李修文 曾承志 楊榮華 唐德堯

(1.唐智科技湖南發(fā)展有限公司，410083，長沙；2.北京唐智科技發(fā)展有限公司，100038，北京∥第一作者，高級(jí)工程師)

軌道作為城市軌道交通列車的行車基礎(chǔ)，其質(zhì)量和工作狀態(tài)對(duì)整個(gè)線路及行車安全有著直接的影響。在日常運(yùn)營過程中，隨著列車輪對(duì)的反復(fù)壓迫和沖擊，軌道將出現(xiàn)垂向和橫向的動(dòng)態(tài)形變和永久形變[1-3]；同時(shí)，因受焊接材料、焊接工藝水平和養(yǎng)護(hù)維修等多方面因素的影響，在車輪反復(fù)輾壓作用下，軌道焊接接頭會(huì)發(fā)生低塌等病害[4]，使得軌道出現(xiàn)各種安全隱患，嚴(yán)重威脅列車的運(yùn)營安全性及乘客的舒適性。因此，研究不同類型軌道故障引發(fā)的輪軌沖擊響應(yīng)特征，對(duì)軌道故障診斷而言意義重大。

當(dāng)車輪在有故障的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，周期性的沖擊會(huì)引起整個(gè)車輛、軌道系統(tǒng)的藕合振動(dòng)，這樣不僅會(huì)縮短列車各個(gè)部件的使用壽命，而且是造成車輛顛覆、燃軸和切軸的重要原因[5-7]?，F(xiàn)階段檢測(cè)軌道故障的方法多種多樣，有超聲波檢測(cè)、聲發(fā)射、微波檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)等[8]。隨著現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，基于運(yùn)營車輛的軌道檢測(cè)技術(shù)也得到了發(fā)展[3]。在運(yùn)營車輛上直接加裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為今后軌道故障檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。軌道在線監(jiān)測(cè)技術(shù)核心在于信號(hào)處理，因而對(duì)其故障引發(fā)的信號(hào)進(jìn)行研究是軌道故障檢測(cè)的基礎(chǔ)。

本文主要針對(duì)軌道存在斷裂故障、裂紋故障和表面平直度故障時(shí)的沖擊特征進(jìn)行研究，通過動(dòng)力學(xué)模型仿真分析各故障下的沖擊特征差異，并通過與實(shí)際測(cè)試出現(xiàn)的故障數(shù)據(jù)特征進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為軌道故障主動(dòng)診斷提供參考。

1 軌道常見故障類型

從軌道故障的宏觀特征和形成機(jī)理上，可將軌道故障分為：核傷、縱向裂紋、螺孔裂紋、焊接接頭、擦傷裂紋和水平裂紋等[9]，其中軌道裂紋和斷裂屬于較為嚴(yán)重的故障。以上故障都能在車輛運(yùn)行過程中引起強(qiáng)烈的輪軌沖擊。若能提取并識(shí)別各類故障引起的輪軌沖擊信息存在的差異，就能對(duì)軌道狀態(tài)進(jìn)行診斷，并基于相應(yīng)的沖擊特征確定具體的故障類型。部分常見軌道故障形態(tài)如圖1所示。

圖1 常見軌道故障形態(tài)

2 軌道故障引發(fā)的輪軌沖擊仿真分析

為研究各類型軌道故障引發(fā)的輪軌沖擊信息特征，擬通過動(dòng)力學(xué)建模仿真方法，對(duì)軌道存在斷裂、內(nèi)部裂紋和平直度這三種常見故障時(shí)的輪軌沖擊信息進(jìn)行分析。

2.1 軌道斷裂故障引發(fā)的輪軌沖擊仿真

對(duì)有縫軌道來說，接縫寬度安裝時(shí)的規(guī)定為6 mm，軌道斷裂斷口寬度一般大于該值(曾出現(xiàn)的軌道斷裂的斷口寬為15 mm)。研究軌道斷裂引發(fā)的輪軌沖擊信息建立的模型斷口寬度為20 mm(如圖2所示)。

圖2 軌道斷裂故障仿真模型圖

基于圖2的仿真模型。通過有限元顯式動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算，車輪轉(zhuǎn)速在120 r/min、240 r/min和450 r/min這三種狀態(tài)下的輪軌沖擊信息表現(xiàn)如圖3所示。

