王林棟

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

基于振動(dòng)響應(yīng)的高速鐵路鋼軌波磨快速檢測(cè)方法

王林棟

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

鋼軌波磨可能引起車輛部件持續(xù)振動(dòng)甚至損傷，是我國(guó)高鐵需要解決的重要問(wèn)題之一?，F(xiàn)有直接測(cè)量法因效率低下不能滿足長(zhǎng)大線路的檢測(cè)需求，車載測(cè)量法的檢測(cè)精度有待提高，這2種方法均無(wú)法有效反映出波磨對(duì)車輛部件的不利影響。因此需要一種新的檢測(cè)方法，以快速發(fā)現(xiàn)與車輛部件振動(dòng)和損傷密切相關(guān)的鋼軌波磨。通過(guò)多次測(cè)試我國(guó)高鐵鋼軌波磨并分析軸箱振動(dòng)特征，提出振動(dòng)響應(yīng)快速檢測(cè)法。該方法能夠通過(guò)高速列車上的軸箱振動(dòng)加速度測(cè)試數(shù)據(jù)快速得到鋼軌波磨情況和對(duì)應(yīng)里程位置，為鋼軌打磨提供依據(jù)。

高速鐵路；鋼軌波磨；快速檢測(cè)；振動(dòng)響應(yīng)

0 引言

鋼軌波磨是產(chǎn)生輪軌嘯叫噪聲和接觸共振的主要原因之一。輪軌嘯叫經(jīng)常引起局部噪聲超標(biāo)，接觸共振很容易導(dǎo)致車輛部件損傷，以至影響列車安全。隨著我國(guó)高速鐵路的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，鋼軌波磨（見(jiàn)圖1）問(wèn)題越來(lái)越受到重視。

經(jīng)過(guò)一百多年的研究，對(duì)于鋼軌波磨的特征、機(jī)理和分類已經(jīng)比較明確，并逐漸摸索出一些預(yù)防和解決的方法。1993年，Grassie和Kalousek根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和大量文獻(xiàn)研究結(jié)果，按鋼軌波磨的波長(zhǎng)、機(jī)理和軌道類型，將鋼軌波磨分為6類：重載波磨（200～300 mm）、輕軌波磨（500～1 500 mm）、彈性軌枕波磨（45～60 mm）、接觸疲勞波磨（150～450 mm）、車轍型波磨（50 mm（電車）、150～400 mm）、響軌波磨（25～80 mm）[1]，其中響軌波磨、彈性軌枕波磨等已經(jīng)在我國(guó)多條高速鐵路上出現(xiàn)。佐藤吉彥等評(píng)述了世界范圍內(nèi)（特別是日本）鋼軌波磨的調(diào)查和形成機(jī)理等主要研究成果[2]。譚立成等對(duì)大量既有線鋼軌波磨現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)研，對(duì)波磨的形成機(jī)理進(jìn)行初步系統(tǒng)的試驗(yàn)和理論研究[3]。馬培德等對(duì)鋼軌波磨形成原因進(jìn)行分析，并給出預(yù)防措施[4]。

圖1 鋼軌波磨現(xiàn)象

近年來(lái)，我國(guó)在鋼軌波磨的機(jī)理和整治方面也取得了很大進(jìn)步。劉啟躍等在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)波磨形成過(guò)程進(jìn)行模擬和形成機(jī)理研究[5]。張繼業(yè)等采用滾動(dòng)接觸理論建立彈塑性非穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)接觸有限元模型，計(jì)算輪軌間的蠕滑力和摩擦功，從力學(xué)角度對(duì)波磨的形成和發(fā)展機(jī)理進(jìn)行研究[6]。王立乾針對(duì)我國(guó)高速鐵路波磨特點(diǎn)，分析形成波磨的動(dòng)力類成因和鋼軌材質(zhì)的影響，總結(jié)出系列預(yù)防和減緩措施[7]。姜子清等根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合仿真分析研究波磨對(duì)輪軌垂直力和水平力的影響[8]。

1 鋼軌波磨測(cè)量方法和特點(diǎn)

鋼軌波磨的測(cè)量方法分為2種：直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。

直接測(cè)量法是指通過(guò)放置在鋼軌表面的傳感器測(cè)量鋼軌表面短波不平順的方法。該方法可直接測(cè)量出波磨的幾何特征參數(shù)，不受任何輪軌接觸的影響，測(cè)試結(jié)果直觀，精度較高。國(guó)際上通常采用直接測(cè)量法作為評(píng)價(jià)鋼軌波磨及制定打磨策略的測(cè)量依據(jù)。

