祖宏林，張志超，汪 偉

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京100044；3 西安鐵路局 機(jī)務(wù)處，陜西西安710054）

對于鐵路軌道狀態(tài)的檢查，國內(nèi)外普遍采用的是軌道幾何狀態(tài)檢測（簡稱幾何軌檢），檢測項目包括高低、軌向、軌距、水平、三角坑、軌距變化率等。隨著高速鐵路的快速發(fā)展，對行車安全提出了越來越高的要求，單純的幾何軌檢已不能滿足對高速鐵路軌道狀態(tài)進(jìn)行全面檢查的需求，研究包括幾何狀態(tài)檢測、輪軌動力學(xué)檢測等在內(nèi)的軌道綜合檢測技術(shù)已成為高速鐵路軌道檢測發(fā)展的必然趨勢，其中基于輪軌作用力測量的軌道狀態(tài)檢測技術(shù)作為高速鐵路軌道綜合檢測的重要組成部分越來越得到重視。我國最新研制的CRH380B-002是世界上首列檢測速度達(dá)到了400km／h的高速綜合檢測列車，安裝在該檢測列車上的輪軌力檢測系統(tǒng)由中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所自主創(chuàng)新研制，采用擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的連續(xù)測量測力輪對技術(shù)實現(xiàn)了輪軌間相互作用力（簡稱輪軌力）的高精度連續(xù)測量，該系統(tǒng)主要用于對高速鐵路軌道狀態(tài)進(jìn)行綜合檢測。

1 基于輪軌力測量的軌道檢測技術(shù)

輪軌間相互作用力的測量目前主要應(yīng)用于評價機(jī)車車輛的運(yùn)行安全性，即通過檢測輪軌間相互作用的垂向力和橫向力計算脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等指標(biāo)，研究脫軌機(jī)理、輪軌磨耗和傷損機(jī)理，評價新型機(jī)車車輛和新型轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能。

輪和軌的相互作用是一個耦合系統(tǒng)，因此輪軌力檢測數(shù)據(jù)不僅包含了車輛的動力學(xué)性能信息，還包含了軌道的狀態(tài)信息。以相對固定的特定車輛為載體來檢測各處軌道線路的輪軌作用力，經(jīng)過對檢測數(shù)據(jù)的深入分析處理，可以從對車輛運(yùn)行安全性和軌道疲勞壽命影響的角度對軌道狀態(tài)進(jìn)行分析評價?；谳嗆壛y量的軌道狀態(tài)檢測技術(shù)簡稱為輪軌力軌檢。

輪軌間的相互作用力包括3個方向的力：垂向力、橫向力和縱向力，用集合F表示。影響集合F的主要因素可以歸為3類：

（1）由車輛決定的各種因素，例如軸重、軸距、一系懸掛等，所有這些因素用集合C表示。

（2）車輛的運(yùn)行速度，記為v。

（3）由軌道決定的各種因素，例如曲線、道岔、軌道結(jié)構(gòu)、鋼軌波浪磨耗等，所有這些因素用集合G表示。

那么F是C、v、G這個3個變量的函數(shù)，用以下公式表示：

由于用于測量輪軌力的車輛為固定的特定車輛（一般為軌道檢查車），可假定車輛狀態(tài)相對固定，則集合C可認(rèn)定為相對固定的常數(shù)，所以集合F簡化為變量v和G的函數(shù)。

集合F與速度v的相關(guān)性應(yīng)該辯證地分析，輪軌力軌檢的檢測結(jié)果與速度v緊密相關(guān)，這也恰是采用輪軌力軌檢技術(shù)的一個突出特點(diǎn)，能夠真實反映來自軌道線路的激擾在不同速度下對車輛動力學(xué)響應(yīng)的真實狀況。由于幾何軌檢的檢測結(jié)果與速度無關(guān)，因此需要對不同速度級的軌道設(shè)定不同的限度值，這些隨速度級而設(shè)定的限度值是否合理就需要進(jìn)一步的驗證。而輪軌力軌檢是一種作用結(jié)果檢測，對于不同速度級的軌道可以設(shè)定相同的限度值，例如脫軌系數(shù)限度值0.8，在任何速度級條件下都應(yīng)滿足。而且由于與速度緊密相關(guān)，輪軌力軌檢可以更好地分析評價不同速度級下或者在某個固定速度級下，高速鐵路的軌道狀態(tài)是否滿足安全運(yùn)營的要求。

