林 洋，李宏偉，唐玉杰

(1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081; 2 中國北車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062; 3 華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330013)

專題研究

輪軌動(dòng)力學(xué)與安全性試驗(yàn)方法對(duì)比*

林 洋1，李宏偉2，唐玉杰3

(1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081; 2 中國北車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062; 3 華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330013)

我國高速列車與國外輪軌動(dòng)力學(xué)與安全性試驗(yàn)方法不盡相同，且已開通運(yùn)營里程高達(dá)近萬公里，所以有必要對(duì)輪軌動(dòng)力學(xué)與安全性試驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)估。通過調(diào)研整理國內(nèi)外高速列車輪軌動(dòng)力學(xué)理論研究成果與安全性試驗(yàn)方法，確定了輪軌動(dòng)力學(xué)和安全性試驗(yàn)方法的4方面內(nèi)容:脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力和構(gòu)架橫向穩(wěn)定性。然后依次從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、標(biāo)準(zhǔn)限值、測試方法和應(yīng)用情況等方面進(jìn)行梳理分析。對(duì)比結(jié)果顯示，我國高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試與車輛型式試驗(yàn)均對(duì)4方面內(nèi)容進(jìn)行測試，滿足高速列車動(dòng)力學(xué)與安全性要求。

高速列車;輪軌動(dòng)力學(xué);安全性;試驗(yàn)方法

我國已開通的高速鐵路運(yùn)營里程高達(dá)近萬公里，擁有CRH系列動(dòng)車組，如CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380型動(dòng)車組等。高速鐵路工程建設(shè)與高鐵運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)日趨豐富;高速動(dòng)車組的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等技術(shù)日趨完善。不可否認(rèn)的是高速列車在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)了一些問題，如某一線路在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中發(fā)現(xiàn)缺陷、某一運(yùn)營線路出現(xiàn)晃車現(xiàn)象等。輪軌的動(dòng)力學(xué)直接決定著高速列車運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性、平穩(wěn)性。由于我國高速鐵路發(fā)展歷史與科研體制與歐盟、日本等國不同，國內(nèi)輪軌動(dòng)力學(xué)理論研究成果和安全性的試驗(yàn)方法和國外不盡相同。所以，有必要參照國外方法對(duì)我國現(xiàn)有的輪軌動(dòng)力學(xué)研究理論結(jié)果與高速列車安全性的試驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)估。

通過調(diào)研整理歐盟、北美、日本和國內(nèi)高速鐵路輪軌動(dòng)力學(xué)理論研究成果和高速線路試驗(yàn)資料，并在確定了以脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力和構(gòu)架橫向穩(wěn)定性為安全性試驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，依次從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、標(biāo)準(zhǔn)限值、測試方法和應(yīng)用情況等方面進(jìn)行梳理和分析了國內(nèi)外的輪軌動(dòng)力學(xué)理論研究成果和安全性試驗(yàn)方法的應(yīng)用。

1 國內(nèi)外輪軌動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)方法

1.1 脫軌系數(shù)

列車在鋼軌上運(yùn)行時(shí)，在車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)、線路條件及運(yùn)行狀態(tài)等不利的因素下，可能會(huì)有輪軌分離，從而導(dǎo)致車輛脫軌［1］。為了描述、表征車輛運(yùn)行安全程度，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)采用多種方法對(duì)輪軌間的作用力進(jìn)行了測量，提出了脫軌系數(shù)這一指標(biāo)，并規(guī)定了脫軌系數(shù)的限值。隨著測試技術(shù)的發(fā)展和工程經(jīng)驗(yàn)的積累，脫軌系數(shù)這一重要指標(biāo)已被多數(shù)國家用來評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行安全性。脫軌系數(shù)是用于鑒定試驗(yàn)車輛輪緣因橫向力作用是否會(huì)逐漸爬上軌頭而脫軌。脫軌臨界狀態(tài)時(shí)鋼軌受力關(guān)系如圖1。

圖1 脫軌臨界時(shí)鋼軌受力關(guān)系

在整理比較了國內(nèi)、歐洲、日本、美國脫軌系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)限值以后，說明了脫軌系數(shù)在我國高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及高速動(dòng)車組型式試驗(yàn)中的應(yīng)用。

(1)中國標(biāo)準(zhǔn)

文獻(xiàn)［2］是中國車輛動(dòng)力學(xué)性能比較全面、權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)脫軌系數(shù)的限值、測量方法進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)中指出評(píng)價(jià)車輛是否安全合格，脫軌系數(shù)應(yīng)滿足第一限度標(biāo)準(zhǔn)，即:

為了增大安全裕量，脫軌系數(shù)應(yīng)滿足第二限度標(biāo)準(zhǔn)，即:

式中Q為輪軌橫向力;P為輪軌垂向力。

隨著我國高速動(dòng)車組的研發(fā)、應(yīng)用，車輛脫軌方面的研究和測試技術(shù)均取得長足的進(jìn)步，形成了《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》這一標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了脫軌系數(shù)的評(píng)判新標(biāo)準(zhǔn)［3］:

