不平顺度

不平顺度（精选3篇）

不平顺度 篇1

轨道顶面纵向不平顺造成轮轨冲击载荷,导致轮轨之间形成较大的作用力,容易引起钢轨、车轮等部件的断裂损伤,有可能引发重大事故,威胁人民的生命财产;另一方面,增大的冲击振动,既产生了较大的轮轨噪声,也加速了轨道的磨损[1],因此降低轨道顶面的不平顺度是非常有必要的。当前,降低轨道顶面的不平顺和其他表面轮廓不规则主要是通过打磨钢轨来实现的。而测量轨道顶面不平顺的仪器是控制打磨进程和评价打磨效果的必不可少工具。

目前测量轨道不平顺的主要方法有两种[2,3]。1) 在轨道上固定一个基准梁,再使位移传感器沿基准梁移动,测量轨道表面相对于基准梁的高度。最后通过数据处理得到轨道顶面的轮廓。但是其设备的尺寸常常限制了该方法的应用。因为现阶段制造的仪器的测量长度只有1.2m,如果要得到三分之一倍频程的可靠结果,最大的波长带只有100mm。虽然该方法在列车行驶速度较低时还能获得较为满意的结果,但对于高速铁路则并不适用。2) 直接令加速度传感器在小车的带动下沿轨道顶面移动,小车沿着轨道横向移动的距离可以由一个脉冲发生器,与加速度信号同步采集得到。此方法可以比较快速地测量较长的轨道,从而得到波长带更宽的测量结果。本文是基于第二种测量方法,将采集得到的加速度信号转化为轨道的不平顺谱。

1 测量方法

轨道顶面纵向轮廓可以抽象成一个二维波形图,设轨道纵向的水平移动为x,轨道垂向的高低不平为y,于是得到轨道纵向轮廓变化的函数方程y = y(x)。加速度传感器沿着轨道顶面水平移动,由于轨道顶面纵向不平顺,产生了垂向的加速度。

假设轨道顶面的轮廓曲线方程为

$y=A\sin (\frac{2\text{π}x}{\lambda })$ (1)

加速度传感器沿着轨道移动的速度为ν,水平位移x = νt,垂向加速度为$a(t)=y(t)$,则

$a{}_{\max }=A(\frac{2\text{π}v}{\lambda })$ (2)

这种利用惯性测量加速度的方法,最大加速度值不能超过一个重力加速度,否则传感器将会由于惯性力不够而跳起,引起冲击振动,造成垂向加速度突然增大,使结果失真。由于人正常走动的速度范围为0.5～1.5m/s,根据人移动加速度传感器速度的变化范围,可以得出不同波长下,能测量的最大幅值,如表1所示。

通过测量加速度的时域变化信号,将其转化为位移信号,进而可以得出轨道顶面的纵向轮廓。时域的加速度信号转化为位移信号,可以采用两次积分的办法,并且积分后通过滤波去除低频干扰,才能得到较为可靠的结果。

分析数值积分的误差[4,5],两次积分的公式可以写成:

其中T为采样时间间隔,根据离散系统z变换得出

$\begin{array}{c}Y(z)=\frac{{\rm T}(z{}^{-1}+4+z)}{6(1-z{}^{-1})}V(z)=\left(\frac{{\rm T}(z{}^{-1}+4+z)}{6(1-z{}^{-1})}\right){}^{2}A(z)\hfill \end{array}$ (4)

其中:z=eiΩ , Ω=ωT (5)

理论上,加速度与位移之间关系的方程式为:

$Y{}_{\text{理}\text{论}}(\omega )=-\frac{1}{\omega {}^2}A(\omega )$ (6)

两次积分运算和理论结果之间的相对误差为:

信号的频率为f,采样频率为fs= 1/ T,由于采样过程中的频率混叠效应,若要使结果可靠,信号频率应小于采样频率的1/2,即频率比f / fs <0.5。因为式(7)中的ωT = 2πf / fs,可以得到随频率比变化的幅值的相对误差曲线如图1所示。由图可知,信号频域一定时,随着采样频率的增大,信号频率与采样频率的比值减小,则幅值的相对误差减小,如果幅值相对误差要求小于10%,频率比应该小于0.1 。因此应根据需要,选择合适的采样频率。

