基于钢轨波磨特征的车辆运行安全性评估及轮轨力预测.pdf

第5期2 0 2 3年9月N o.5S e p t.2 0 2 3研究开发文章编号:2 0 9 7-0 3 6 6(2 0 2 3)0 5-0 0 3 0-0 6 基于钢轨波磨特征的车辆运行安全性评估及轮轨力预测陈志洲(北京市地铁运营有限公司线路分公司,北京 1 0 0 0 3 2)摘 要:针对北京地铁6号线梯形轨枕直线段轨道上出现的钢轨波磨现象,通过M a t l a b编程建立了车辆-轨道耦合动力学垂向模型,以钢轨波磨特征及轨道垂向不平顺作为系统激励,从轮轨间作用力出发,基于线路实测数据分析和数值仿真研究相结合的方法,从时域和频域2个方面分析了不同波磨特征对轮轨垂向力的影响,以轮轨垂向力安全限值作为评判指标进行了车辆运行安全性评估。研究结果表明:轮轨垂向力随着波深的增大而增大,随着波长的增大而缓慢减小。利用B P神经网络搭建了波长、波深和轮轨垂向力间的关系,训练得到了轮轨力预测模型,该模型可以通过波磨特征准确预测轮轨垂向力幅值,与目前现有的检查手段相结合,能够为更好地指导轨道维修提供理论依据。关键词:钢轨波磨;车辆-轨道耦合动力学模型;动力学仿真;B P神经网络;轮轨力预测中图分类号:U 2 6 0.1 1 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 3 6 6.2 0 2 3.0 5.0 0 6S a f e t y E v a l u a t i o n o f V e h i c l e O p e r a t i o n a n d P r e d i c t i o n o f W h e e l-r a i l F o r c e B a s e d o n R a i l C o r r u g a t i o n C h a r a c t e r i s t i c sCHE N Z h i z h o u(L i n e B r a n c h o f B e i j i n g M e t r o O p e r a t i o n C o.,L t d.,B e i j i n g 1 0 0 0 3 2,C h i n a)A b s t r a c t:I n v i e w o f r a i l c o r r u g a t i o n o f t r a p e z o i d a l s l e e p e r o n t h e s t r a i g h t t r a c k o f B e i j i n g S u b w a y L i n e 6,a v e r t i c a l v e h i c l e-t r a c k c o u p l i n g d y n a m i c m o d e l i s e s t a b l i s h e d b y M a t l a b p r o g r a mm i n g.I t t a k e s r a i l c o r r u g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d t r a c k v e r t i c a l i r r e g u l a r i t y a s s y s t e m e x c i t a t i o n,s t a r t s f r o m t h e f o r c e b e t w e e n w h e e l a n d r a i l,a n d b a s e s o n t h e m e t h o d o f c o m b i n i n g m e a s u r e d d a t a a n a l y s i s a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s e a r c h t o a n a l y z e t h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n t c o r r u g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o n w h e e l-r a i l v e r t i c a l f o r c e f r o m t i m e d o m a i n a n d f r e q u e n c y d o m a i n,a n d e v a l u a t e t h e v e h i c l e r u n n i n g s a f e t y w i t h t h e s a f e t y l i m i t o f w h e e l-r a i l v e r t i c a l f o r c e a s t h e e v a l u a t i o n i n d e x.