從總的趨勢來看，隨著速度的提高，輪軌相互作用趨于惡化，因此在輪軌力軌檢作業(yè)中，建議以軌道線路的最高運(yùn)營速度進(jìn)行檢測，則v可以認(rèn)定為常數(shù)，這樣集合F就只有集合G這個變量了，由于集合C和速度v的相對固定，集合F這個輸出可以直接用以評價G這個輸入。

基于輪軌力測量的軌道狀態(tài)檢測技術(shù)，主要從以下兩個方面對軌道狀態(tài)進(jìn)行評價：

（1）通過檢測脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力等指標(biāo)，從對車輛運(yùn)行安全性影響的角度評價軌道狀態(tài)。如果軌道的某個位置這些指標(biāo)檢測數(shù)值較大，接近或者超過規(guī)定的限度值，則該位置存在安全隱患，應(yīng)及時進(jìn)行維護(hù)，保障高速鐵路的安全運(yùn)營。

（2）通過檢測的輪軌間相互作用的垂向力、橫向力和縱向力，從對軌道疲勞壽命影響的角度評價軌道狀態(tài)。如果軌道的某個位置檢測的輪軌作用力數(shù)值較大，那么就說明通過該處地點(diǎn)的所有機(jī)車車輛都會在此出現(xiàn)較大的輪軌相互作用，容易造成該位置軌道疲勞傷損，縮短使用壽命。通過對該位置軌道的及時養(yǎng)護(hù)，降低輪軌作用力，可有效延長軌道的使用壽命。

2 CRH380B-002輪軌力檢測系統(tǒng)

CRH380B-002是我國最新研制的高速綜合檢測列車，最高檢測速度400km／h。該綜合檢測列車包括軌道檢測系統(tǒng)、弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)、輪軌動力學(xué)檢測系統(tǒng)、通信檢測系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)和綜合集成及數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)共6大系統(tǒng)，實現(xiàn)了高速條件下軌道、輪軌動力學(xué)、弓網(wǎng)、通信、信號等相關(guān)參數(shù)的實時采集、精確測量、數(shù)據(jù)集成、綜合處理和分級評判，為指導(dǎo)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修，保障高速鐵路安全運(yùn)營提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。

安裝在CRH380B-002高速綜合檢測列車3號軌道動力學(xué)檢測車上的輪軌力檢測系統(tǒng)是輪軌動力學(xué)檢測系統(tǒng)的主要組成部分，該系統(tǒng)采用連續(xù)測量測力輪對實現(xiàn)了高速綜合檢測列車運(yùn)行速度最高達(dá)到400km／h條件下輪軌間相互作用的垂向力、橫向力、縱向力的高精度連續(xù)檢測，并實時計算脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等列車運(yùn)行安全性參數(shù)。輪軌力檢測系統(tǒng)是高速鐵路軌道狀態(tài)綜合檢測的重要組成部分，檢測數(shù)據(jù)主要用于保障高速鐵路的安全運(yùn)營，指導(dǎo)軌道養(yǎng)護(hù)維修。CRH380B-002輪軌力檢測系統(tǒng)的具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 CRH380B-002輪軌力檢測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