直接測(cè)量法的缺點(diǎn)是測(cè)量速度慢，耗時(shí)耗力。為了快速測(cè)量，近年來(lái)出現(xiàn)了車載測(cè)量法。該方法將激光傳感器等設(shè)備安裝到車輛上，在車輛快速運(yùn)行中對(duì)波磨幾何參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。車載測(cè)量法是一種介于直接測(cè)量和間接測(cè)量之間的測(cè)量方法，相比直接測(cè)量法精度較低。

間接測(cè)量法是指通過(guò)輪軌接觸作用下的車輛響應(yīng)間接指標(biāo)，推算出鋼軌波磨的波長(zhǎng)等特征參數(shù)。間接測(cè)量指標(biāo)包括車輛軸箱振動(dòng)、噪聲或輪軌力等。該方法缺點(diǎn)是受到車輛和軌道結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等因素影響較大，不能準(zhǔn)確給出波磨幾何參數(shù)；優(yōu)點(diǎn)是能夠方便快捷地確定鋼軌波磨出現(xiàn)的地段，并能發(fā)現(xiàn)一些鋼軌初期波磨。

間接測(cè)量法還可以非常有針對(duì)性地獲得波磨對(duì)車輛特定參數(shù)的影響。如需要獲取波磨對(duì)車輛軸箱體的影響，可直接測(cè)試軸箱體的振動(dòng)響應(yīng)參數(shù)并進(jìn)行評(píng)估。如果需要獲取波磨對(duì)噪聲的影響，可直接測(cè)試噪聲參數(shù)并進(jìn)行評(píng)估。如需獲取波磨對(duì)輪軌穩(wěn)定性的影響，可直接測(cè)試輪軌力并進(jìn)行評(píng)估?？梢?jiàn)，間接指標(biāo)是鋼軌波磨與車輛和鋼軌結(jié)構(gòu)耦合作用的結(jié)果，對(duì)于特定需求可選擇相應(yīng)的間接指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。

鋼軌波磨會(huì)引起車輛部件持續(xù)振動(dòng)甚至損傷，是我國(guó)高速鐵路需要解決的重要問(wèn)題之一?，F(xiàn)有直接測(cè)量法因效率低下不能滿足長(zhǎng)大線路的檢測(cè)需求，車載測(cè)量法的檢測(cè)精度難以滿足要求。而且車輛部件的振動(dòng)與車輛結(jié)構(gòu)自身密切相關(guān)，直接測(cè)量法和車載測(cè)量法得到的波磨幾何參數(shù)難以合理評(píng)估對(duì)部件振動(dòng)的影響。因此需要一種新的檢測(cè)方法，以快速發(fā)現(xiàn)與車輛部件振動(dòng)和損傷密切相關(guān)的鋼軌波磨。

通過(guò)多次測(cè)試我國(guó)高速鐵路鋼軌波磨并分析軸箱振動(dòng)特征，提出“振動(dòng)響應(yīng)快速檢測(cè)法”，該方法屬于間接測(cè)量法。

2 振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量方法相關(guān)參數(shù)分析

2.1 鋼軌波磨幾何參數(shù)測(cè)量

近年來(lái)，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院采用直接測(cè)量法對(duì)武廣高鐵、貴廣鐵路、蘭新鐵路和海南高鐵等部分區(qū)段的鋼軌波磨情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)，鋼軌波磨波長(zhǎng)大多在30～130 mm，波磨深度在0.03～0.08 mm。

表1 鋼軌波磨直接測(cè)量結(jié)果 mm

2.2 軸箱體振動(dòng)頻率分析

軸箱體振動(dòng)頻率主要與2個(gè)因素密切相關(guān)：

（1）各速度級(jí)下鋼軌波磨的激振頻率；

（2）軸箱體的固有頻率。

激振頻率與鋼軌波磨波長(zhǎng)和車輛運(yùn)行速度相關(guān)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)頻率越低，速度越高頻率越高。

為包含多數(shù)運(yùn)營(yíng)情況，分析激振頻率范圍時(shí)速度級(jí)選擇160～350 km/h，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各速度級(jí)下激振頻率 Hz

由表2可知，最高激振頻率為3 241 Hz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為30 mm，對(duì)應(yīng)速度為350 km/h；最低激振頻率為342 Hz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為130 mm，對(duì)應(yīng)速度為160 km/h。

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司組織對(duì)時(shí)速350 km動(dòng)車組軸箱體和時(shí)速250 km動(dòng)車組軸箱體進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。固有頻率最高1 270 Hz、最低604 Hz。

在高速列車上安裝軸箱振動(dòng)加速度傳感器，對(duì)多條高速鐵路鋼軌波磨區(qū)段進(jìn)行測(cè)試。軸箱振動(dòng)主要頻率見(jiàn)表4。實(shí)測(cè)主要頻率為370～1 100 Hz。