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e w h e e l-r a i l v e r t i c a l f o r c e i n c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f w a v e d e p t h a n d d e c r e a s e s s l o w l y w i t h t h e i n c r e a s e o f w a v e l e n g t h.T h e r e l a t i o n s h i p a m o n g w a v e l e n g t h,w a v e d e p t h a n d w h e e l-r a i l v e r t i c a l f o r c e i s e s t a b l i s h e d b y B P n e u r a l n e t w o r k,a n d t h e w h e e l-r a i l f o r c e p r e d i c t i o n m o d e l i s o b t a i n e d t h r o u g h t r a i n i n g.T h e m o d e l c a n a c c u r a t e l y p r e d i c t t h e a m p l i t u d e o f w h e e l-r a i l v e r t i c a l f o r c e t h r o u g h c o r r u g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s.C o m b i n e d w i t h t h e e x i s t i n g c h e c k m e t h o d s,i t c a n p r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r b e t t e r g u i d i n g t r a c k m a i n t e n a n c e.K e y w o r d s:r a i l c o r r u g a t i o n;v e h i c l e-t r a c k c o u p l i n g d y n a m i c m o d e l:d y n a m i c s i m u l a t i o n;B P n e u r a l n e t w o r k;w h e e l-r a i l f o r c e p r e d i c t i o n收稿日期:2 0 2 3-0 1-0 9第一作者:陈志洲(1 9 8 9),男,工程师。随着城市轨道交通的快速发展,地铁线路的钢轨波磨现象较为普遍,尤其在小半径曲线部分更为严重。钢轨波磨会加剧轮轨间的相互作用,使轮轨关系持续恶化,增加养护维修费用。日常维修作业中发现6号线中采用梯形轨枕的直线段轨道也出现了不同程度的钢轨波磨,这在地铁运营线路中是极为少见的,主要以波长2 05 0 mm、波深0.0 50.3 mm的短波长波磨形式出现,直线段钢轨波磨如图1所示。该区段频繁出现地脚螺栓弹簧垫圈断裂现象,弹簧垫圈断裂示意如图2所示,直线段列车通过时速度较快,轮轨间长时基于钢轨波磨特征的车辆运行安全性评估及轮轨力预测 陈志洲间的反复作用,严重时会影响正常行车。图1 直线段钢轨波磨图2 弹簧垫圈断裂轮轨力是衡量地铁运营安全性的重要指标,车辆行驶条件下的实时轮轨力信息对脱轨预测、车辆运行安全性评估都是非常有用的。获取轮轨力最直接的方式是使用专门的测力轮对进行测量,但通常情况下钢轨表面上存在的钢轨波磨都是由多种成分的波长叠加而成,列车运行时短波长波磨引起的轮轨间高频率信号,很难直接获取,且测试成本比较高。因此采用测力轮对法获取短波波长下的轮轨力存在很大的局限性。北京地铁线路设备检查坚持“动、静态相结合,结构检查与几何尺寸检查并重”的原则,其中以动态检查为主,主要是通过轨道检查车对线路的动态质量进行检测,包括轨距、水平、高低、轨向和三角坑,按照偏差等级对轨道状态进行评估,对出现I I级超限地段的线路进行重点维修。通过轨检车定期反馈可知6号线出现钢轨波磨的梯形轨枕直线段轨道上的线路几何尺寸通常情况下不会出现I I级超限,且符合北京地铁工务维修标准。