圖3 不同車輪轉(zhuǎn)速下的軌道斷裂仿真分析結(jié)果

圖3所示的仿真結(jié)果表明，當(dāng)軌道斷裂時(shí)，所呈現(xiàn)的沖擊特征主要表現(xiàn)為多簇形式(3簇及以上)。其中：低轉(zhuǎn)速下為3簇明顯的沖擊，而轉(zhuǎn)速增高則進(jìn)一步增至4簇及以上。

2.2 軌道內(nèi)部裂紋故障引發(fā)的輪軌沖擊仿真

軌道內(nèi)部裂紋模型建立基于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中出現(xiàn)的裂紋形態(tài)(如圖1所示)為依據(jù)，最終建立的軌道內(nèi)部裂紋模型如圖4所示。

圖4 軌道內(nèi)部裂紋仿真模型圖

同樣通過仿真計(jì)算得到軌道內(nèi)部裂紋時(shí)，車輪轉(zhuǎn)速在120 r/min、240 r/min和450 r/min這三種狀態(tài)下的輪軌沖擊信息表現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 不同車輪轉(zhuǎn)速下的軌道內(nèi)部裂紋仿真分析結(jié)果

圖5所示的仿真結(jié)果表明，軌道內(nèi)部裂紋時(shí)，所呈現(xiàn)的沖擊特征主要表現(xiàn)為一簇明顯的沖擊。其中：車輪低轉(zhuǎn)速下引起的沖擊幅值高；隨著車輪轉(zhuǎn)速升高，沖擊幅值逐漸降低。

2.3 軌道平直度故障引發(fā)的輪軌沖擊仿真

軌道的平直度故障是軌道表面缺陷的主要表現(xiàn)形式。本文通過建立軌道表面存在凹特征來模擬軌道平直度故障，最終建立的軌道平直度故障模型如圖6所示。

基于圖6分析模型，同樣通過仿真計(jì)算得到軌道存在平直度故障時(shí)，車輪轉(zhuǎn)速在120 r/min、240 r/min和450 r/min這三種狀態(tài)下的輪軌沖擊信息表現(xiàn)，如圖7所示。

圖6 軌道平直度故障特征示意圖

圖7所示的仿真結(jié)果表明，軌道平直度故障所呈現(xiàn)的沖擊特征主要表現(xiàn)為2簇明顯的輪軌沖擊。其中：車輪低轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的沖擊幅值低；隨著車輪轉(zhuǎn)速變高，沖擊幅值顯著增高。

圖7 不同車輪轉(zhuǎn)速下的軌道平直度故障仿真分析結(jié)果

2.4 軌道故障引發(fā)的輪軌沖擊特征總結(jié)

通過以上仿真研究表明，不同類型軌道故障引發(fā)的輪軌沖擊特征表現(xiàn)及幅值(見表1)存在一定差異。具體特征總結(jié)如下：

表1 不同車輪轉(zhuǎn)速下各類型軌道故障的沖擊響應(yīng)最大值(無量綱)

1)軌道斷裂引發(fā)的輪軌沖擊特征主要表現(xiàn)為多簇形式：輪軌轉(zhuǎn)速低時(shí)，輪軌沖擊表現(xiàn)為3簇；隨著輪軌轉(zhuǎn)速增高，沖擊簇更多。產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因可能為車輪經(jīng)過斷裂區(qū)域激發(fā)了車輛簧下部分的廣義共振。

2)軌道內(nèi)部裂紋引發(fā)的輪軌沖擊特征主要表現(xiàn)為一簇沖擊，且在車輪低轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的沖擊幅值高；隨著輪軌轉(zhuǎn)速升高，沖擊幅值降低明顯。初步認(rèn)為主要原因是軌道裂紋故障時(shí)高轉(zhuǎn)速下車輪迅速離開裂紋區(qū)域，裂紋導(dǎo)致的剛度降低還來不及對(duì)車輪產(chǎn)生沖擊；而低轉(zhuǎn)速下則能對(duì)車輪產(chǎn)生影響。

3)軌道平直度故障引發(fā)的輪軌沖擊特征主要表現(xiàn)為明顯的2簇沖擊，且車輪低轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的沖擊幅值較低。主要原因?yàn)檐囕啙L入該區(qū)域及滾出該區(qū)域?qū)⒎謩e產(chǎn)生沖擊。