两次积分之后,可以得到离散时域内的位移信号,根据加速度传感器水平移动的位移,可以得到离散时域的水平位移,两者组合便得到轨道顶面纵向轮廓曲线。类推时域内的信号变化到频域内的方法,可以得出轨道纵向不平顺的空间频域表示

Y(k)=∫∞-∞y(x)e-ikxdx,-∞<k<∞ (8)

其中,空间频率:F = 1/ λ (m-1),λ为波长(m),空间波数k = 2πF (rad/m)。最后根据空间频谱,可以做出1/3倍频程谱,用于工程上的实际使用。

2 算例验证

算例分析:假设一条轨道顶面轮廓曲线,如图2所示,其空间频域的幅值图,如图3所示,可以看出该轨道顶面纵向不平顺主要集中在20～500mm的波长范围内。加速度传感器水平移动的速度ν=1m/s时,采集到的加速度信号的频率f = ν / λ,则主要频率在2～50Hz。如要得到可靠结果,则取采样频率:fs=1000Hz,时域内垂向加速度的变化如图4所示,采用加速度信号两次积分的方法得到的轨道顶面轮廓曲线如图5所示。

由于两次积分得到的位移受到积分方法本身误差的影响即在高频段的误差较大,和无法预知的初始速度和初始位移的影响,在时域内得到的结果与原始位移有很大的差距。两次积分得到的位移信号转化到空间频域内,如图6所示。比较初始假想轮廓空间频域幅值图3和两次积分轮廓的空间频域幅值图6,可以看出在在主要空间频域内幅值误差较小。由于在工程上实际使用的是一定波长范围的不平顺谱,所以采用两次积分的方法得到轮廓曲线,而后通过空间频域内积分,求出一定波长范围的不平顺谱是可行的。

3 实物测量

通过图7所示的实验仪器,现场实验后,采集得到加速度时域信号,取出其中一段,如图8所示,对其进行两次积分得到轮廓曲线,取出一段如图9。最后,对轮廓曲线行进空间频域的变换,作出波长范围为20～200mm之间的轨道不平顺的1/3倍频程图,如图10所示。

4 结论

使用加速度传感器间接测量轨道顶面纵向轮廓的不平顺度,使得测量的轨道长度不受测量仪器尺寸的限制,适应性好,操作方便。加速度信号经过两次积分得到位移信号时,由于积分方法本身的误差和无法预知的初始值的影响,时域内的结果会有偏差,增大采样频率,可以得到一定频率范围内较为准确的结果。通过对频域内能量积分,可以得出一定波长范围内轨道顶面纵向不平顺度的1/3倍频程谱,该谱作为检测轨道顶面状况的依据,用于工程上的实际使用。

参考文献

[1] Stuart L Grassie. Rail corrugation: advances in measurement, understanding and treatment[J] . Wear 258(7-8), 2005 , 1224-1234.

[2] David Thompson . Railway Noise and Vibration: Mechanisms, Modelling and Means of Control[M] . Elsevier, 2009 ,152-159..

[3]S.L.Grassie,M.J.Saxon,and J.D.Smith.Measurment of lon-gitudinal rail irregularities and criteria for acceptable grinding[J].Journal of Sound and Vibration 117(5),1999,949-964.

[4]Sangbo Han.Measuring displacement signal witn an accelerome-ter[J].Journal of Mechanical Science and Technology 24(6),2010,1329-1335.

[5]K.Seifert,and O.Camacho.Implementing Positioning Algo-rithms Issuing Accelerometers[R]Freescale Semiconductor Apol-ication Note,AN3397,2007.