然而线路振动在线监测结果表明列车以8 0 k m/h的速度在存有波长2 05 0 mm的线路上行驶时,波磨频率显著增大,人工添乘检查时,列车内明显感觉到剧烈晃动,经车轮与轨道之间长时间的反复作用,线路条件会不断恶化,严重时可能会影响正常行车。因此仅通过轨检车反馈报告进行轨道维修存在着一定的局限性。针对地铁运营线路上出现的钢轨波磨现象以及钢轨波磨对车辆轨道动态响应的影响,国内研究人员进行了大量的研究。杨超、彭华、姚典1-3等人建立了动力学仿真模型,采用数值仿真的方法,研究了钢轨波磨对轮轨间动力特性的影响。江万红、张晴等4-5进一步明确了不同波长条件下钢轨打磨限值标准。樊卿等6分析了列车以不同速度通过地铁直线段梯形轨枕轨道时轮轨动力作用及安全性指标。李伟7研究了波磨线路上钢轨扣件折断、松脱、疲劳失效的问题,他认为钢轨表面的短波长波磨会改变扣件弹条的动态受力状态,导致弹条过早疲劳失效。本文从车辆运行安全性的角度出发,研究了钢轨波磨对轮轨垂向力的影响,由于实时轮轨力信息难以直接获取,文章利用B P神经网络对轮轨垂向力幅值进行了预测,间接获取了轮轨力信息,与轨道检查车反馈结果相结合,进一步丰富了线路设备检查手段,更加精准指导轨道维修,对确保行车安全具有重要意义。1 仿真模型建立及数值积分法选择1.1 车辆-轨道耦合动力学垂向模型本文根据研究需要及实际运营情况,通过地铁B型车辆及轨道结构主要参数,利用M a t l a b软件建立车辆-轨道耦合动力学垂向模型,共计1 0自由度,如图3所示。地铁梯形轨枕道床属于减振道床形式,主要由钢轨、扣件、轨道板及轨下基础等部分组成,钢轨通过扣件固定在钢筋混凝土轨道板上。建模时钢轨采用E u l e r梁模型,钢轨和轨道板之间用弹簧阻尼等效扣件,同理轨道板和轨下基础之间同样用弹簧阻尼等效减振垫层。图3 车辆-轨道耦合动力学垂向模型1.1.1 车辆轨道参数表1给出了车体、转向架、轮对、一系悬挂、二系悬13第6 0卷第5期2 0 2 3年9月挂、连接轮对和转向架的一系减振弹簧参数以及连接车体跟转向架的二系减振弹簧参数,表2为轨道及部分梯形轨枕道床参数。表1 车辆结构参数车辆结构数值单位车体质量4 2t构架质量2 9 7 2k g轮对质量1 4 7 4k g一系垂向刚度1.2MN/m一系垂向阻尼1 0k N/(m/s)二系垂向刚度0.4 3 5MN/m二系垂向阻尼6 0k N/(m/s)构架轴距之比1.2 5-车辆定距6.3-车轮半径0.4 2m表2 轨道结构参数轨道参数数值单位钢轨质量6 0k g泊松比0.3-扣件垂向刚度4 0MN/m扣件垂向阻尼2 5k N/(m/s)扣件间隔0.6 2 5m1.1.2 波磨激励实际上钢轨表面的波磨不平顺是随机的,包含了众多波长和波深成分,在进行波磨不平顺效应分析时,若采取线路实测钢轨波磨为激励,则相当于输入了不同波长和波深的随机不平顺,很难分清并清晰地界定哪种长度和深度的波磨对车辆轨道动态响应影响较为明显。因此为更好地研究钢轨波磨对轮轨垂向力的影响,在仿真计算中每次只输入固定类型的波长和波深,由于钢轨波磨属于连续的谐波激扰,将现场实测的波磨特征参照文献8 按照式(1)采用位移输入函数进行模拟。考虑列车正常行驶时的轮轨振动响应,采用美国五级谱作为线路垂向不平顺激励,如图4所示。Zt =12a(1-t)0tn Lv(1)式中:Z表示波磨在钢轨表面垂向位置,t为时间变量,n为激扰波数,L为不平顺波长,a为不平顺波深,v为列车运行速度。1.2 N e w m a r k-积分法对于车辆动力学问题,由于系统的自由度较高,且轮轨接触频率高达5 0 0 H z以上,在计算动力学响应时要求极小的时间步长和高精度,因此本文在求解时采用N e wm a r k-积分法,其具有稳定性较好、收敛性强、时间步长便于选取等优点。图5给出了列车以8 0 k m/h运行速度通过波长3 0 mm、波深0.1 5 mm时梯形轨枕道床结构部分车辆及轨道动态响应时域图。图4 美国五级谱下轨道垂向不平顺图5 车辆和轨道动态响应时域图1.3 模型验证图6给出了2 0 1 9年北京地铁6号线梯形轨枕轨道直线段动位移测试结果,可以看出左轨垂向动位移最大 值 为1.2 6 mm,右 轨 垂 向 动 位 移 最 大 值 为1.3 3 mm,与图5(b)仿真结果进行对比,可以看出仿真结果相对于测试结果来说偏大,这主要是由于仿真模型中添加了波磨和轨道垂向不平顺激励,轮对、钢轨及轨道板间振动加剧导致,但与测试结果基本吻合,且满足钢轨垂向位移限值要求,说明本文模型计算准确。