與此同時(shí)，新建的多條高速鐵路已投入運(yùn)營。在新建鐵路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試和動(dòng)態(tài)檢測過程中，將脫軌系數(shù)作為一項(xiàng)重要的檢測項(xiàng)目，形成了文獻(xiàn)［4－6］等檢測標(biāo)準(zhǔn)。在線路檢測中，要求脫軌系數(shù)滿足:

(2)歐洲標(biāo)準(zhǔn)

法國國營鐵路(SNCF)、德國聯(lián)邦鐵路(DB)和瑞典國鐵(SJ)等西歐國家規(guī)定2 m滑動(dòng)平均值需滿足:

脫軌系數(shù)的計(jì)算方法采用ORE的研究結(jié)果，并納入國際鐵路聯(lián)盟UIC 518標(biāo)準(zhǔn)中［7］。

(3)日本標(biāo)準(zhǔn)

日本考慮了輪軌間發(fā)生沖擊時(shí)車輪脫軌安全性問題，并將脫軌系數(shù)的安全限值與橫向力作用時(shí)間結(jié)合在一起(圖2)，規(guī)定限值為:

(4)美國

美國綜合采用兩種方法限制脫軌:一種是規(guī)定單車輪的脫軌系數(shù)需滿足:≤0.8;另一種是Weinstock準(zhǔn)則，對(duì)兩側(cè)車輪脫軌系數(shù)之和進(jìn)行了限制，規(guī)定

圖2 日本對(duì)脫軌系數(shù)安全限度的規(guī)定

國內(nèi)外脫軌系數(shù)的限值比較，見表1。

表1 國內(nèi)外脫軌系數(shù)的限值比較

脫軌系數(shù)關(guān)乎著軌道車輛運(yùn)行的安全性，一直是我國鐵道車輛試驗(yàn)關(guān)注的內(nèi)容。尤其是近幾年我國高速鐵路的快速發(fā)展，脫軌系數(shù)在車輛型式試驗(yàn)與聯(lián)調(diào)聯(lián)試中得到廣泛的應(yīng)用。

(1)車輛型式試驗(yàn)中的應(yīng)用

脫軌系數(shù)是車輛動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)的一項(xiàng)重要測試指標(biāo)，目前已廣泛應(yīng)用于普通客車、貨車、地鐵、動(dòng)車組等車型的試驗(yàn)與研究，而且已成為車輛研究、開發(fā)、檢驗(yàn)過程中的基本指標(biāo)。動(dòng)車組型式試驗(yàn)中通過采用逐級(jí)提速方法，嚴(yán)密監(jiān)測脫軌系數(shù)等安全性指標(biāo)，來保障車輛的運(yùn)行安全。我國的CRH1、CRH2、CRH3、CRH5等類型的動(dòng)車組的型式試驗(yàn)中，均對(duì)脫軌系數(shù)進(jìn)行了測試和評(píng)價(jià)。

(2)線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試中的應(yīng)用

隨著我國高速鐵路的發(fā)展，脫軌系數(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于既有線和新建線路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試。包括京滬線、京哈線、京廣線、滬昆線、膠濟(jì)線、隴海線等我國鐵路第6次全國大提速的所有既有線路以及包括合寧客專、合武客專、京津城際、武廣高鐵、鄭西高鐵、京滬高鐵等在內(nèi)的新建線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試中均嚴(yán)格監(jiān)測了脫軌系數(shù)這一指標(biāo)。經(jīng)過多條線路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試，我國積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，能夠有效的利用脫軌系數(shù)檢測出線路中的軌道缺陷，指導(dǎo)軌道線路精調(diào)，提高線路質(zhì)量。其中，在武廣、石太、甬臺(tái)溫、滬寧、滬杭等多條線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，均檢測出因焊縫和信號(hào)軌斷片等原因引起的脫軌系數(shù)超限。

1.2 減載率

輪重減載率是評(píng)定鐵道車輛運(yùn)行安全性的重要指標(biāo)之一。輪重減載率定義為車輪垂向減載量與車輪質(zhì)量的比值，即，其中ΔP=－P，式中為左右側(cè)車輪的平均輪重，P為實(shí)際輪重，ΔP為輪重減載量。輪重減載率實(shí)際上是由Nadal公式派生出來的一個(gè)評(píng)價(jià)脫軌安全性的輔助指標(biāo)［8］。

各國的減載率雖然定義相同，但具體標(biāo)準(zhǔn)限值各有著自己的特點(diǎn)。

(1)中國

GB/T 5599－1985［2］第3.3.3條規(guī)定如下:輪重減載率試驗(yàn)時(shí)，車輛應(yīng)在通過9號(hào)單開道岔以及低速通過小半徑曲線的條件下測定(橫向力為0或近于0)。