浅议钢梁桥线桥结合部轨面平顺度 篇2

关键词：钢梁桥,结合部,轨面平顺度

我段现有钢梁桥50座, 多建于20世纪70～90年代, 经过长期列车荷载通行, 线桥结合部是病害的常发部位之一, 病害多以结合部下沉现象出现。由于工务段设备结构的分工不同, 将工务设备细分为线路设备和桥梁设备。线路工区对结合部下沉的整治办法:一是起道捣固来整平;二是用胶垫板在轨下抽垫来达到整平目的。由于线路养护和桥梁养护分别进行, 因此, 线桥结合部的病害经常会循环产生, 难以根除。如果不及时整治, 将对行车安全造成严重隐患。

1 病害的表现形式及危害

1.1 结合部路基长期下沉

由于结合部长期处于列车的动荷载作用下, 桥头路基不断被压缩和下沉, 使刚性桥梁和柔性路基产生一个高差, 加上原设计标准低, 未在线桥结合部设置缓冲的过渡段, 使得该段路基下沉并引成道砟囊;调查表明:宣杭线、沪昆线沪杭段桥上线路坡度在-6‰～4.5‰之间;有90%以上的桥头路基其累计下沉量在200～520 mm之间, 个别下沉量达670 mm。

1.2 线路几何状态控制难

路基的下沉导致轨面几何状态的变化, 具体表现为以下几点。

(1) 轨下形成明吊或枕下暗吊, 水平不能很好确保, 时有II级、III级分出现。

(2) 混凝土枕中部开裂折断 (木枕铁垫板折断或扣件失效) , 造成轨距得不到保证。

(3) 引起结合部护轨立螺栓折断与桥上木枕浮钉超标。

(4) 下沉处易缺碴, 若得不到及时补碴, 容易使无缝线路产生变形。

1.3 轨面顺接不良

一般线路工区通过不断起道捣固来顺接桥头外因路基下沉引起的线路大坡度, 大机维修中也只是抬道而不落道;久而久之, 钢梁桥桥头外的线路被越抬越高 (道砟桥面除外) 。在桥头部位线路工区顺接轨面常用的办法是在轨下垫胶垫板, 多垫厚度超标, 厚度过大对横向轨距产生不利, 不垫则在该处引成坑洼或竖曲线, 处理不当易造成恶性循环。

2 原因分析

分析产生上述病害的主要原因有以下几点。

(1) 地质方面:部分钢梁桥建于软土地基上, 由于软土的固结时间长, 沉降量大, 加上江南地区汛期长, 雨量多, 极易造成水土流失, 加剧路基沉降。

(2) 设计方面:在原桥梁、线路结合部设计中, 没有对地基进行专门处理, 未设置缓冲过渡带, 造成结合部地基力学性能的突变。

(3) 施工方面:原施工单位为赶时间, 抢进度, 土方填筑没有按规范要求分层密实。

(4) 管理方面:线、桥工区各自管理, 信息互通不及时, 整治病害不同步。

3 病害整治对策

目前, 针对我段线桥结合部病害的治理, 关键在于完善整治线桥结合部病害的管理体系。如果线路、桥梁工区依据分工, 各做各的, 缺少信息沟通和处理病害时的相互配合, 只是治标不治本。线桥结合部轨面不平顺往往最先反映在线路的几何状态上, 根据轨面不平顺的处所现场分析原因, 结合桥头路基基础的稳固情况, 综合进行整治方能确保结合部线路几何状态的稳定。因此在日常的病害整治过程中, 线桥要相互协作, 共同负责, 才能把病害整治好, 真正把钢梁桥线桥结合部轨面顺接到位。

具体对策如以下几点。

3.1 不同办法控制结合部路基长期下沉

(1) 优先采用压浆固化线桥结合部路基本体来弥补该部位的先天不足。施工前可能影响的通信、信号、供电等光电缆, 应在设备管理单位的监护下挖探坑检查确认, 并在其指导下进行有效防护, 注浆孔与光电缆距离保持在0.5 m以上, 否则应适当调整注浆孔位。注浆材料采用纯水泥浆液, 浆液水灰比控制在0.8∶1～0.5∶1。注浆施工时, 距线路中心2 m范围内的注浆应在天窗点内进行;距线路中心2 m范围以外的注浆时, 客车速度限制在120 km/h及以下、货车速度限制在80 km/h及以下进行。

