基于轮轨接触分析的广义横向不平顺研究.pdf

Vol.43 No.52023Oct.第 43 卷第 5 期2023 年 10 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CAR基于轮轨接触分析的广义横向不平顺研究朱彬1，王文斌1，戴源廷1，吴泽宇1,2，马志鹏1,2，曾京3（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 城市轨道交通中心，北京 100081；2 中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；3 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都 610031）摘 要 铁道车辆在轨道几何不平顺激扰作用下会产生车体晃动，严重时影响乘坐舒适性和行车安全。对车辆晃动问题进行深入研究后，发现除了传统定义的轨向、高低、轨距等轨道几何不平顺之外，诸如钢轨不均匀磨耗、轨底坡变化等其他形式参数的改变也会对车辆系统产生激扰，造成车辆异常晃动。为研究钢轨廓形变化等因素对车辆系统的激扰作用，将轮轨系统视为整体并进行轮轨接触分析，基于对轮对平衡位置的研究，提出了考虑多种激扰综合作用下广义不平顺的定义以及定量计算方法。基于该方法可量化分析不均匀磨耗和轨底坡变化等因素对车辆的激扰，解释并指导解决部分类型车辆异常晃动问题。关键词 轨道车辆动力学；轮轨关系；轨道广义不平顺；车辆异常晃动中图分类号：U239.5 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2023.05.18近年来，随着各类铁路网络规模的不断扩大和基础设施的逐渐老化，车辆系统异常振动问题越来越突出1-3，老旧线路车辆横向低频晃动问题尤 为 显 著，引 起 了 运 维 部 门 及 行 业 专 家 的 广 泛关注。车辆横向晃动的机理主要可以分为受迫振动和自激振动 2 类，其中受迫振动的作用机理为车辆在轨道不平顺激扰的持续作用下产生的振动，其振动特征（幅值与相位）与轨道不平顺里程特征密切相关。自激振动导致车辆晃动的机理为车辆系统横向稳定性不足产生的蛇行运动，自激振动是锥形踏面车轮与钢轨相互作用的固有特征，与轮轨等效锥度、悬挂参数匹配等因素相关，自激振动在完全平直的理想轨道上也会发生，系统参数不发生变化时，其振动特征与里程无关4-6。传统的轨道不平顺通常只考虑轨道几何不平顺，忽略了轨底坡、不均匀磨耗等因素影响下钢轨廓形变化导致的不平顺激扰。研究车辆异常晃动问题时，通常只考虑轨道几何不平顺的幅值是否异常，或其波长是否与车辆晃动频率相吻合。若无明显问题则认为车辆晃动属于自激振动，将研究重点放到轮轨等效锥度、悬挂系数等参数上，忽略 了 钢 轨 廓 形 变 化 导 致 的 激 扰，从 而 造 成 误 判。即 使 注 意 到 了 钢 轨 廓 形 的 变 化 能 对 车 辆 产 生 激扰，目前尚无对其激扰程度的定量研究方法，这也是廓形变化激扰理论难以应用和被广泛认可的重要原因7-12。针对目前利用轨道几何不平顺描述轨道激扰的局限性，综合考虑轨道几何不平顺与钢轨廓形不平顺，基于轮轨接触分析提出了一种广义轨道不平顺，对不均匀磨耗、轨底坡等因素对车辆的激扰进行了量化分析，结合轨道几何不平顺描述了真实的轨道激扰状态。该理论方法对解决车辆异常晃动问题具有实际意义。中国铁道学会牵引动力委员会动力学与强度学组学术年会会议论文基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司科研开发基金（2022YJ042）第一作者：朱彬（1992-）男，助理研究员（修回日期：2023-06-02）通信作者：王文斌（1982-）男，研究员文章编号：1008-7842（2023）05-0107-06引用格式：朱 彬,王文斌,戴源廷,等.基于轮轨接触分析的广义横向不平顺研究J.铁道机车车辆,2023,43(5):107-112.铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 1 一种特殊的车辆低频晃动问题 1.1车辆动力学响应测试老旧线路的车辆和轨道状态不佳，车辆低频异常晃动问题时常发生。以某城市轨道交通线路的车辆异常晃动问题为例，对其进行动力学试验，测试车辆的运行平稳性。分别在车体的一、二位平稳性测点安装加速度传感器测试车体的振动响应，同时同步轴箱和构架的横向振动信号对车辆晃动进行辅助分析。在轮对轴箱内安装脉冲转速传感器同步采集车轮的转速信号，根据转速信号获 取 车 轮 的 运 行 速 度 和 里 程。部 分 测 点 如 图 1所示。采用基于惯性基准原理和无接触测量方式的轨 道 动 态 几 何 检 测 系 统 对 轨 道 动 态 几 何 进 行 检测，采样间隔为 0.25 m，轨道动态几何检测系统安装如图 2 所示。