3 輪軌力檢測數(shù)據(jù)分析

CRH380B-002＊＊CRH380B-002輪軌力檢測系統(tǒng)測力輪對1軸左輪和右輪的靜輪重為70kN。本文中提到的曲率與曲線半徑的數(shù)學(xué)關(guān)系為：曲率=10 000／曲線半徑，曲率越大曲線半徑越小，曲率正為左彎曲線，曲率負(fù)為右彎曲線，曲率等于0代表直線和直向通過道岔。高速綜合檢測列車輪軌力檢測系統(tǒng)已經(jīng)通過了靜態(tài)和動態(tài)驗收，先后在多條高速鐵路軌道狀態(tài)檢測中投入試運(yùn)用。下面以一段高速鐵路為例，對高速鐵路輪軌力檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該段高速鐵路最高運(yùn)營速度300km／h，實際檢測速度300km／h，里程K40～K240，總長200km，其中K61、K123、K211為車站，檢測列車以300km／h速度直向通過車站道岔，最小曲線半徑7 000m。

由于目前尚沒有輪軌力軌檢的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有成熟的輪軌力數(shù)據(jù)分析處理方法。本文以下數(shù)據(jù)分析處理方法基于多年從事輪軌動力學(xué)試驗數(shù)據(jù)分析的經(jīng)驗，并參考借鑒了國際標(biāo)準(zhǔn)UIC 518-2005《鐵道車輛的動力學(xué)性能—安全性能—軌道疲勞—乘坐質(zhì)量試驗和認(rèn)可方法》。輪軌力檢測系統(tǒng)采樣率2 000Hz，為了保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，有效數(shù)據(jù)分析頻率定為采樣率的十分之一，即輪軌垂向力、橫向力數(shù)據(jù)采用200 Hz（300km／h條件下等效波長約40cm）低通濾波，脫軌系數(shù)、輪軸橫向力由濾波后的輪軌垂向力和橫向力計算得到，并采用2m滑動平均處理。檢測數(shù)據(jù)按照200 m長度劃分樣本，每個樣本統(tǒng)計檢測數(shù)據(jù)的最大值。

圖1和圖3分別為1軸左輪和右輪垂向力最大值隨里程分布散點(diǎn)圖，1軸左輪和右輪的垂向力最大值主要分布在70～100kN之間，有個別值超出了100kN，左輪垂向力最大值127.5kN，右輪垂向力最大值123.0 kN，超出100kN的地點(diǎn)比較離散。

圖2和圖4分別為1軸左輪和右輪垂向力最大值隨曲率分布散點(diǎn)圖，1軸左輪和右輪的垂向力最大值隨曲線曲率呈現(xiàn)明顯的變化趨勢，左輪垂向力最大值隨曲率增大明顯增大，右輪垂向力最大值隨曲率增大明顯減小。這一變化規(guī)律符合動車組列車通過曲線時的動力學(xué)性能，即通過曲線時動車組左右輪因通過速度和曲線超高設(shè)置出現(xiàn)增載和減載。

圖1 左輪垂向力最大值隨里程分布散點(diǎn)圖

圖2 左輪垂向力最大值隨曲率分布散點(diǎn)圖

圖5和圖6為兩段直線工況下的輪軌力檢測波形圖，對比分析這兩個波形圖，正常情況下左輪和右輪的垂向力在靜輪重基礎(chǔ)上有大約±10kN的動態(tài)波動量，圖6中K110+523處左右輪均出現(xiàn)了較大的垂向力波動，右輪垂向力最大值達(dá)到了123.0kN，可以判斷該處軌道存在缺陷。在對軌道狀態(tài)進(jìn)行評判時，關(guān)注重點(diǎn)應(yīng)該是輪軌作用力在準(zhǔn)靜態(tài)值基礎(chǔ)上的動態(tài)波動量。