(2) 另外可用打桩、砼换填办法等来解决路基下沉及消除道砟囊。打桩处理值得推广, 砼换填办法在既有线上需要封锁线路大开挖, 影响列车运行并且时间较长, 作为措施备份。

3.2 多种渠道有效控制线路几何状态

(1) 水平、轨距等调整:轨下明吊易发现, 暗吊则应在列车动态下容易察觉, 进行木枕段捣固时应在钢轨两侧各400 mm范围内捣实道床, 轨下部分加强捣固, 砼枕段采用捣固与垫板或垫碴与垫板相结合的方法, 捣固范围在轨两侧各450 mm。在结合部不宜设钢轨接头, 接头设置最好在离桥10 m以外, 或将其焊接或冻结。特别是桥头安装了护轨的钢梁桥, 线路工区作业时应与桥梁一起配合, 要先取出护轨垫板再进行捣固, 不应套用垫的方法来治吊, 否则达不到整治目的。

(2)砼枕中部断裂处理:把吊空治好了, 中部的多余碴挖空, 基本能避免产生断裂的情况。

(3) 结合部伤损扣件处理: (以处理护轨立螺栓折断为例) 用20 mm六角工具钢焊上手柄, 8磅敲折断部分, 将其从枕底敲下取出, 如此操作不会损伤砼枕, 然后用硫磺重新锚固。避免立螺栓不折断的前提是:线路轨下不吊空;结合部和正轨接头处4～6根枕上的护轨立螺栓的扭矩值相对于其它规定的要小。

(4) 桥头缺碴的整治:线桥结合部由于缺碴而导致捣固不实, 从而引起吊空或暗吊, 发现缺碴时除了及时补碴, 使道床的石碴经常处于饱和状态, 更重要的是把桥头路基整治好, 下沉少了, 缺碴就可减少。此外桥梁工区应注意盖好桥头盖板, 以防漏碴。

3.3 各种措施及时保证轨面平顺度

(1) 保持结合部桥内外轨面的统一。不管是大机修, 还是手工捣固, 线桥结合部整治前, 再好检测出桥内与桥外线路轨面是否平顺、有无三角坑、整个坡度在此是否出现竖曲线等数据, 进行起道捣固就可以有的放矢, 捣固作业时除了捣实外, 千万要顾及线路与桥头轨面的顺接, 而不是盲目起道, 这点在实际起道时更不容忽视。

(2) 保持线路、桥梁工区的密切配合。只要钢梁桥上基本轨下的胶垫板在12 mm之内时, 可用铁垫板下加垫胶垫板来抬高轨面, 但二者加起来胶垫板总厚应控制在12 mm以下。一方面在桥梁工区进行桥面大修之时, 把桥枕厚度抬高一个规格来达到整平轨面的目的;另一方面在现有K型铁垫板厚度的基础上, 特制加工一批更厚的K型铁垫板来替代胶垫板总厚超厚的不足。但要注意的是:K型铁垫板的螺纹道钉不宜多次拔出;设有上拱度的明桥面, 起拱度一般在梁端的1～1.5 m处, (注:上拱度值的多少以实测跨中动挠度的一半来设置, 开行动车区段用1/4设置) , 目的为了减少梁端的转角冲击力和确保线桥的衔接平顺, 整治过程中务必把上拱度一并设置到位。

(3) 用抬高支座来顺接轨面。在线路封锁天窗内, 用千斤顶把钢梁顶起, 在支座下摆入事先准备好的三边钢模 (正面一边用来捣砂浆) , 放下千斤顶, 再用灰砂比1∶1～1∶2 (体积比) , 水灰比0.23～0.25均匀配成的干硬性砂浆, 在支座下捣垫密实, 慢行后再开通线路。 (或在钢支座底座板下再垫入钢板、用新型自流平砂浆等整治办法) 在抬高支座之前, 事先要调查支座固定锚栓的现有长度是否满足抬高后的长度, 如长度不足, 应把支座的固定锚栓凿除砼后更换成合适长度的螺栓。抬高过程中, 线路工区应按照支座起落量及时调整线路几何状态, 供电部门根据线路几何状态及时对接触网进行调整。