除上述國家標(biāo)準(zhǔn)外，為規(guī)范高速列車試驗(yàn)，檢驗(yàn)高速列車的性能，2008年原鐵道部運(yùn)輸局編制完成了《高速動(dòng)車組試驗(yàn)和評(píng)價(jià)規(guī)范》(鐵運(yùn)［2008］28號(hào))，《高速動(dòng)車組試驗(yàn)和評(píng)價(jià)規(guī)范》對(duì)輪重減載率的規(guī)定如下:

在中國輪重減載率作為運(yùn)行安全性的一個(gè)重要指標(biāo)，不僅用于準(zhǔn)靜態(tài)測量評(píng)價(jià)，也用于動(dòng)態(tài)測量評(píng)價(jià)。2007年4月中國鐵路第六次提速后，輪重減載率廣泛地應(yīng)用于高速動(dòng)車組的型式試驗(yàn)和高速鐵路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗(yàn)。具體為:

①車輛型式試驗(yàn)中的應(yīng)用

CRH動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)中，多次出現(xiàn)輪重減載率超過0.80的現(xiàn)象，為了利用輪重減載率判斷車輛運(yùn)行安全性，對(duì)京津城際 CRH動(dòng)車組(CRH2C和CRH3C)輪重減載率超過0.80時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性和振動(dòng)加速度進(jìn)行測量研究，分析了此狀態(tài)下車輛運(yùn)行安全性和相關(guān)振動(dòng)特性，給出了利用減載率來判斷車輛安全性的參考。

②聯(lián)調(diào)聯(lián)試中的應(yīng)用

在多條客運(yùn)專線的聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，所監(jiān)測的輪重減載率在直線、曲線、道岔、焊縫等線況出現(xiàn)了大值。根據(jù)已積累的聯(lián)調(diào)聯(lián)試經(jīng)驗(yàn)，通過多次線路的實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)均因線路的各種缺陷所致輪重減載率超標(biāo)，不僅發(fā)現(xiàn)了明顯、易查的顯性缺陷，而且找出了隱密、難查，波長小于1.5 m的短波缺陷。長期聯(lián)調(diào)聯(lián)試實(shí)踐證明，通過軸監(jiān)測輪重減載率能有效地找出其值超標(biāo)處所對(duì)應(yīng)線路的顯、隱性缺陷。

(2)歐洲

EN 14363的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中沒有輪重減載率的評(píng)定指標(biāo)。靜態(tài)測試中，當(dāng)不能直接測量輪軌力，不能通過脫軌系數(shù)進(jìn)行評(píng)定時(shí)，才引入了輪重減載率作為評(píng)定安全的指標(biāo)，具體限值如下:

(3)日本

日本標(biāo)準(zhǔn)［9］中涉及到輪重減載率的標(biāo)準(zhǔn)如下:

(4)北美

北美僅規(guī)定了車輛的動(dòng)態(tài)輪重減載率

1.3 輪軸橫向力

為了最大限度的限制因輪軸橫向力導(dǎo)致的軌排橫移，對(duì)單個(gè)輪軸所施加給軌道的橫向力限值做了規(guī)定。

(1)中國

過大的輪軸橫向力可能會(huì)導(dǎo)致軌排橫移，造成無縫線路動(dòng)態(tài)失穩(wěn)產(chǎn)生脹軌跑道現(xiàn)象，所以有必要限制輪軸橫向力，文獻(xiàn)［3］對(duì)輪軸橫向力作如下規(guī)定:

(2)歐洲

UIC 518規(guī)定了輪軸橫向力限值［7］:

(H2m)lim=β(10+P0/3);P0是每個(gè)軸的靜載荷，kN。β的數(shù)值規(guī)定如表2。

表2 β數(shù)值規(guī)定

在車輛型式試驗(yàn)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試中時(shí)常出現(xiàn)輪軸橫向力值超限的情況?？偨Y(jié)多次聯(lián)調(diào)聯(lián)試的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)輪軸橫向力值超限值時(shí)的情況均為單峰值，均為線路小于1.5 m的短波缺陷所致，而且一般對(duì)應(yīng)兩種線路缺陷，即道岔缺陷、軌向不平順。

1.4 構(gòu)架橫向穩(wěn)定性

由于車輪踏面具有錐度和輪軌間復(fù)雜的動(dòng)力作用，軌道車輛沿軌道運(yùn)行時(shí)，輪對(duì)會(huì)產(chǎn)生一種特有的自激振動(dòng)，即一面橫向移動(dòng)，一面繞通過其重心的鉛垂軸轉(zhuǎn)動(dòng)(搖頭運(yùn)動(dòng))，輪軸中心運(yùn)動(dòng)軌跡為周期為的波浪形曲線，與蛇行相似，稱這種運(yùn)動(dòng)為蛇行運(yùn)動(dòng)［1］。在一定速度范圍內(nèi)，因車輛結(jié)構(gòu)中的阻尼以及輪軌間的蠕滑，輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)振幅會(huì)衰減;當(dāng)速度超過某一臨界速度時(shí)，輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)的振幅不斷地增大，造成輪對(duì)左右搖擺，輪緣碰撞鋼軌，轉(zhuǎn)向架或車體出現(xiàn)大振幅的劇烈振動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為蛇行失穩(wěn)［10］。輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)會(huì)引起轉(zhuǎn)向架和車體在橫向平面內(nèi)的振動(dòng)，相應(yīng)地稱轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)和車體蛇行運(yùn)動(dòng)。由于蛇行運(yùn)動(dòng)是在橫向平面內(nèi)發(fā)生的振動(dòng)，故將機(jī)車車輛在橫向平面內(nèi)的蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，稱為橫向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。構(gòu)架橫向穩(wěn)定性即為構(gòu)架在橫向平面內(nèi)的蛇行穩(wěn)定性。