23基于钢轨波磨特征的车辆运行安全性评估及轮轨力预测 陈志洲图6 梯形轨枕轨道动位移测试结果2 仿真结果分析2.1 A W0和A W3工况下钢轨波磨对轮轨垂向力影响通常情况下列车在直线段运行时速度较快,图7给出了列车以速度8 0 k m/h在AW0和AW3工况下通过波长2 0 mm、波深0.0 50.3 mm时的轮轨垂向力变化规律,可以看出当波深达到0.3 mm时,AW0工况下轮轨垂向力幅值为1 4 0 k N;AW3工况下轮轨垂向力幅值由8 0 k N增至2 0 0 k N,相比无波磨情况下增长了1 5 0%,超出了轮轨垂向力安全限值标准。结合北京地铁日常运行情况,显然AW3工况是本文重点研究内容。AW0为空车不载客状态,AW3为最大载客状态。图7 AW0和AW3工况下轮轨垂向力对比2.2 不同波长、波深对轮轨垂向力的影响为探明不同波长的钢轨波磨对轮轨垂向力的影响,图8给出了波长2 0 mm、3 0 mm、4 0 mm、5 0 mm,波深0.0 5 mm激励下5.45.9 s内轮轨垂向力时域曲线局部放大图,可以看出在4种不同钢轨波磨波长激励下轮轨垂向力在短时间内都产生了周期性的振动并且出现了多个波峰,但是幅值变化不大,同时可知当波深一定时,轮轨垂向力随着波长的增大而缓慢减小。图8 不同波长条件下轮轨垂向力对比为研究波深对轮轨垂向力的影响,同样以梯形轨枕直线段轨道为例,分别取波长为2 0 mm、3 0 mm、4 0 mm、5 0 mm,波深为0.0 5 mm、0.1 mm、0.1 5 mm、0.2 mm、0.2 5 mm、0.3 mm,计算不同波长与波深条件下轮轨垂向力响应结果,轮轨垂向力随波深变化规律如图9所示,图中可以看出,当波长条件相同时,轮轨垂向力随着波深的增长而增大。图9 轮轨垂向力随波深变化规律图1 0为轮轨垂向力频域曲线,给出了波长4 0 mm、波深0.0 5 mm时的列车前后4个轮对轮轨垂向力频域曲线,可以看出在5 5 6 H z处出现了频率峰值,利用车辆-轨道耦合动力学垂向模型仿真计算波长2 0 mm、3 0 mm、5 0 mm,波深0.0 50.3 mm时的波磨频率,频率如表3所示,可以看出当波长条件相同时,波磨频率和波深变化无明显对应关系;可以明显看出随着波长的减小,波磨频率显著增大,这说明短波长钢轨波磨更易激发轮轨间高频振动,车轮与钢轨长时间反复作用,容易导致弹簧垫圈断裂、扣件折断等现象,日常维修中若不及时整治,会危及到行车安全。2.3 车辆运行安全性评估参照文献4 和U I C-5 1 8标准中相关规定可知轮轨垂向力的限值条件为P9 0+Ps t,Ps t代表静轮重。33第6 0卷第5期2 0 2 3年9月根据本文模型所采用的车辆参数,计算得到轮轨垂向力安 全 限 制 为1 5 0.8 k N。由 图9可 以 看 出,波 长2 0 mm波深0.2 mm、波长3 0 mm波深0.2 5 mm、波长4 0 mm波深0.3 mm时,轮轨垂向力超出安全限值标准,有潜在的行车安全风险。目前缓解钢轨波磨病害最有效的办法是钢轨打磨,结合图9所示结果,当波深达0.2 mm时应及时对钢轨进行打磨处理,降低钢轨波磨对轨道系统的影响;对波深0.0 50.1 mm范围内轨道重点维修保养,避免轨道发生不可逆变形,持续恶化影响列车正常运行。图1 0 轮轨垂向力频域曲线表3 波磨频率波长/mm波深/mm频率/H z2 00.0 50.31 1 1 23 00.0 50.37 4 24 00.0 50.35 5 65 00.0 50.34 4 02.4 本章小结线路上钢轨波磨对轮轨垂向力有较大影响,轮轨垂向力随波深增大而增大,随波长增大而缓慢减小。结合日常工作及现有理论研究9-1 0可认为线路上2 05 0 mm的短波长钢轨波磨激起的高频振动以及轮轨垂向力过大是地脚螺栓弹簧垫圈断裂、钢轨扣件折断的主要原因。若能及时获取轮轨力,基于轮轨垂向力限值标准提前对轨道状态进行安全评估,则具有实际工程意义。3 轮轨垂向力预测3.1 B P神经网络B P神经网络是一种按误差反向传递算法的多层前馈型神经网络,其具有很强的自学习和自适应能力。一般来说合理选择预测模型的网络层数有利于提高预测精度,现有研究表明,3层B P神经网络能够以任意精度逼近任意非线性函数。因此本文选取3层神经网络(输入层、隐含层、输出层)进行轮轨垂向力幅值预测,神经网络结构图如图1 1所示。图1 1 神经网络结构图3.2 技术路线图1 2和图1 3分别给出了预测分析的技术路线图及神经网络预测模型图,首先将波长、波深和轨道垂向不平顺作为外部激励输入到车辆-轨道耦合动力学垂向模型中得到轮轨垂向力及其它动力学响应指标,利用B P神经网络搭建波长、波深和轮轨垂向力之间的关系,最终实现通过波磨特征作为预测模型的输入,输出得到轮轨垂向力幅值。