4 结语

不平顺度 篇3

高速客运线路对线路的养护维修提出了很高的要求, 但相应的养护维修管理标准尚需进一步研究。本文结合我国提速客运专线350 km/h的设计车速, 从列车运行安全性和平稳性的角度出发, 利用计算机仿真技术, 对在单一、复合轨道几何不平顺条件下列车的运行进行模拟计算, 分析其对列车动力响应的影响, 为现场控制各种类型轨道几何不平顺和制定高速客运专线轨道养护维修管理标准提供理论依据。

1轨道几何不平顺计算机仿真计算

1.1 车辆—轨道动力学模型

按照客车车辆的构造特征和悬挂系统, 将列车视为由车体、构架、轮对组成的多刚体系统, 刚体间由弹簧阻尼连接。本次仿真计算中的模型采用CW-300型客车, 主要技术参数如下:轴距2 560 mm、轨距1 435 mm、车轮直径915 mm、轴重14.5 t、转向架重量6.5 t、轴颈中心距2 000 mm、中央和轴箱弹簧的中心横向跨距2 000 mm。

1.2 轨道几何不平顺的仿真计算方案

将所建CW-300型客车模型结合各类不平顺情况输入各自参数进行仿真计算。不平顺类型采用目前国际铁路通用的正弦波, 其函数表达式如下:

$y=\frac{a}{2}\sin \frac{2\text{π}(x-S{}_0)}{l}$ (1)

其中, a, l分别为不平顺的幅值和波长;S0为不平顺在轨道上的起始点坐标。

令模型分别在单正弦波和连续三个正弦波的情况下进行仿真计算, 得出不利波长, 在此波长条件下改变不平顺幅值, 得到关于幅值的影响结果, 并进行单波和多波条件下的比较;之后计算车辆动力响应和速度之间的关系;最后综合计算结果和各类标准给出结论。

1) 轨道单一类型不平顺计算方案。

a.单波的高低、水平、轨向不平顺:波长l=10 m～100 m;间隔2.5 m;幅值a=3 mm～15 mm, 间隔1 mm。

b.连续三波的高低、水平、轨向不平顺:波长l=10 m～100 m;间隔2.5 m;幅值a=3 mm～15 mm, 间隔1 mm。

2) 轨道复合不平顺计算方案。

选取一个正弦波的轨道不平顺情况, 通过轨向、高低、水平和轨距的各种组合, 并搭配相位差0和π, 取直线—缓和曲线—圆曲线轨道线路进行计算;缓和曲线参数根据《铁路线路修理规则》 (铁运[2006]) 确定, 重点分析在直缓点和圆缓点前后各一个波长区域内的动力响应情况。

1.3 客车车辆轨道几何不平顺的动力响应评价指标

采用车体脱轨系数Q/P、轮重减载率ΔP/P0以及垂向、横向振动加速度来评价车辆运行的安全性和平稳性。取Q/P≤0.8, ΔP/P0≤0.8, 垂向加速度Ⅰ级～Ⅳ级管理标准值上限分别为0.10g, 0.15g, 0.20g和0.25g, 横向加速度标准值上限分别为0.06g, 0.09g, 0.15g和0.20g;如表1所示, 给出了ISO 2631对加速度值和人体舒适度的关系评价。