圖3 右輪垂向力最大值隨里程分布散點(diǎn)圖

圖4 右輪垂向力最大值隨曲率分布散點(diǎn)圖

圖5 軌道狀態(tài)較好的輪軌力檢測波形圖

圖6 軌道局部存在缺陷的輪軌力檢測波形圖

圖7和圖8分別為1軸左輪和右輪橫向力最大值隨里程分布散點(diǎn)圖，1軸左輪和右輪橫向力最大值主要分布在0～10kN之間，有個別值超出了10kN，左輪橫向力最大值30.1kN，右輪橫向力最大值35.1kN，超出10kN的地點(diǎn)主要為K61、K123、K211這3個車站的道岔區(qū)，從散點(diǎn)圖可以看出道岔區(qū)與其他區(qū)段相比輪軌力響應(yīng)相對較差，道岔區(qū)應(yīng)是高速鐵路需要重點(diǎn)關(guān)注的軌道區(qū)段。

圖7 左輪橫向力最大值隨里程分布散點(diǎn)圖

圖8 右輪橫向力最大值隨里程分布散點(diǎn)圖

圖9和圖10為K61車站道岔區(qū)和K123車站道岔區(qū)的輪軌力檢測波形圖，對比分析這兩個波形圖，K61車站道岔區(qū)輪軌橫向力最大值僅為11.9kN，而K123車站道岔區(qū)的輪軌橫向力最大值達(dá)到了35.1kN。由于K61車站道岔和K123車站道岔的結(jié)構(gòu)是一樣的，而且檢測列車通過速度相同，我們可以判斷K61車站道岔狀態(tài)要好于K123車站道岔。

圖9 道岔狀態(tài)相對較好的輪軌力檢測波形圖

圖10 道岔局部存在缺陷的輪軌力檢測波形圖

圖11 左輪脫軌系數(shù)最大值隨里程分布散點(diǎn)圖

圖12 左輪脫軌系數(shù)最大值隨曲率分布散點(diǎn)圖

圖13 右輪脫軌系數(shù)最大值隨里程分布散點(diǎn)圖

圖14 右輪脫軌系數(shù)最大值隨曲率分布散點(diǎn)圖

圖11和圖13分別為1軸左輪和右輪脫軌系數(shù)最大值隨里程分布散點(diǎn)圖，左輪和右輪脫軌系數(shù)主要分布在0.10以下，左輪脫軌系數(shù)最大值0.39，右輪脫軌系數(shù)最大值0.38，均出現(xiàn)在車站道岔區(qū)。圖12和圖14分別為1軸左輪和右輪脫軌系數(shù)最大值隨曲率分布散點(diǎn)圖。從圖11～圖14可以看出，就脫軌系數(shù)總體分布而言，高速鐵路運(yùn)行安全性有較大裕量，但道岔區(qū)是高速鐵路安全運(yùn)營的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)加強(qiáng)檢查和養(yǎng)護(hù)。

4 輪軌力軌檢評判方法

基于以上輪軌力檢測數(shù)據(jù)的分析，參考UIC518-2005《鐵道車輛的動力學(xué)性能—安全性能—軌道疲勞—乘坐質(zhì)量試驗和認(rèn)可方法》，初步提出一種輪軌力軌檢評判方法。

4.1 評判指標(biāo)

安全性評判指標(biāo)：脫軌系數(shù)、輪軸橫向力、輪重減載率；軌道疲勞評判指標(biāo)：垂向力、橫向力、輪重增載率。所有評判指標(biāo)的量值包括絕對量和動態(tài)量兩種：

（1）絕對量：脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、垂向力、橫向力和輪重增載率等指標(biāo)經(jīng)過低通濾波處理后的檢測值。

（2）動態(tài)量：脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、垂向力、橫向力和輪重增載率等指標(biāo)經(jīng)過低通濾波處理后的檢測值減去該指標(biāo)的準(zhǔn)靜態(tài)值得到該指標(biāo)的動態(tài)量。

各指標(biāo)的準(zhǔn)靜態(tài)值主要反映了在理想軌道狀態(tài)下車輛自身的參數(shù)和動力學(xué)性能，例如直線工況下，垂向力的準(zhǔn)靜態(tài)值為車輛的靜輪重；曲線工況下，各指標(biāo)的準(zhǔn)靜態(tài)值主要反映了該車輛通過一個理想曲線的動力學(xué)性能。各指標(biāo)的動態(tài)量則主要反映了由軌道狀態(tài)所引起的隨機(jī)動態(tài)激擾。動態(tài)量的引入可以更準(zhǔn)確地評價軌道狀態(tài)。

