一、检测原理
车体振动加速度是机车车辆对轨道几何偏差的动力响应,也是对机车车辆运行平稳的测量,它不完全反映线路单项病害的大小,而是几种病害互相影响、互相叠加的结果,是反映轨道综合质量和车辆运行平稳性的一个重要指标。
车体振动加速度分为车体水加和车体垂加。
车体振动加速度是由伺服加速度计感应列车运行时产生的横向和垂直振动来实现的。轨检车检测的水加、垂加分别是通过安装在轨检车上的伺服加速度计感应列车运行时产生的横向、垂向振动来实现的。伺服加速度计直接输出与横向、垂向振动成正比的电压值,经集成电路调零、放大,A/D/A转换,计算机按每250mm一点等距离采样,然后按不同的检测标准进行评定的。
二、水加成因分析与计算
列车在曲线上运行,因方向的不断改变会产生横向振动,它包括导向横向振动、摩擦横向振动、轨道几何偏差引起的横向振动、未被平衡的横向振动。轨检车测量的水加就是由这些横向振动引起的综合横向振动(含直线区段由于复合不平顺引起的水加)。它的大小和作用方向与轨道几何状态(曲线超高、加宽、轨底坡、方向、复合不平顺等)、车辆转向架内接形式、轮轨接触状态(冲击角、轮缘角、法向轮缘力、轮轨摩擦系数等)及列车行驶速度等因素有关。其中轨道几何偏差、未被平衡的横向振动及列车速度是主要因素。
列车在曲线上运行的未被平衡的向心加速度为
$$a_向=v^2/R-gh/S \qquad (式1)$$
式中
v²/R———列车以速度v通过曲线时的离心加速度;
gh/S———超高h使列车产生的向心加速度;
v———列车运行速度(m/s);
R———曲线半径(m);
h———曲线超高(mm);
g———重力加速度9.81(m/s²);
S———两股钢轨的中心距(mm)。
由水加的检测原理可知,轨检车检测的水加a基本上是列车在曲线上运行的未被平衡的向心加速度,即
\(a≈a_向 \) (式2)
则a≈v²/R-gh/S=[v²/(3.62×9.81×R)-h/S]g=(0.0078655v²/R-h/S)g (式3)
由 (式3)可知,在其他条件不变的情况下,水加与曲线正矢(取20m弦长,圆曲线正矢f=50000/R)、列车运行速度的二次方、钢轨中心距成正比,与曲线超高成反比。
为便于直观地说明问题,现举例(半径为1000m,超高设为130mm的圆曲线,设为A曲线)分析如下:
由 (式3)可以计算出列车运行速度(每隔5km/h)、曲线正矢(每差5mm)、曲线超高(每隔5mm)、钢轨中心距(每隔5mm)分别对水加的影响值,经叠加可计算出以上综合因素对水加的影响值(分别取17个数据),见表1。
表1 相关因素对水加的影响数据
| 序号 | 速度(km/h) | 加速度(m/s²) | 正矢(mm) | 加速度(m/s²) | 超高(mm) | 加速度(m/s²) | 中心距(mm) | 加速度(m/s²) | 综合影响 |
| 1 | 65 | -0.0534 | 10 | -0.0693 | 90 | 0.0267 | 1460 | -0.0023 | -0.0984 |
| 2 | 70 | -0.0481 | 15 | -0.0607 | 95 | 0.0234 | 1465 | -0.002 | -0.0874 |
| 3 | 75 | -0.0424 | 20 | -0.052 | 100 | 0.0201 | 1470 | -0.0017 | -0.0761 |
| 4 | 80 | -0.0363 | 25 | -0.0433 | 105 | 0.0167 | 1475 | -0.0014 | -0.0643 |
| 5 | 85 | -0.0298 | 30 | -0.0346 | 110 | 0.0134 | 1480 | -0.0011 | -0.0522 |
| 6 | 90 | -0.023 | 35 | -0.026 | 115 | 0.0101 | 1485 | -0.0008 | -0.0397 |
| 7 | 95 | -0.0157 | 40 | -0.0173 | 120 | 0.0067 | 1490 | -0.0005 | -0.0268 |
| 8 | 100 | -0.008 | 45 | -0.0086 | 125 | 0.0034 | 1495 | -0.0002 | -0.0135 |
