CN116011138A - 一种铁路钢轨局部不平顺评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铁路钢轨局部不平顺评价方法，考虑了3m范围内钢轨不平顺特征，分析了不同波长、波深的偏差限制,进行钢轨局部不平顺评价。在钢轨局部不平顺评价前，通过对考虑了3m范围内钢轨不平顺进行动态测量，通过建立三维瞬态高速轮轨滚动接触有限元模型，充分考虑了3m范围内不同波长、波深对于轮轨动态作用力的影响，得出钢轨轨面不平顺的粗造度限值，对测量的局部不平顺结果进行评价。本发明方法考虑了符合实际情况的动车组运行速度、轮轨动力响应，得到的局部不平顺评价方法可以有效指导现场评估钢轨局部不平顺状态，为打磨整治提供参考。
Description
技术领域
本发明属于铁路线路工程技术领域，是一种铁路钢轨局部不平顺评价方法。
背景技术
钢轨局部不平顺是指焊接接头等短波不平顺，引起轮轨之间产生强烈的振动，这种振动，一般振幅小、加速度大，振动波形在短时间内呈现瞬态变化。相关研究表明钢轨表面0.2mm的焊缝不平顺在300km/h的动车组运行通过时引起巨大的轮轨作用力，瞬时轮轨高频冲击作用力会达到近1000kN，可引发轮轨产生疲劳伤损，严重破坏轨道的整体平顺性，使路基产生不均匀沉降，近而诱导钢轨产生长波不平顺，严重影响铁路运输的安全性和舒适性。
在国外，Jenkins在1974年就开始进行轨面不平顺试验，试验结果发现车轮通过钢轨轨面不平顺部位时，垂向接触力会出现两个峰值，定义为P1与P2力，其中P1为高频冲击力，直接由轮轨力为高频冲击力，直接由轮轨系统承受，高频的冲击力会引起钢轨伤损承受；P2力是整个车辆—轨道系统受到激扰后出现的低频轮轨力，频率在50—100Hz之间。
近年来国内也有诸多学者对钢轨焊缝接头附近轨面不平顺展开了一系列的研究。针对钢轨焊接头的轨面不平顺，蔡志鹏等采用实验分析了不同工况下钢轨焊接头残余应力的变化，对影响钢轨焊接头平直度的原因进行了详细分析。翟婉明教授提出的车辆—轨道耦合动力学理论广泛应用于钢轨轨面不平顺相关研究之中。高建敏基于车辆—轨道耦合动力学理论采用TTISIM仿真软件分析了在高速铁路工况下钢轨焊缝不平顺相关参数对轮动力响应的影规律，并提出了高速铁路钢轨焊缝不平顺平直度的安全限值。京包客专张家口至怀安段开通以后动检车出现100m周期性高低不平顺，经现场复核高低位于焊缝包括厂焊和现场焊大里程1.8至2.8m之间，轨面低塌且光带较正常位置宽8—15mm，影响长度约300至600mm，导致轨枕空吊、TQI大幅上升，并于2020年2月4日在下行K217+854附近出现动检IV级偏差，严重影响了旅客的乘坐质量，通过打磨整治后，区间内I级以上超限全部消除，I级超限个数维持级超限个数维持在1处以下，设备质量明显改善。维修天窗和成本大幅下降，养护工作由被动变主动。
目前国内外众多学者对于钢轨轨面不平顺的研究主要集中在钢轨焊接头的研究，大多是针对焊缝接头1m范围内进行研究(京包客专为距离焊缝接头1.8至2.8m的1m范围)，对于焊缝接头两端各1.5m范围内的轨面不平顺相关限值并未有过多的研究。目前，暂无高速铁路钢轨局部不平顺的评价方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种铁路钢轨局部不平顺评价方法，能够解决现有的钢轨轨面局部不平顺相关限值，并且同时还解决了评判局部不平顺是否需要打磨整治的问题。
一种铁路钢轨局部不平顺评价方法，具体步骤如下：
步骤1：确定高速铁路局部不平顺区段的车辆基本信息、钢轨型号、钢轨表面状态、光带是否发生异常。
步骤2：对高速铁路局部不平顺区段的车轮踏面廓形进行采集，并采集局部不平顺区段的钢轨廓形。
步骤3：采集3m范围的局部不平顺区段钢轨平直度数据。
步骤4：对步骤1、2、3中采集数据进行处理，根据采集到的数据建立考虑轮轨的真实几何形状与材料的非线性行为三维瞬态高速轮轨滚动接触有限元模型。
步骤5：根据每个车轮作用于轨道的垂向力峰值极限值为P＝170kN为限值，仿真计算得到局部不平顺以ISO266标准中规定的1/3倍频程标准中心波长对应的波深限值。