各國對(duì)構(gòu)架橫向加速度的濾波頻率、評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)限值不同。現(xiàn)說明如下:

(1)中國

構(gòu)架橫向加速度10 Hz濾波、峰值有連續(xù)6次以上達(dá)到或超過極限值8～10 m/s2時(shí)，判定轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)。

(2)歐洲

UIC 518采用轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向加速度10 Hz低通濾波后計(jì)算100 m加速度的RMS值進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的橫向加速度為Mb/5時(shí)判定轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)［7］。其中Mb是轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，該質(zhì)量是轉(zhuǎn)向架裝備完整時(shí)的質(zhì)量，包括輪對(duì)。

(3)美國

最小截止頻率為10 Hz低通濾波器(LPF)濾波，并去除線性趨勢項(xiàng)后，連續(xù)2 s內(nèi)的構(gòu)架橫向加速度RMS值大于0.3 g，判定轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)。

中國鐵道科學(xué)研究院自第六次鐵路提速以來，承擔(dān)了高速動(dòng)車組服役跟蹤工作，先后對(duì)廣深線、滬昆線、京滬線、石太線、京哈線速度為200～250 km/h動(dòng)車組的振動(dòng)服役性能以及京津城際、武廣客專、京滬高鐵速度為300～350 km/h動(dòng)車組的振動(dòng)服役性能進(jìn)行了跟蹤研究。其中，構(gòu)架橫向穩(wěn)定性是跟蹤測試的重要參數(shù)，也是動(dòng)車組服役運(yùn)行安全性關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。在跟蹤過程中，通過監(jiān)測構(gòu)架橫向加速度發(fā)現(xiàn)了多例轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)和車體失穩(wěn)現(xiàn)象。

1.5 小結(jié)

各國脫軌系數(shù)與輪重減載率定義基本相同，但標(biāo)準(zhǔn)限值明顯不同。日本還考慮了輪軌發(fā)生沖擊時(shí)，車輪脫軌的安全性問題，即考慮了作用時(shí)間的脫軌系數(shù)。歐洲動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，沒有規(guī)定減載率的限值，其他各國輪重減載率均有準(zhǔn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)之分，且兩種情況下限值不同。

輪軸橫向力各國標(biāo)準(zhǔn)限值也不同。除日本外，各國采用構(gòu)架橫向加速度來判斷構(gòu)架是否失穩(wěn)，但構(gòu)架橫向加速度的濾波方式、濾波的截止頻率、判斷構(gòu)架是否失穩(wěn)的方法均不同。

2 安全性試驗(yàn)方法

國內(nèi)外高速鐵路涉及到的輪軌動(dòng)力學(xué)和安全性問題是相同的，但相關(guān)的測試項(xiàng)目、測試方法和評(píng)價(jià)方法不盡相同。

北美的安全評(píng)價(jià)要素目前僅被用于貨車車輛，對(duì)于客車，不同客運(yùn)當(dāng)局的安全測試方式則各不相同。在英國及歐洲，安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)普遍適用于所有的機(jī)車、客車、鉸接式車輛及貨車車輛。北美、英國、歐洲并不對(duì)每種車輛測試所有的安全評(píng)價(jià)要素，如果當(dāng)很有把握安全性問題不會(huì)出現(xiàn)時(shí)，就不必對(duì)車輛進(jìn)行安全性測試。

北美及英國均針對(duì)車輛運(yùn)行的安全要求、出現(xiàn)安全問題的條件以及需要特殊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，同時(shí)，車輛設(shè)計(jì)者對(duì)車輛運(yùn)行要求(如荷載、速度和安全標(biāo)準(zhǔn))車輛運(yùn)行環(huán)境需要做出明確的限定。不同的是歐洲大陸對(duì)輪軌動(dòng)力學(xué)和安全性的測試及評(píng)估，側(cè)重于確保車輛在穿過國界時(shí)不會(huì)出現(xiàn)安全問題。因此，歐洲車輛安全要求更趨向于要反映實(shí)際運(yùn)行狀況，而不是分析研究。

2.1 脫軌安全

(1)北美試驗(yàn)方法

對(duì)于貨車車輛，要求試驗(yàn)車輛通過許多具有特定幾何形狀的軌道區(qū)，車輪踏面是標(biāo)準(zhǔn)的北美磨耗型踏面，鋼軌表面摩擦系數(shù)不得小于0.4，試驗(yàn)車輛裝有測力輪對(duì)及其他必要的試驗(yàn)儀器。試驗(yàn)數(shù)據(jù)濾去高于15 Hz的高頻成分，并只考慮那些作用時(shí)間超過50 ms的輪軌力。