表3 軸箱體固有頻率 Hz

表4 高速列車實(shí)測(cè)軸箱振動(dòng)頻率 Hz

雖然波長(zhǎng)小于50 mm的鋼軌波磨在高速時(shí)激振頻率可能達(dá)到2 000 Hz以上，但線路實(shí)測(cè)中軸箱振動(dòng)主要頻率（370～1 100 Hz）和軸箱體固有頻率（604～1 270 Hz）均未超過(guò)2 000 Hz。考慮車型、車速等因素與已有實(shí)測(cè)對(duì)象可能存在差異，在振動(dòng)響應(yīng)快速檢測(cè)法中頻率分析選擇300～2 000 Hz比較合理。如果測(cè)試中振動(dòng)主要頻率超出這一范圍，數(shù)據(jù)分析應(yīng)適當(dāng)調(diào)整頻率分析范圍。

2.3 計(jì)算窗口長(zhǎng)度分析

BS EN ISO 3095和BS EN 15610對(duì)鋼軌表面粗糙度的測(cè)量方法和限值進(jìn)行了規(guī)范[9-10]，BS EN 13221-3規(guī)定了鋼軌打磨的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[11]。

《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》（鐵總運(yùn)［2014］357號(hào)）規(guī)定了國(guó)內(nèi)鋼軌打磨驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，要求手工檢測(cè)時(shí)連續(xù)測(cè)量鋼軌長(zhǎng)度為30 m。采用波磨測(cè)量?jī)x測(cè)量時(shí)選擇的區(qū)段一般大于30 m。實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)波磨的鋼軌長(zhǎng)度一般超過(guò)30 m。

因此，在振動(dòng)響應(yīng)快速檢測(cè)法中采用30 m窗口長(zhǎng)度分析軸箱加速度。這一窗口長(zhǎng)度既可與手工檢測(cè)長(zhǎng)度保持一致，又可基本消除焊縫等孤立缺陷的干擾。采用滑動(dòng)計(jì)算，滑動(dòng)步長(zhǎng)選擇10 m，以獲得更密集準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

3 振動(dòng)響應(yīng)快速檢測(cè)法分析

振動(dòng)響應(yīng)快速檢測(cè)法以高速列車為載體，在輪對(duì)兩側(cè)軸箱體上安裝加速度傳感器，測(cè)試分析振動(dòng)加速度的有效值（RMS），從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)大線路鋼軌波磨的快速檢測(cè)。

加速度傳感器需要安裝在輪對(duì)兩側(cè)軸箱體上，測(cè)試方向?yàn)榇瓜?。必要時(shí)增加對(duì)橫向振動(dòng)的測(cè)試。加速度傳感器量程不小于±200g，頻率響應(yīng)范圍不小于2 000 Hz。信號(hào)采用連續(xù)采樣，采樣頻率不低于10 000 Hz。在部件振動(dòng)特性比較明確的情況下，可根據(jù)情況選擇其他合適的傳感器和采樣頻率。

根據(jù)上述測(cè)量和分析結(jié)果，數(shù)據(jù)處理時(shí)加速度頻率分析為300～2 000 Hz，滑動(dòng)計(jì)算窗口長(zhǎng)度為30 m，滑動(dòng)步長(zhǎng)為10 m。振動(dòng)響應(yīng)快速檢測(cè)法數(shù)據(jù)處理方法見(jiàn)表5。

表5 軸箱振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)處理方法

振動(dòng)加速度有效值（RMS）計(jì)算公式：

式中：y為加速度信號(hào)值；x為信號(hào)采樣間距；L為分析窗口長(zhǎng)度。

振動(dòng)加速度有效值與軌道類型、運(yùn)行速度等因素相關(guān)。為了更加客觀反映鋼軌波磨程度，可通過(guò)選擇參考段計(jì)算相對(duì)值的方法減弱此類因素的影響。參考段是一段比較光滑的無(wú)波磨線路區(qū)段，長(zhǎng)度大于30 m。參考段運(yùn)行速度級(jí)與需要檢測(cè)的線路區(qū)段相同。首先計(jì)算參考段的振動(dòng)加速度有效值RMS0，再計(jì)算其他檢測(cè)段相對(duì)參考段的振動(dòng)響應(yīng)比LR，計(jì)算公式如下：