1.2车体横向晃动低频成分的强确定性在动力学测试过程中，为了研究不同速度和里程对车辆晃动的影响，分别以 60、70、80、90 km/h这 4 种不同的速度工况分别对车辆动力学响应进行测试。将车体横向加速度信号从时域映射到里程中，结果如图 3 所示。图 1加速度及转速传感器安装图 2轨道动态几何检测系统安装图108第 5 期基于轮轨接触分析的广义横向不平顺研究由图 3 可知，车体以 4 种不同速度经过某一里程区段时，加速度信号低频成分基本重合，不同的速度下加速度幅值略有不同。车辆失稳造成的蛇行运动相位并不固定，无法产生类似的波形重合现象，而该低频晃动具有非常强的确定性，因此该车辆晃动问题与里程固定的轨道激扰密切相关。该里程区段下，轨向不平顺测试结果如图 4 所示。为研究轨向不平顺与车体横向加速在频域分布上的相关性，根据车辆运行速度，将轨向不平顺投射到时域坐标系下，并与车体横向加速度频谱特征进行对比，结果如图 5 所示。由图 4 和图 5 可知，轨向不平顺幅值较小，相同里程下的轨向不平顺波形与车辆晃动波形不存在明显的关联性。轨向不平顺造成的激扰频率在1 Hz 附近，而车辆横向晃动频率为 2 Hz 左右，显然轨向不平顺激扰并不是直接导致车辆异常横向晃动的主要原因。2 广义横向不平顺的提出 2.1钢轨廓形变化造成的激扰除轨向不平顺，还有其他形式的横向激扰对车辆系统产生持续作用。由现场踏勘可知，车辆晃动区段钢轨存在明显的交替不均匀侧磨（交替侧磨）问题，导致钢轨廓形发生周期性改变。根据现场测量，交替侧磨的波长为 1112 m 左右，结合车辆速度，其频率与车辆晃动频率相吻合。钢轨廓形的变化导致轮轨接触关系的改变，对车辆产生横向激扰从而导致车辆晃动。传统动力学分析仅考虑单个断面的钢轨廓形状态，具有一定局限性。当钢轨廓形周期性变化时，需要考虑随里程位 置 变 化 而 变 化 的 钢 轨 踏 面 三 维 外 形 状 态。为此，对钢轨廓形进行连续测试，将得到的二维钢轨廓形沿真实的里程位置排列，即可得到钢轨廓形三维变化状态。测试断面为离散断面，非测试断面的钢轨廓形值可以通过相邻断面廓形三维插值获得。测试现场及部分结果如图 6 所示。经过三维插值、对齐等操作后可以得到钢轨廓形高度三维云图，如图 7 所示。2.2广义横向不平顺定义及计算方法与轨道几何一样，钢轨廓形变化会对车辆系统造成激扰，但其作用机理是否存在内在联系需要进一步分析。对不同截面处的钢轨廓形进行轮轨接触分析，计算钢轨廓形变化时轮轨接触几何的变化情况，具体计算方法可参考文献13。以一个廓形变化周期内的 3 个截面为例，结果如图 8所示。由图 8 可以看出，不同钢轨截面位置处的轮轨接触点分布情况不同。轨道车辆系统横向稳定特性的根源来自左右轮径差导致车轮在受扰动时向平衡位置运动的能力。左右车轮轮径差为零时，轮对的横移位置即为轮对的横向平衡位置。对不同截面条件下的轮径差情况进行计算，结果如图 9所示。图 3里程坐标下 4 种不同速度工况下的车体横向加速度图 4轨道动态轨向不平顺图 5轨向不平顺与车体横向加速度的频谱对比109铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 由图 9 可以看出，3 种廓形条件下轮对的横向平衡位置分别为 6、0、-9 mm。钢轨廓形变化导致了轮对横向平衡位置发生改变，轮对在自导向能力作用下不断向平衡位置运动，可将平衡位置随里 程 变 化 的 波 形 视 为 钢 轨 廓 形 引 起 的 广 义 不平顺。将轨道不平顺的因素考虑进来，计算轮轨接触几何时根据轨道几何不平顺调整钢轨廓形的位置，即可计算出轨道几何不平顺和钢轨廓形变化作用下的综合广义轨道不平顺。3 广义横向不平顺的意义及工程应用 3.1钢轨廓形变化对车辆横向作用的量化分析实际工程中，轨道几何激扰与钢轨廓形激扰通常同时存在，广义横向不平顺能将不同维度轨道激扰进行量化比较，对晃车问题的理解与分析图 6钢轨廓形连续测试图 7实测钢轨廓形高度三维云图图 8不同钢轨廓形条件下轮轨接触几何110第 5 期基于轮轨接触分析的广义横向不平顺研究具有重要意义。根据前文定义的方法对广义轨道不平顺进行计算，结果如图 10 所示。根据广义横向不平顺的计算结果，可对钢轨廓形变化造成的激扰进行定量分析。图 10 显示在该廓形变化的作用下，12 m 波长下的广义横向不平顺的幅值达到了 10 mm 左右，远大于图 4 中实测轨道几何不平顺的幅值（2 mm 左右）。因此可以发现由廓形引起的广义横向不平顺在激扰中占主导成分。3.2对车辆晃动的原因解释及整治方法指导进一步分析，根据图 3 的结果，车辆晃动波长约为 12 m，与图 10 中广义不平顺特征波长相吻合，可以判断该线路晃车问题的原因在于钢轨廓形变化引起广义轨道不平顺作用，进而导致车辆系统产生受迫振动，轨道几何不平顺的激扰成分相对较小。根据该线车辆的晃动原理，需要降低激扰源或者减小激扰源对车辆的作用程度。根据该目标方案制定钢轨打磨方案，对车辆晃动区段进行打磨后车辆晃动问题得到明显改善。打磨前后车辆横向加速度对比如图 11 所示。