①曲線通過性能試驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)曲線通過要求輪軌作用力是安全的，并避免有任何脫軌的趨勢。目前僅僅針對(duì)單個(gè)車輛系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估，對(duì)多個(gè)連掛車輛的研究(模擬車鉤及牽引力影響)正在進(jìn)行中。

②曲線進(jìn)出性能試驗(yàn)

車輛進(jìn)出這些具有特殊幾何形狀的線路要求在進(jìn)出一定半徑曲線時(shí)符合一定的性能:大車輛定距及剛性車體可扭轉(zhuǎn)。試驗(yàn)的分析結(jié)果要確定一個(gè)合理的脫軌安全界限，尤其要獲得輪重減載的情況下的安全界限。

③通過有激擾軌道性能試驗(yàn)

為模擬車輛在運(yùn)行期間可能遇到各種工況時(shí)的激擾，設(shè)計(jì)了各種類型的激擾線路。試驗(yàn)旨在說明設(shè)計(jì)的車輛能夠提供足夠的結(jié)構(gòu)損壞和任何脫軌趨勢的安全裕度。試驗(yàn)速度達(dá)112.5 km/h，或一直逐級(jí)提高試驗(yàn)速度，至出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，密切關(guān)注臨界速度附近的性能。

④對(duì)軌面表面形狀突變的響應(yīng)試驗(yàn)

鋼軌接頭和軌道剛度分布不均造成鋼軌有載荷時(shí)形狀突變，從而形成車輛的振動(dòng)激擾。試驗(yàn)旨在確認(rèn)車輛通過引起車輛點(diǎn)頭和浮沉的軌道時(shí)具有良好的動(dòng)力學(xué)性能。實(shí)際運(yùn)營中，這種情況會(huì)發(fā)生在道岔或橋墩處。

⑤橫向高低不平順響應(yīng)試驗(yàn)

試驗(yàn)軌道的軌面上有一些交錯(cuò)連續(xù)的凸凹(波長為11.9 m)，其波幅可引起振幅最大達(dá)19 mm的橫向振動(dòng)，軌長122 m。試驗(yàn)旨在確認(rèn)車輛通過存在側(cè)滾激擾的扭曲軌道時(shí)具有良好的動(dòng)力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果要求輪軸橫向力Q和垂直力P，Q/P總值不超過1.5，車體最大側(cè)滾角的峰值不超過6°，車輪最小垂直載荷始終不小于車輪靜載荷的10%。此類軌道不平順一般出現(xiàn)在道岔、低軟點(diǎn)或表面損壞的軌道處。

⑥方向不平順響應(yīng)試驗(yàn)

試驗(yàn)軌道軌面是波長11.9 m、波幅31.8 mm的正弦曲線，軌距1 460 mm，軌長61 m。試驗(yàn)旨在要確認(rèn)車輛通過搖頭和側(cè)滾激擾的方向不平順線路時(shí)具有良好的動(dòng)力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果要求轉(zhuǎn)向架一側(cè)Q/P值不超過0.6，輪軸Q/P總值不超過1.5。

⑦動(dòng)態(tài)曲線通過性能試驗(yàn)

試驗(yàn)外側(cè)軌道含有首尾相接、波幅為25.4 mm的波段構(gòu)成的圓弧所形成25.4 mm的軌距偏差，波幅為25.4 mm的橫向高低不平順。試驗(yàn)的目的要確認(rèn)車輛通過具有軌距偏差和橫向高低偏差的曲線軌道時(shí)具有良好的動(dòng)力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果要求在試驗(yàn)中單個(gè)車輪Q/P值不超過1.0，輪軸Q/P總值不超過1.5，車輪最小垂直載荷始終不小于車輪靜載荷的10%。

(2)歐洲試驗(yàn)方法

①準(zhǔn)靜態(tài)測量

歐洲規(guī)定車輛通過所有類型的曲線，因輪緣爬軌引起的脫軌可能性很低，但對(duì)機(jī)車并沒有特殊的要求。而對(duì)于客車車輛來說，必須驗(yàn)證車輛在通過具有下述特征的線路時(shí)不能脫軌:車輛定距扭曲度=15/2a*+2.0，其中2a*為車輛定距，m;轉(zhuǎn)向架固定軸距扭曲度=7－5/2a+，其中2a+為轉(zhuǎn)向架固定軸距;上述兩種情況的組合。

貨車車輛標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輪緣爬軌性能做了簡單的假設(shè)。針對(duì)不同參數(shù)，如車輛總長、軸距(二軸車輛)、車輛定距(轉(zhuǎn)向架車輛)、輪載、車體扭曲剛度、垂直彈簧剛度等，制定了相應(yīng)的安全條件。如果車輛符合相應(yīng)條件，則合格。

②動(dòng)態(tài)(高速條件下測量)