4.2 評判方法

按照距離劃分樣本，每200m一個樣本。

（1）基于對車輛運(yùn)行安全性影響的評判方法

濾波：脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力采用2m滑動平均。

絕對量：每個樣本統(tǒng)計脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力等指標(biāo)的絕對量最大值以及所有超出規(guī)定限度值的地點(diǎn)。限度值參照動力學(xué)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，脫軌系數(shù)限度值為0.80，輪重減載率限度值為0.80，輪軸橫向力限度值為10+P0／3（P0為靜軸重）。

動態(tài)量：每個樣本統(tǒng)計脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力等指標(biāo)動態(tài)量的最大值以及所有超出規(guī)定限度值的地點(diǎn)。動態(tài)量限度值暫定為絕對量限度值的一半。

（2）基于對軌道疲勞壽命影響的評判方法

采樣率與濾波：輪軌力采樣間隔≤4cm，垂向力、橫向力和輪重增載率等指標(biāo)采用截止頻率等效為40cm波長的低通濾波。

絕對量：每個樣本統(tǒng)計垂向力、橫向力和輪重增載率等指標(biāo)絕對量的最大值以及所有超出規(guī)定限度值的地點(diǎn)。垂向力限度值暫定為160kN和90kN+靜輪重這兩個值的最小值，橫向力限度值暫定為60kN，輪重增載率限度值暫定為0.80。

動態(tài)量：每個樣本統(tǒng)計垂向力、橫向力和輪重增載率等指標(biāo)動態(tài)量的最大值以及所有超出規(guī)定限度值的地點(diǎn)。垂向力動態(tài)量限度值暫定為45kN，橫向力動態(tài)量限度值暫定為30kN，輪重增載率動態(tài)量限度值暫定為0.40。

各項指標(biāo)的絕對量的限度值主要參考了動力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，而各項指標(biāo)的動態(tài)量由于是初次引入，限度值的設(shè)定不一定合適，需要結(jié)合實際運(yùn)用情況調(diào)整。同時由于動態(tài)量不再區(qū)分直線和曲線工況，在使用初期可以對整條線路各指標(biāo)的動態(tài)量檢測結(jié)果分布進(jìn)行分析，整條線路檢測結(jié)果中動態(tài)量數(shù)值相對較大的地點(diǎn)可認(rèn)定為線路狀態(tài)較差。

5 結(jié)束語

基于輪軌力測量的高速鐵路軌道檢測技術(shù)是一種全新的軌道狀態(tài)檢測方法，是對傳統(tǒng)幾何軌檢的有效補(bǔ)充和完善，該技術(shù)應(yīng)作為高速鐵路軌道綜合檢測的重要組成部分，更多地投入到高速鐵路軌道檢測中，該技術(shù)的投入運(yùn)用將更全面地評價高速鐵路軌道狀態(tài)，更有效地指導(dǎo)高速鐵路軌道日常養(yǎng)護(hù)維修，更好地保障高速鐵路的安全運(yùn)營。

本文初步提出了一種基于輪軌力測量的高速鐵路軌道狀態(tài)評判方法，但該方法尚不成熟，需要在實際應(yīng)用中繼續(xù)完善，尤其是關(guān)于評判限度值的設(shè)定，更需要進(jìn)一步深入研究確定。

［1］王 瀾.各類軌道檢測方式的系統(tǒng)對比及關(guān)聯(lián)技術(shù)的研究［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2009.

［2］李 谷.輪軌力連續(xù)測量技術(shù)在軌道檢查中的應(yīng)用［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，2010.

［3］UIC CODE 518 3rd edition，October 2005.Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behaviour-Safety-Track fatigue-Ride quality［S］.