图1 2 技术路线图3.3 预测结果分析通过拉丁超立方抽样生成5 0 0组波长2 0 5 0 mm、波深0.0 50.3 mm范围内的钢轨波磨样本和仿真轮轨垂向力作为训练数据,图1 4给出了列车4个轮对轮轨垂向力幅值预测结果与仿真结果之间的关系,横坐标代表目标值,纵坐标代表模型的输出值,体现了目标值与输出值的关系,R代表训练结果的相关系数,从图中可以看出轮轨垂向力幅值预测结果和实际结果之间43基于钢轨波磨特征的车辆运行安全性评估及轮轨力预测 陈志洲相关系数在0.9,所构建的神经网络具有较高的精度,可以满足工程需要。图1 3 神经网络预测模型图图1 4 神经网络预测结果4 结论和建议建立了车辆-轨道耦合动力学垂向模型,仿真分析了北京地铁6号线梯形轨枕直线段轨道上钢轨波磨对轮轨垂向力的影响,基于轮轨垂向力安全限值进行了车辆运行安全性评估,建议波长2 0 mm、3 0 mm、4 0 mm、5 0 mm时,将波深0.2 mm作为钢轨打磨限值标准。通过B P神经网络训练得到了轮轨力预测模型,预测精度9 0%以上,满足工程需要,进一步丰富了轨道检查手段,更加精准指导线路维修。参考文献:1 杨超,张玉龙,陈彪.钢轨波磨对车辆-轨道系统动力特性的影响J.铁道科学与工程学报,2 0 2 1,1 8(6):4 2-4 9.YAN G C h a o,Z HANG Y u l o n g,CHE N B i a o.I n f l u e n c e o f r a i l c o r r u g a t i o n o n d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t r a i n-r a i l s y s t e m J.J o u r n a l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,2 0 2 1,1 8(6):4 2-4 9.2 彭华,孙天驰,蔡小培,等.地铁短枕式整体道床地段钢轨波磨特征及动力影响J.铁道建筑,2 0 2 2,6 2(2):6 9-7 4.P E N G H u a,S UN T i a n c h i,C A I X i a o p e i,e t a l.R a i l c o r r u g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d d y n a m i c i n f l u e n c e i n t h e s e c t i o n o f s u b w a y s h o r t s l e e p e r m o n o l i t h i c b a l l a s t b e dJ.R a i l w a y E n g i n e e r i n g,2 0 2 2,6 2(2):6 9-7 4.3 姚典.地铁钢轨波磨地段轮轨动力特性研究D.南昌:华东交通大学,2 0 2 1.4 江万红,王显,韦凯,等.基于轮轨动力响应的地铁波磨地段钢轨打磨限值研究J.铁道建筑,2 0 2 1,6 1(5):1 3 9-1 4 3.J I AN G W a n h o n g,WAN G X i a n,WE I K a i,e t a l.R e s e a r c h o n g r i n d i n g l i m i t s o f m e t r o c o r r u g a t i o n s e c t i o n b a s e d o n w h e e l r a i l d y n a m i c r e s p o n s eJ.R a i l w a y E n g i n e e r i n g,2 0 2 1,6 1(5):1 3 9-1 4 3.5 张晴,杜星,凌亮,等.地铁线路钢轨波磨安全限值研究J.噪声与振动控制,2 0 1 5,3 5(3):4 1-4 5.Z HAN G Q i n g,D U X i n g,L I N G L i a n g,e t a l.S t u d y o n t h e s a f e t y l i m i t o f r a i l c o r r u g a t i o n o f m e t r o l i n e sJ.N o i s e a n d V i b r a t i o n C o n t r o l,2 0 1 5,3 5(3):4 1-4 5.6 樊卿,江万红,蔡成标.地铁列车高速行驶时梯形轨枕轨道动力性能分析J.铁道建筑,2 0 2 1,6 1(1):1 1 4-1 1 8.F AN Q i n g,J I AN G W a n h o n g,C A I C h e n g b i a 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