| 9 | 105 | 0.0001 | 50 | 0.0001 | 130 | 0.0001 | 1500 | 0.0001 | 0.0002 |
| 10 | 110 | 0.0085 | 55 | 0.0087 | 135 | -0.0033 | 1505 | 0.0003 | 0.0143 |
| 11 | 115 | 0.0174 | 60 | 0.0174 | 140 | -0.0066 | 1510 | 0.0006 | 0.0288 |
| 12 | 120 | 0.0266 | 65 | 0.0261 | 145 | -0.0099 | 1515 | 0.0009 | 0.0436 |
| 13 | 125 | 0.0362 | 70 | 0.0347 | 150 | -0.0133 | 1520 | 0.0012 | 0.0589 |
| 14 | 130 | 0.0463 | 75 | 0.0434 | 155 | -0.0166 | 1525 | 0.0015 | 0.0745 |
| 15 | 135 | 0.0567 | 80 | 0.0521 | 160 | -0.0199 | 1530 | 0.0017 | 0.0906 |
| 16 | 140 | 0.0675 | 85 | 0.0608 | 165 | -0.0233 | 1535 | 0.002 | 0.107 |
| 17 | 145 | 0.0787 | 90 | 0.0694 | 170 | -0.0266 | 1540 | 0.0023 | 0.1238 |
由表1可以绘出以上因素对水加的影响趋势图,如图1所示。
由表1和图1可知:每5mm正矢、每5km/h速度、每5mm超高、每5mm钢轨中心距分别对A曲线水加的影响为0.0085g、0.0079g、0.0033g、0.0001g。可见,圆曲线内正矢对水加的影响最大,速度次之,其次是超高,而钢轨中心距对A曲线水加的影响很少,基本上可以忽略不计。
由以上分析,现归纳水加产生的主要原因如下:
(1)在列车运行图和曲线超高已定的情况下,曲线正矢养护的好坏是水加产生的主要原因,正矢连续差10mm极易出现水加Ⅲ级超限。
(2)列车运行速度对水加的影响很大,建议轨检车检测时列车不应超速。否则,水加的扣分会偏大,影响轨检车对线路质量评定的科学性。另外,列车运行图的制定要科学合理,不能片面地追求高速度,否则,将会增加工务线路养护的难度,同时影响旅客乘车的舒适度。
(3)曲线超高是重要因素。曲线超高的设置要合理,但也不能片面地用抬超高的方法来减少水加扣分,否则,在目前我国铁路客货混运且速度相差较大的情况下,会缩短线路设备的使用寿命。
(4)缓和曲线区段,水加的扣分也很多,主要与缓和曲线正矢和计划正矢差、超高顺坡率及缓和曲线的长度等有关。
(5)道岔区段,特别是侧向过岔,水加的扣分也较多,主要与道岔养护不良而造成的轨向、高低、水平、扭曲等或岔群间过渡线太短等有关。
(6)直线区段,水加扣分主要与连续出现的碎弯或一侧水平等有关。
三、影响垂加的主要因素
随着无缝线路的大量铺设,钢轨接头数量大大减少,钢轨接头病害也相对减少,轨检车检测的垂加分数也很少。
影响车体垂加的主要因素有短波长的大高低、小高低的谐振波形、小水平的谐振波形等。
1.短波长的大高低
道口、桥涵头尾、岔心、接头等部位容易发生这种波长较短、峰值较大的高低病害,在列车高速通过时,会引起车体在垂直方向上振动加剧。出现垂加超限时,可以在波形图上对应的点观察高低的波形,如果发现高低的波形波长较短、峰值较大,那么导致垂加的主要原因就是这种短波长的大高低,只有彻底消灭它,才能消灭车体垂加超限。
2.小高低的谐振波形
谐振波形是指峰值相近、波长相近、连续三波或多波的波形,小高低的谐振波形是指峰值大于14mm的高低谐振波形,尽管高低超限并未很大,但由于列车通过时容易发生垂直方向上的共振,导致车体垂加超限。高低谐振波形的判断按照上述谐振波形的三个特征,如果全部符合就可以判定为高低谐振波形,应根据谐振波形的特点安排作业,避免出现新的谐振波形。
3.小水平的谐振波形
小水平的谐振波形容易引起列车的侧滚振动,从而间接影响垂加,水平峰值在12mm以上的谐振波形是明令禁止的。水平谐振波形的判定与前述轨向、高低谐振波形的判断方法一致,作业时应有意识地杜绝出现谐振波形。
文章来源：
书籍名称：《铁路工务动态检测数据分析及应用》
作者信息：彭昭云、石复元、楼大鹏