式中：LR為振動(dòng)響應(yīng)比，無(wú)量綱；RMS為檢測(cè)段振動(dòng)加速度有效值；RMS0為參考段的有效值。

4 線路實(shí)測(cè)應(yīng)用效果

應(yīng)用振動(dòng)響應(yīng)快速檢測(cè)法檢測(cè)海南高鐵鋼軌波磨情況。裝有軸箱加速度傳感器的高速列車類型為CRH2C，運(yùn)行速度為200 km/h，與運(yùn)營(yíng)速度一致。

軸箱振動(dòng)加速度傳感器安裝位置見(jiàn)圖2，傳感器精度為2%，量程為±200g。振動(dòng)加速度有效值RMS計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。選擇未出現(xiàn)鋼軌波磨的一段線路作為參考段，計(jì)算軸箱振動(dòng)響應(yīng)比LR（結(jié)果見(jiàn)圖4）?？紤]人工選取參考段的不確定性，可采用同一速度級(jí)下最小RMS值作為參考段的RMS0值。從散點(diǎn)圖可以看出：在大部分區(qū)段未出現(xiàn)明顯鋼軌波磨；在個(gè)別區(qū)段，RMS和LR均出現(xiàn)相對(duì)較大的數(shù)值，其中RMS最大值為31.71 m/s2，LR最大值為12.18，對(duì)應(yīng)里程均為K31+745—775。

圖2 軸箱振動(dòng)加速度傳感器安裝位置

圖3 海南高鐵軸箱振動(dòng)加速度RMS數(shù)據(jù)散點(diǎn)

圖4 海南高鐵列車軸箱振動(dòng)響應(yīng)比LR數(shù)據(jù)散點(diǎn)

觀察RMS和LR最大值所在區(qū)段的軸箱振動(dòng)加速度原始數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖5），可見(jiàn)，軸箱振動(dòng)加速度明顯大于其他區(qū)段，振幅超過(guò)500 m/s2。加速度頻譜分析結(jié)果見(jiàn)圖6，存在非常明顯的805 Hz振動(dòng)主頻。

圖5 RMS和 LR最大值對(duì)應(yīng)軸箱振動(dòng)加速度波形

圖6 波磨區(qū)段軸箱加速度幅值譜

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)該區(qū)段鋼軌表面存在較明顯的波磨特征（見(jiàn)圖7）。采用鋼軌波磨測(cè)量?jī)x現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，結(jié)果表明波磨波長(zhǎng)約為63 mm，波磨幅值約為0.02 mm。波磨幅值雖然不是很大，但在輪軌耦合作用下已經(jīng)引起了較大的軸箱持續(xù)性振動(dòng)。

圖7 鋼軌表面存在的較明顯波磨特征

線路實(shí)測(cè)結(jié)果表明：RMS值和LR值能夠有效反映出鋼軌波磨引起的軸箱振動(dòng)響應(yīng)，可用于快速檢測(cè)鋼軌波磨。

5 結(jié)論

（1）振動(dòng)響應(yīng)快速檢測(cè)法，在高速列車上安裝車載設(shè)備，根據(jù)振動(dòng)加速度測(cè)試數(shù)據(jù)推斷鋼軌波磨情況，是檢測(cè)高速鐵路鋼軌波磨的一種有效方法。

（2）振動(dòng)加速度有效值RMS和振動(dòng)響應(yīng)比LR均與鋼軌波磨程度、車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，是輪軌耦合作用的結(jié)果，在檢測(cè)與部件持續(xù)振動(dòng)和損傷相關(guān)的鋼軌波磨時(shí)尤為適用。

（3）振動(dòng)響應(yīng)快速檢測(cè)法尚需進(jìn)一步研究和改進(jìn)，特別是在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面進(jìn)一步明確，才能更加有效地指導(dǎo)鋼軌打磨整治工作。

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責(zé)任編輯高紅義

The Fast Testing Method of High Speed Railway Rail Corrugation on the Basis of Vibration Response

WANG Lindong
（Locomotive & Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Rail corrugation may cause continuous vibration and even damage of car components, which is a key problem needed to be solved for high speed railway in China. Current direct measurement cannot meet the detection requirements for long and large track due to its low efficiency, and the detecting precision of onboard measurement also need to be improved. Both measurements cannot reflect unfavorable influence on car components. Therefore, we need a new detecting method to fnd rail corrugation quickly that is relevant to the vibration and damage of car components. After testing high speed railway rail corrugation repeatedly and analyzing the vibration features of driving box, vibration response fast testing method is presented. The method can get rail corrugation condition and corresponding mileage location through vibration acceleration testing data of driving box on high speed train, providing basis for rail grinding.

high speed railway；rail corrugation；fast test；vibration response

U216.6

：A

：1001-683X（2017）07-0044-06DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2017.07.044

2017-03-16

王林棟（1976—），男，副研究員。 E-mail：13521785825@139.com