至少要在裝有測試儀器的轉(zhuǎn)向架的每個(gè)外側(cè)軸端上測量輪軌接觸橫向力Q和垂直力P。如果是軸式的貨車，則簡化測量轉(zhuǎn)向架外側(cè)軸的橫向力H。

(3)日本測試方法

提高最高運(yùn)行速度、曲線通過速度及通過道岔、曲線時(shí)的速度時(shí)，測量并驗(yàn)證脫軌系數(shù)。利用安裝在被試車輛上的測力輪對(duì)進(jìn)行測量，原則上采用電阻應(yīng)變計(jì)來測量車輪上產(chǎn)生的應(yīng)變(困難的情況下也可以測量車軸應(yīng)變)，測量輪重、橫向力的同時(shí)，測量測力輪對(duì)上的軸箱垂向振動(dòng)加速度，以便檢測鋼軌接頭的位置和輪重變化的時(shí)間歷程。使用輪重測量波形瞬時(shí)值或略去車輪輪重測量波形中急劇變化的成分(僅用于比較緩慢變化的脫軌系數(shù))的值作為輪重值。最后，將同時(shí)測得的橫向力與輪重的比值作為脫軌系數(shù)。

2.2 輪軌橫向力

(1)北美試驗(yàn)方法

北美對(duì)垂向或橫向軌道力(輪軌作用力)的臨界值并未作具體的限制要求。

(2)歐洲試驗(yàn)方法

歐洲除對(duì)輪軌橫向力有限制規(guī)定，并不對(duì)輪軌垂向力作限制。歐洲對(duì)橫向軌道力的限定與英國相似，但限值為英國限值的85%。

客車采用與英國相同的線路試驗(yàn)。雖然希望機(jī)車能符合客車車輛的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但歐洲對(duì)機(jī)車并沒有特殊的要求。貨車車輛也要符合相似的標(biāo)準(zhǔn)，也要通過線路試驗(yàn)，不同的是歐洲采用的限值標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)軸重而不是結(jié)合輪重和作用在一系懸掛上的橫向力。

HMAX≤0.85(10+P0/3)，其中HMAX為作用在軸箱上的橫向力，kN。

此外還規(guī)定了下列要求:

Haverage+δ≤0.5(10+P0/3)，式中δ為軌道試驗(yàn)中得到的H的標(biāo)準(zhǔn)偏差，kN。

(3)日本測試方法

主要用于直線提速、曲線提速、道岔提速、側(cè)線提速的各種試驗(yàn)，曲線提速和道岔側(cè)線提速時(shí)主要驗(yàn)證橫向力。另外為了比較試驗(yàn)列車不同類型車軸或者運(yùn)營列車等橫向力的發(fā)生狀態(tài)，根據(jù)需要一般可在地面采用鋼軌動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)變進(jìn)行橫向力的測量。

2.3 轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性試驗(yàn)

(1)北美試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在具有良好性能的軌道上進(jìn)行，旨在確認(rèn)車輛在運(yùn)行速度范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)橫向失穩(wěn)或蛇行失穩(wěn)。對(duì)于客車，要求在高于臨界速度時(shí)，構(gòu)架橫向加速度有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度;規(guī)定貨車車輛的試驗(yàn)速度在112.5 km/h以下。分析同時(shí)，需要輪軌力和車體橫向加速度的大小維持在足以保證車輛有足夠的脫軌安全裕度范圍內(nèi)。

根據(jù)已經(jīng)測試過的并在有效范圍內(nèi)的車輛參數(shù)建立分析模型，對(duì)車輛通過直線、半徑為3.5 km和1.75 km曲線的狀態(tài)進(jìn)行分析。通過分析確定車輛在高于某一速度運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)因輪對(duì)橫向振動(dòng)的振幅過大而引起輪緣與軌緣連續(xù)接觸這一情況下的速度。

試驗(yàn)采用具有北美標(biāo)準(zhǔn)磨耗踏面的空載車輛，通過一段假定軌面干燥的新軌道，摩擦系數(shù)為0.5，線路為直線且性能優(yōu)良，輪軌匹配等效錐度不小于0.15(必要時(shí)可通過調(diào)節(jié)軌距來獲得這一錐度)。并在該車輛每個(gè)轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向軸位置裝測力輪對(duì)。

分析和試驗(yàn)結(jié)果若滿足在610 m長的線路上，車輛橫向加速度的未加權(quán)方差不得超過2.6 m/s2，軸Q/P總值不得超過1.5即為合格。

(2)英國的試驗(yàn)方法

仿真計(jì)算試驗(yàn)采用目前已認(rèn)可的多自由度模型直線計(jì)算方法，需要車輛對(duì)臨界速度有一定的安全裕量(通常為10%)，等效錐度要能夠反映實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能遇到的等效錐度，蠕滑力要在Kalker蠕滑力系數(shù)的一半到全值之間變動(dòng)，并要求阻尼值不得低于特定的值。

線路試驗(yàn)也被用來確定是否存在規(guī)定范圍內(nèi)的阻尼。在檢測到失穩(wěn)的情況下，要在存在問題的地方測量鋼軌廓形和試驗(yàn)車輛的車輪型面。