2计算机仿真计算结果数据分析

2.1 单一类型轨道几何不平顺的数据分析

由不同波长条件下的加速度计算数据汇总得到车体加速度与波长的关系图, 从中可见轨向不平顺的不利波长在20 m～30 m之间, 高低不平顺和水平不平顺的不利波长在10 m～15 m之间。波长在30 m以内时, 加速度与波长的变化关系明显, 数值也较大;当波长大于30 m后, 加速度变化随波长的加大逐渐趋于平缓, 除轨向不平顺横向加速度外其余基本在小于0.05g的区域内变化。在此不利波长条件下, 加速度和轮重减载率的最大值随着幅值的加大而变大, 高低和水平不平顺情况下基本是线性增大关系, 而轨向不平顺情况下呈非线性, 脱轨系数的变化都呈非线性增大。不同速度条件下减载率和脱轨系数的计算数据汇总见图1。由图1可见, 轮重减载率随着速度的递增而变大, 当速度大于350 km/h时, 变化率有加大的趋势。除轨向不平顺条件下外脱轨系数与速度关系不大, 基本为一定值。

在相同条件下, 连续三波的加速度和脱轨系数等都较单波情况下的大, 其中脱轨系数甚至在连续三波的波长更长、幅值更小的情况下仍比单波的要大, 由此可知多波不平顺对客车运行的舒适度和安全性影响程度要比单波情况下大得多。

2.2 复合轨道不平顺的数据分析

计算结果显示:轨道复合不平顺中, 相较于其他各类不平顺组合, 轨向和水平的复合不平顺对列车运行的安全性和平稳性影响程度最大, 因此着重分析缓和曲线头尾处存在这种轨道复合不平顺的计算结果。计算结果如图2所示。

由图2显示的计算结果可知, 300 km/h条件下, 在直缓点区域内的脱轨系数、减载率和横向加速度都较在圆缓点区域内时小;而垂向加速度则是直缓点区域比圆缓点区域的大, 在相位差不同时数值有较大差距。当速度增加到350 km/h时, 脱轨系数和减载率在两个区域内都有增大, 圆缓点区域内对速度的增加更为敏感;横向加速度的大小随速度的增加都有一定程度增大, 而垂向加速度则只在直缓点区域有小幅增加, 圆缓点区域内几乎没有影响;相位差取0时, 只有垂向加速度大于取π时的值, 但逆相位时, 脱轨系数和轮重减载率都有较明显的增大。振动加速度则受相位差的影响较小, 说明轨向和水平逆相复合不平顺主要影响列车运行的安全性。

3结语

1) 随着运行速度和不平顺幅值的增大, 列车的各项动力响应都有不同程度的增大。2) 连续多波单一类型轨道不平顺较单波情况下对车体运行的舒适度和安全性有更大的影响。3) 单一类型轨道不平顺的不利波长多在30 m以内, 且对车体振动加速度有直接影响;当波长大于30 m并逐渐增大时, 振动情况则随之逐渐减弱。4) 通过对单一类型轨道不平顺幅值的控制, 可以确保列车运行安全性和平稳性的要求。5) 轨向—水平轨道复合不平顺, 特别是连续逆相位情况下会对列车运行的安全性有极为不利的影响, 对列车运行平稳性也有较大影响。曲线头尾处的直缓点和圆缓点区域内存在轨向—水平轨道复合不平顺时, 脱轨系数和轮重减载率会有明显增大, 直接影响行车安全性, 在这些区段内须对不平顺进行严格控制。

摘要：利用动力仿真软件计算多种类型轨道单一不平顺、复合不平顺激扰下高速客车的动力响应, 着重分析了轨道曲线头尾处直缓点和圆缓点区域的复合不平顺对高速客车运行安全性和平稳性的影响, 研究结果表明, 轨向和水平逆相位复合不平顺类型对列车运行的安全性和平稳性有很大的影响, 尤其在曲率变化的区域内需要重点控制。

关键词：轨道不平顺,高速客车,计算机动态仿真,动力响应

参考文献

[1]练松良.轨道动力学[M].上海:同济大学出版社, 2003.

[2]王午生.铁道线路工程[M].上海:上海科学技术出版社, 1999.

[3]罗林, 张格明.轮轨系统轨道平顺状态的控制[M].北京:中国铁道出版社, 2006.