步骤6：将单位为mm的不平顺限值转化得到钢轨局部不平顺粗糙度谱限值。
步骤7：基于步骤6得到的钢轨局部不平顺粗糙度谱限值，对实测局部不平顺进行粗糙度分析：当3m范围内各波段不平顺数据峰值均小于粗糙度谱限值时评级合格；当3m范围内任意一个波段超过不平顺粗糙度谱限值时，评级为不合格。
步骤8：对不合格的局部不平顺安排小机打磨整治并在现场进行实施。
本发明的优点在于：
1、本发明一种铁路钢轨局部不平顺评价方法，与现有评价方法相比，考虑了实际通过车辆的轴重、轮轨动态响应等特征，钢轨局部不平顺评价是通过三维有限元仿真分析并计算获取，所以计算结果有较好的针对性，可准确获取钢轨局部不平顺的限值：
2、本发明铁路钢轨局部不平顺评价方法，在进行局部不平顺评价过程中针对线路上的车型特别建立了符合实际情况的仿真模型，得到的限值结果能够满足现场发现的各种由于钢轨局部不平顺导致的车辆异常振动或者异响。
3、本发明铁路钢轨局部不平顺评价方法，针对3m范围，相比较按照传统方法使用1m电子平直尺来进行测量需要进行5次拼接而成，效率低且拼接中数据容易报错，不需要多次测量后的数据拼接，可即刻得到3m焊缝测量波形,能够有效提升数据采集效率。
4、本发明钢轨局部不平顺评价方法，评价结果充分考虑了局部不平顺区段前后的一致性，评价方法可以指导工务部门有针对性的发现异常的钢轨位置。
5、本发明钢轨局部不平顺评价方法，仿真计算分析过程中考虑了真实几何形状、材料的几何非线性，可保证评价限值结果的准确性。
6、本发明钢轨局部不平顺评价方法，轮轨动态接触力仿真分析过程重以我国《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》中规定的轮轨力作为限值，确保了结果普遍的适用性。
7、本发明钢轨局部不平顺评价方法，考虑了不同的波长特征，确保高铁列车与钢轨接触时产生较低的的轮轨动态作用力。
8、本发明钢轨局部不平顺评价方法，考虑了现场实测轨面不平顺的特征，能够保证所设计评价方法适用于现场，评价结果满足现场实际轨面不平顺的控制要求。
9、本发明钢轨局部不平顺评价方法，通过数值仿真、数据处理，从理论分析层面上得出钢轨轨面不平顺治理部分建议限值，可有效提高打磨效率，节约打磨资源。
10、本发明钢轨局部不平顺评价方法，有限元模型建立、仿真限值计算过程可以采用能够达到目标的仿真分析软件或数值计算软件完成，使得设计方法有较好的实践性。
11、本发明钢轨局部不平顺评价方法，通过在现场进行实施，实施后对钢轨轨面粗造度、轮轨动态作用力等进行评价，本发明方法得到的评价方法采用后能够有效改善轮轨动态作用力，延长钢轨使用寿命，减小轮轨噪声，提高旅客乘坐舒适性，具有极大的推广意义。
附图说明
图1为本发明钢轨局部不平顺评价方法流程图。
图2(a)为实测车轮踏面廓形；
图2(b)为实测钢轨廓形；
图3为三维瞬态高速轮轨滚动接触有限元整体模型；
图4(a)为轮轨接触位置局部有限元模型；
图4(b)为轨道相接位置钢轨有限元模型；
图5为南广线动车组异响区段采用本发明方法进行打磨治理前后钢轨局部不平顺钢轨平直度在同年6月和7月的打磨前后的变化情况。
图6为打磨前后的轮轨垂向动态作用力。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明钢轨局部不平顺评价方法，如图4所示，具体步骤如下：
步骤1：确定高速铁路局部不平顺区段的车辆基本信息(包括车型、踏面类型、轴重、运行速度等)、钢轨型号、钢轨表面状态、光带是否发生异常；
步骤2：对高速铁路局部不平顺区段的车轮踏面廓形进行采集，并采集局部不平顺区段的钢轨廓形；
步骤3：局部不平顺一般在1m范围内，为了确保1m前后顺接良好，需将不到1m的不平顺测量范围延申到3m，保证局部不平顺前后轨面平顺。基于此，采用连续电子平直尺采集3m范围的局部不平顺区段钢轨平直度数据。
步骤4：对步骤1、2、3中采集数据进行处理，根据采集到的数据建立考虑轮轨的真实几何形状与材料的非线性行为三维瞬态高速轮轨滚动接触有限元模型。
模型中采用高铁线路真实的车轮踏面、钢轨型面与材料参数进行计算分析。其中，车轮踏面选择实测的车轮踏面，车轮半径430mm；钢轨廓形为实测廓形，并设置1：40轨底坡，其中轮缘背侧距1353mm，轨距1435mm，如图2(a)、2(b)所示。