(3)歐洲的試驗(yàn)方法

歐洲通過線路試驗(yàn)測量相關(guān)加速度來確定車輛是否符合相關(guān)規(guī)定，測量每個(gè)端部輪對(duì)上方轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫向加速度y+。對(duì)于客車，歐洲規(guī)定構(gòu)架的橫向加速度不得超過8.0 m/s2，頻率介于4.0～8.0 Hz，對(duì)機(jī)車并沒有特殊的要求。貨車車輛通過參照在軸箱上測到的橫向力進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)。

2.4 評(píng)價(jià)方法對(duì)比

(1)脫軌評(píng)價(jià)方法對(duì)比

北美對(duì)貨車車輛脫軌的安全性評(píng)價(jià)是通過大量的線路試驗(yàn)并輔以仿真分析來完成。線路試驗(yàn)在設(shè)有特定幾何形狀并有激擾的軌道上進(jìn)行，以此激起車輛系統(tǒng)的非正常運(yùn)行狀態(tài)。軌道根據(jù)波長為1.9 m(不必用最差狀況軌道)建造的，并不力求和任何實(shí)際運(yùn)用中的軌道幾何形狀和狀況完全相同，被試車輛安裝了包括測力輪對(duì)在內(nèi)的試驗(yàn)設(shè)備。仿真分析時(shí)，設(shè)計(jì)者輸入?yún)⒘縼泶_定既定的軌道幾何形狀，從而檢測已設(shè)計(jì)的方案。

英國對(duì)于車輛脫軌評(píng)價(jià)的方法和北美有著明顯的不同。英國不對(duì)車輛進(jìn)行線路測試，而是基于靜態(tài)試驗(yàn)和非線性模擬。靜態(tài)試驗(yàn)用來確定軌道扭曲和轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)車輛脫軌的影響;非線性模擬用來確定車輛在通過極端但又現(xiàn)實(shí)軌道時(shí)的脫軌安全性能。

歐洲將測試和仿真分析結(jié)合運(yùn)用。通過仿真分析得出具體的軌道扭曲對(duì)車輛脫軌安全性能的影響;測試在具有最小曲線半徑和極端扭曲的實(shí)際運(yùn)行軌道上進(jìn)行且車輛裝有測力輪對(duì)。

日本還利用輪重減載率評(píng)價(jià)運(yùn)行安全，歐洲和北美則沒有該項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)輪軌作用力評(píng)價(jià)方法對(duì)比

除北美外，英國、日本和歐洲都對(duì)最大輪軌力作了限定，但北美對(duì)靜軸重做了限定。英國對(duì)橫向和垂向輪軌力都有限定，歐洲只對(duì)橫向輪軌力有限定。

英國測試過程通常都先采用分析的方法進(jìn)行，對(duì)特定分散的軌道不平順進(jìn)行計(jì)算(在垂直方向上，這種不平順表現(xiàn)為嚴(yán)重的平行軌接頭下沉)，橫向軌道輸入作為一個(gè)理想的具有變化幅值和波長的不平順，且足以引起橫向懸掛裝置的極限運(yùn)動(dòng)。此外，還用到了如道岔和岔芯這樣的結(jié)構(gòu)。最后，將輪對(duì)慣性力和一系懸掛力相加后得到動(dòng)態(tài)輪軌力。在對(duì)分析結(jié)果存在疑問時(shí)，才進(jìn)行線路試驗(yàn)。歐洲和日本對(duì)橫向輪軌力的測定是通過測力輪對(duì)在線路試驗(yàn)完成的。

(3)關(guān)于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性(橫向穩(wěn)定性)評(píng)價(jià)方法的對(duì)比

無論北美、英國還是歐洲，都采用線路試驗(yàn)并輔以分析計(jì)算對(duì)車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。北美要求車體橫向加速度和軸Q/P總值符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，而英國和歐洲以車體和構(gòu)架橫向加速度為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)客車進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性測試，對(duì)于貨車車輛則以橫向輪軌力為標(biāo)準(zhǔn)。日本不采用構(gòu)架加速度對(duì)構(gòu)架橫向穩(wěn)定性進(jìn)行判定。

2.5 小結(jié)

北美、英國和歐洲的車輛安全性評(píng)價(jià)方法有著很大的區(qū)別。主要的區(qū)別在于北美致力于確定避免脫軌。因?yàn)楸泵黎F路主要用于貨物運(yùn)輸，而英國和歐洲鐵路則主要用于客運(yùn)，所以北美線路幾何品質(zhì)差、軸重大;英國、歐洲線路質(zhì)量要求高?？紤]到北美的軸重要比英國和歐洲高得多，北美的另一顯著特點(diǎn)是沒有對(duì)動(dòng)態(tài)垂向和橫向輪軌力做出限定。