3 現(xiàn)場(chǎng)軌道故障沖擊數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證上述仿真分析中軌道故障引發(fā)的輪軌沖擊特征的有效性，選擇了兩條安裝有軌道監(jiān)測(cè)功能設(shè)備的線路進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，其中一條線路的軌道為有縫軌道，另一條線路的軌道為無縫焊接軌道。為了便于確定軌道故障的公里標(biāo)位置和適用車速變化情況，采用的數(shù)據(jù)采集方式為轉(zhuǎn)速跟蹤采樣。本試驗(yàn)的采樣頻率為200點(diǎn)/圈，即車輪每旋轉(zhuǎn)一周，等旋轉(zhuǎn)角度采集200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

3.1 軌道斷裂沖擊數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析

圖8和圖9為有縫軌道線路同一公里標(biāo)位置的兩組不同行車趟次的沖擊數(shù)據(jù)。對(duì)于有縫軌道，車輪正常運(yùn)行時(shí)，在兩根軌道的接縫處均會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊信號(hào)，且該沖擊表現(xiàn)為一簇明顯的窄脈沖。圖8和圖9中，除一簇窄脈沖之外，還存在明顯的多簇沖擊特征信息，表明其是非正常軌道接縫引起的沖擊信息，從特征上看，疑似軌道斷裂引發(fā)的沖擊信息。

圖8 某線下行線B272+60 km處疑似軌道斷裂數(shù)據(jù)一

圖9 某線下行線B272+60 km疑似軌道斷裂數(shù)據(jù)二

現(xiàn)場(chǎng)工務(wù)人員檢查反饋，該公里標(biāo)位置確為軌道接縫區(qū)域，且其寬度發(fā)生了明顯變化，達(dá)到15 mm(正常應(yīng)在6 mm)，相當(dāng)于形成了類似軌道斷裂的特征，故障照片如圖10所示。同時(shí)通過采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算，接縫沖擊與多簇沖擊之間間距大約為25 m，符合實(shí)際情況，進(jìn)而驗(yàn)證了仿真軌道斷裂引發(fā)的沖擊特征表現(xiàn)。

圖10 軌道接縫寬度超標(biāo)形成的類似斷裂照片

3.2 軌道平直度故障沖擊數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析

圖11和圖12為無縫焊接軌道線路檢測(cè)得到的兩組沖擊數(shù)據(jù)。從圖11和圖12為中均可看到一簇焊縫沖擊信息，另外還有疑似軌道平直度故障引發(fā)的明顯兩簇沖擊特征信息。

圖11 某線下行線右軌K1+702 km疑似平直度故障數(shù)據(jù)

圖12 某線下行線左軌K1+702 km疑似平直度故障數(shù)據(jù)

通過現(xiàn)場(chǎng)工務(wù)人員勘查軌道狀態(tài)確認(rèn)，在該線下行線右軌和左軌K1+702 km處均存在焊縫平直度故障，故障照片如圖13所示，進(jìn)而驗(yàn)證了仿真軌道平直度故障引發(fā)的沖擊特征表現(xiàn)。

圖13 某線下行線右軌和左軌K1+702 km處焊縫平直度故障照片

通過以上實(shí)際線路試驗(yàn)故障沖擊數(shù)據(jù)特征表現(xiàn)驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)仿真中部分軌道故障(軌道斷裂和軌道平直度故障)引發(fā)的沖擊特征的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)常見軌道故障的動(dòng)力學(xué)仿真研究，初步得到了各類軌道故障引發(fā)的沖擊特征表現(xiàn)，并基于實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)部分仿真沖擊特征進(jìn)行了驗(yàn)證。

1)通過動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，對(duì)軌道斷裂、內(nèi)部裂紋和軌道平直度這三種故障引發(fā)的沖擊特征進(jìn)行了總結(jié)。其中：軌道斷裂引發(fā)的沖擊特征主要表現(xiàn)為多簇形式，軌道內(nèi)部裂紋引發(fā)的則為一簇沖擊，而軌道平直度故障引發(fā)的沖擊特征為兩簇沖擊。

2)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn)沖擊數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了軌道斷裂故障和軌道平直度故障時(shí)的沖擊信息表現(xiàn)，與仿真結(jié)果基本一致。

3)本文提出的基于輪軌沖擊特征的識(shí)別診斷方法，可為后續(xù)軌道故障檢測(cè)識(shí)別提供參考。