由图 11 可知，2 次测试中，未打磨区段的车体横向加速度基本吻合，打磨区段内横向加速度幅值得到了明显降低。4 结论 通过对车辆动力学响应、轨道动态几何状态以及钢轨三维廓形等数据进行分析，发现钢轨廓形的变化与车辆异常晃动存在明显联系。基于对钢轨廓形变化状态下的轮轨接触状态进行分析，综合考虑轨道几何不平顺以及钢轨廓形不平顺的共同影响提出了一种广义横向不平顺定义及计算方法，具体结论如下：（1）通过对车辆动力学响应以及轨道动态几何不平顺进行测试，发现钢轨交替侧磨导致的钢轨廓形不平顺能直接对车辆系统产生激扰，使车辆受迫振动，从而造成车辆异常晃动。（2）对车辆异常晃动区段的钢轨廓形进行了等间距连续测量，对钢轨交替侧磨的三维外形进行了数字化描述，在此基础上进行轮轨接触几何分析，根据轮对平衡位置的变化来评价钢轨廓形变化对车辆的激扰，从而定义了轨道的广义横向不平顺及其定量计算方法。（3）利用广义横向不平顺理论对该线车辆晃动问题进行了解释，并指导了车辆晃动问题整治方案，经过打磨处理，车辆横向晃动幅值得到了显著降低。图 9不同钢轨廓形条件下轮径差图 10钢轨廓形变化导致的广义横向不平顺图 11打磨前、后车辆横向加速度111铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 参考文献1 刘维宁，马 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Limited,Beijing 100081,China；2 Postgraduate Department,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China；3 State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031 Sichuan,China）Abstract：Railway vehicles may experience body swaying under the excitation of track geometric irregularities,which can seriously affect ride comfort and driving safety.After conducting in-depth research on the issue of vehicle swaying,it was found that in addition to the traditional definition of track geometry irregularities such as track alignment,longitudinal level,gauge,etc,changes in some other forms of parameters such as uneven rail wear and changes in rail cant can also cause disturbances to the vehicle system,resulting in abnormal vehicle swaying.To research the excitation effects of factors such as changes in rail profile on vehicle systems,the wheel rail system is considered as a whole and wheel rail contact analysis is conducted.Based on the study of the balance position of the wheel set,a definition and quantitative calculation method of generalized irregularities considering the combined effects of multiple excitation are proposed.Based on this method,the disturbance of the vehicle caused by factors such as uneven wear and the change of the rail cant can be quantitatively analyzed,and some types of the vehicle abnormal swaying problem can be explained and solved.Key words：rail vehicle dynamics；wheel-rail relationship；generalized track irregularities；vehicle swaying112