運(yùn)行品質(zhì)在北美不屬于貨車車輛安全性評(píng)價(jià)范圍。但由于將來會(huì)更多的測重于運(yùn)行品質(zhì)(特別是在用于運(yùn)輸汽車的用途條件下)，這一點(diǎn)可能會(huì)改變。

在北美和歐洲的線路試驗(yàn)中，測力輪對(duì)起著重要作用，但英國卻不用測力輪對(duì)。

英國的安全性評(píng)價(jià)方法對(duì)非線性模擬計(jì)算的依賴程度比歐洲和北美高得多。對(duì)新車進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)投入的費(fèi)用相當(dāng)多，尤其是采用北美的方法。隨著非線性模擬計(jì)算的發(fā)展，對(duì)新車進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)的費(fèi)用相應(yīng)會(huì)減少。然而，由非線性模擬程序所做出的預(yù)測準(zhǔn)確性必須要通過所有類型車輛的驗(yàn)證才能進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。尤其是許多貨車車輛的設(shè)計(jì)采用了復(fù)雜的懸掛裝置，模擬的精確度大大依賴于所用的車輛參數(shù)。所以，這些參數(shù)要經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，才能進(jìn)行非線性模擬計(jì)算。

日本與歐洲存在2個(gè)差別:不采用構(gòu)架橫向加速度來評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性;但采用輪重減載率來評(píng)價(jià)脫軌安全。

3 結(jié)論與建議

綜上所述，得出的結(jié)論如下:

(1)國內(nèi)外鐵道行業(yè)關(guān)于列車運(yùn)行的輪軌動(dòng)力學(xué)和安全性全部試驗(yàn)項(xiàng)目為:脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪重(垂向力)、輪軌橫向力、構(gòu)架橫向穩(wěn)定性、車體加速度。前4項(xiàng)基本通過測力輪對(duì)測試，最后兩項(xiàng)主要通過在構(gòu)架和車體安裝加速度傳感器進(jìn)行測量。

(2)中國的高速列車型式試驗(yàn)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試，對(duì)以上項(xiàng)目均進(jìn)行測量、驗(yàn)證，涵蓋了國外列車運(yùn)行時(shí)輪軌動(dòng)力學(xué)和安全性的所有測量項(xiàng)目。

(3)國內(nèi)外鐵道行業(yè)關(guān)于輪軌動(dòng)力學(xué)和安全性試驗(yàn)項(xiàng)目的具體測量方法和評(píng)定限值存在諸多差別。

(4)我國輪軌動(dòng)力學(xué)研究成果及限值和安全性試驗(yàn)方法經(jīng)歷了不同型號(hào)、不同速度等級(jí)高速動(dòng)車組型式試驗(yàn)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試的考驗(yàn)，能夠滿足高速列車試驗(yàn)要求。

雖然近年來國內(nèi)外許多學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了大量的研究工作，提出了一些新的評(píng)判方法和限值，但這些評(píng)定限值尚未得到廣泛的認(rèn)可，還未形成新的標(biāo)準(zhǔn)。目前我國車輛型式試驗(yàn)與聯(lián)調(diào)聯(lián)試的輪軌動(dòng)力學(xué)與安全性試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)形成，但跟蹤試驗(yàn)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未形成，建議有更多學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)研究制定跟蹤試驗(yàn)輪軌動(dòng)力學(xué)與安全性的試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以掌握高速列車在服役過程中的性能變化規(guī)律以及運(yùn)行安全狀態(tài)。

［1］ 王福天.車輛動(dòng)力學(xué)［M］.北京:中國鐵道出版社，1981.

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［5］ 鐵建設(shè)〔2010〕214號(hào) 高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收指導(dǎo)意見［S］.

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［9］ 日本鐵道綜合技術(shù)研究所.既有線鐵路運(yùn)營提速試驗(yàn)手冊［S］.1993.

［10］ 任尊松.車輛動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京中國鐵道出版社，2009.

Comparison of the Wheel Rail Dynamics Method

LIN Yang1，LI Hongwei2，TANG Yujie3
(1 Locomotive＆Car Research Institute，China Academic of Railway Science，Beijing 100081，China; 2 CNR Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China; 3 East China Jiaotong University，Nanchang 330013 Jiangxi，China)

High speed trains wheel rail dynamics and safety test method is not all the same in our country and abroad.China Railway Highspeed has operation mileage reaching into nearly 10，000 kilometers，so it is necessary to evaluate the wheel rail dynamics and safety test method.Domestic and foreign high speed trains wheel rail dynamics theory and method of safety test are explored，and the four aspects of wheel rail dynamics and safety test methods including the derailment coefficient，reduction rate of wheel load，wheel-rail lateral force and the bogie stability are confirmed.Then，the standard research status，the limit value，test methods and applications at home and abroad are analyzed concretely.The evaluation result shows that china railway high-sped lines experiment and vehicles test cover the above four aspects of testing，and all aspects can meet the high speed trains dynamics and safety requirements.

high speed trains;wheel rail dynamics;safety;test method

U260.11

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.05

1008－7842(2015)01－0025－07

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(20141CB711104)林洋(1982—)男，工程師(

2014－06－06)