定為輪軸橫向力閾值的0.15、0.20、0.25 倍。

表3 區段輪軌作用力有效值評判標準 單位：kN

3 軌道缺陷識別實例

采用上述標準，對高速綜合檢測列車巡檢采集的輪軌力數據進行分析處理，本節給出相關數據及現場復核實例。

3.1 鋼軌短波不平順

對某新開通350 km/h 速度級線路進行檢測，發現某區段右側輪軌垂向力在去除靜輪重后仍有極個別位置達到表2 中B 級標準，K2 300+647 處動態垂向力約為48.3 kN，具體波形如圖5 所示。

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圖5 某線路K2 300+647 附近右輪動態垂向力波形圖

新建線路正線動態垂向力達到B 級在實測中并不常見，多為焊縫不平順或鋼軌低塌所致。對現場進行復核拍照如圖6 所示，實際測量光帶寬度不穩定，最窄處偏窄約16 mm。該缺陷為鋼軌行車面短波不平順，致使垂向力短時波動較大。

圖6 某線路K2 300+647 附近復核照片

3.2 道岔結構缺陷

動態垂向力及橫向力大值點在道岔結構上較為常見，檢測列車以速度350 km/h 通過某個18 號道岔岔心時的左側輪軌動態垂向力及橫向力波形如圖7、圖8 所示。

圖7 某線路K1 345+336 附近左輪動態垂向力波形圖

圖8 某線路K1 345+336 附近左輪動態橫向力波形圖

圖7 中可以看出，岔心位置K1 345+336 處左側動態垂向力達到74.3 kN，已超出局部輪軌作用力峰值評判C 級閾值。圖8 中看到，在相同位置，左側輪軌橫向力達到21.9 kN，達到了A 級缺陷標準。相比于圖5，本節中18 號道岔僅在岔心附近檢測到較大輪軌力峰值，其他位置鋼軌狀態良好。

現場勘測照片如圖9 所示，道岔可動心軌為2根鋼軌貼合的特殊結構，存在波長較短的軌向和高低不平順。通過鋼軌光帶也可以看出，動車組在高速直向通過該處時，輪軌接觸狀態不佳。

圖9 某線路K1 345+336 附近復核照片

3.3 鋼軌波磨缺陷

波磨是鋼軌沿縱向的波浪形磨耗，受運行速度及載重的影響很大。相比于重載、輕軌及其他類型中低速線路，設計速度350 km/h 高速鐵路鋼軌波磨更為常見，并易激發更高頻率、更高能量的耦合振動，產生危害更大［19］。

現有的軌道幾何狀態檢測設備不能檢測高速線路上的波磨，但采用區段輪軌垂向力有效值可較容易查找。以如圖10 所示的某段檢測列車巡檢數據為例，按照表3 中的標準可知，波形圖中K95+235、K95+258 這2 處位置附近輪軌垂向力有效值均達到了C 級，左軌分別為22.4 kN 和21.6 kN，右軌分別為20.2 kN 和18.7 kN。附近仍有多個區段輪軌垂向力有效值達到B 級。

圖10 某線路K95+180～K95+267 附近垂向力波形圖

左右輪通過軸連接，一側波磨引起輪軌耦合振動后通常會向另一側傳遞。圖10 中左軌輪軌力波形圖現場復核照片如圖11 所示，現場測量K95+235 和K95+258 附近波長分別為74 mm 和76 mm，與輪軌力測試數據吻合。通過對該段實測數據進行頻譜分析，其左輪垂向力功率譜密度如圖12 所示。可以看到，在610 Hz 附近，譜值明顯增大，與現場復核波長較吻合，由此證明了測試系統在鋼軌缺陷檢測中的有效性。

圖11 某線路K95+235 附近復核照片

圖12 某線路K95+235 附近實測功率譜密度圖

4 軌道缺陷識別統計分析

采用文中所給出的標準，對半年以來7 列高速綜合檢測列車所采集的160～350 km/h 速度級、有砟及無砟約121 條線路、近7 萬km 巡檢數據進行識別分析，各級別缺陷數目見表4。施工部門對多數C 級和部分B 級缺陷進行現場復核，缺陷類型及里程綜合識別準確度約為86.1%。

表4 巡檢缺陷數目統計

表4 中看出，Pd峰值缺陷數目遠多于其他3類，即鋼軌行車面短波不平順以及道岔結構問題仍為最常見的軌道缺陷。Qd峰值和Prms有效值超限數目較為接近，平均約為60 km 一處。Hrms有效值超限數目很少，可以看出在實踐中該項指標的識別缺陷能力較弱。

對所有數據進行系統性統計分析可知，不同線路單位里程缺陷數量與設計時速、道床形態、線路建設年代均有關系。在此僅針對速度等級單一變量對Pd峰值和Prms有效值2 個指標C 級超限個數進行分析，結果如圖13、圖14 所示。

圖13 不同速度等級Pd 峰值C 級缺陷占比

圖14 不同速度等級Prms 有效值C 級缺陷占比

由此可知，低速度等級線路更多存在輪軌力峰值超限，而波磨則更多出現在設計速度超過300 km/h 高速無砟鐵路上。

5 結論

以大量測試數據為基礎，文中給出了基于輪軌力的軌道缺陷評價方法。面向工程實踐，主要得到以下幾點結論：

（1）采用“單周期雙橋路正弦余弦合成連續測量方法”進行輪對制作及輪軌力測試，在綜合檢測列車實踐運用中效果較好，系統能夠準確獲得實時輪軌力信號。

（2）在基于相關標準對安全性要求的基礎之上，采用文中提出的依據輪軌力峰值及區段有效值的判別方法，所識別的軌道缺陷現場復核效果很好。

（3）在巡檢過程中，通過該方法對各類線路判定得到的缺陷進行復核及統計分析，缺陷類型及里程綜合識別準確度約為86.1%。

（4）低速度等級線路更多存在輪軌力峰值超限，而波磨則更多出現在設計速度超過300 km/h高速無砟鐵路上。

文中提出的方法，在綜合檢測列車日常巡檢過程中，識別了大量不易發現的軌道缺陷，有較好的工程應用價值。面對我國線路等級標準不同，還需進一步將標準細化、并深入研究不同指標的效力，從而提升軌道缺陷的識別準確度。