建模过程中，忽略车轮横移量，简化为半轮对和轨道以降低计算量。有限元模型中主要包括：簧上质量、一系悬挂(刚度、阻尼)、车轮、钢轨、扣件(刚度、阻尼)、轨道板、轨垫和砂浆层，具体材料参数如表1所示。簧上质量采用MASS21质量单元建立，并通过一系悬挂与车轴相连。一系悬挂与扣件的刚度、阻尼采用COMBIN14弹簧单元模拟。车轮、钢轨以及轨下结构均采用8节点六面体实体单元SOLID185模拟。有限元网格的划分采用非均匀网格划分方式，其中接触区域与求解区域的网格最精细，网格尺寸约0.1mm，考虑到轮轨瞬态接触使有关时间的非线性问题。因此，采用Lagrangian描述进行网格划分。模型钢轨总长15.2m，可忽略轨道纵向边界的影响，有限元模型图如图3所示，局部有限元模型如图4(a)、4(b)所示。
表1有限元模型材料参数表
步骤5：依据我国《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》中规定，每个车轮作用于轨道的垂向力峰值极限值为P＝170kN为限值，仿真计算得到局部不平顺以ISO266标准中规定的1/3倍频程标准中心波长对应的波深限值。
步骤6：通过数学变换(db＝10lg(A/B)，B为基准长度1μm，A为实际不平顺波深，db为分贝，是量度两个相同单位之数量比例的计量单位，)将单位为mm的不平顺限值(波深限值)转化得到钢轨局部不平顺粗糙度谱限值。
步骤7：基于步骤6得到的钢轨局部不平顺粗糙度谱限值，对实测局部不平顺(步骤3得到)进行粗糙度分析。当3m范围内各波段不平顺数据峰值均小于粗糙度谱限值时评级合格，当3m范围内任意一个波段超过不平顺粗糙度谱限值时，评级为不合格。
步骤8：基于上述钢轨局部不平顺评价方法评定现场局部不平顺是否合格，对不合格的局部不平顺安排小机打磨整治并在现场进行实施，实施后对钢轨廓形质量、轨面状态(光带)、轮轨动作用力、轨面平直度等进行评价，确保打磨实施效果满足现场使用。
如图5所示，为南广线动车组异响区段采用本发明方法进行打磨治理前后钢轨局部不平顺钢轨平直度在2022年6月和2022年7月的打磨前后的变化情况。从图5中可以看出，按照评价方法打磨前存在0.5mm的不平顺，按照评价方法评价不合格。随后安排打磨，打磨后平直度最大高差从0.5mm降低至0.2mm，焊缝中心3m范围内平直度得到了有效控制，图6所示为打磨前后的轮轨垂向动态作用力，红色为打磨前，黑色为打磨后，从图中可以看出，打磨后轮轨动态作用力改善明显。
Claims (4)
1.一种铁路钢轨局部不平顺评价方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1：确定高速铁路局部不平顺区段的车辆基本信息、钢轨型号、钢轨表面状态、光带是否发生异常；
步骤2：对高速铁路局部不平顺区段的车轮踏面廓形进行采集，并采集局部不平顺区段的钢轨廓形；
步骤3：采集3m范围的局部不平顺区段钢轨平直度数据；
步骤4：对步骤1、2、3中采集数据进行处理，根据采集到的数据建立考虑轮轨的真实几何形状与材料的非线性行为三维瞬态高速轮轨滚动接触有限元模型；
步骤5：根据每个车轮作用于轨道的垂向力峰值极限值为P＝170kN为限值，仿真计算得到局部不平顺以ISO266标准中规定的1/3倍频程标准中心波长对应的波深限值；
步骤6：将单位为mm的不平顺限值转化得到钢轨局部不平顺粗糙度谱限值；
步骤7：基于步骤6得到的钢轨局部不平顺粗糙度谱限值，对实测局部不平顺进行粗糙度分析：当3m范围内各波段不平顺数据峰值均小于粗糙度谱限值时评级合格；当3m范围内任意一个波段超过不平顺粗糙度谱限值时，评级为不合格；
步骤8：对不合格的局部不平顺安排小机打磨整治并在现场进行实施。
2.如权利要求1所述一种铁路钢轨局部不平顺评价方法，其特征在于：步骤4建立的有限元模型中，采用高铁线路真实的车轮踏面、钢轨型面与材料参数进行计算分析；其中，车轮踏面选择实测的车轮踏面；钢轨廓形为实测廓形，并设置1：40轨底坡。
3.如权利要求1所述一种铁路钢轨局部不平顺评价方法，其特征在于：步骤4的有限元模型建模过程中，忽略车轮横移量，简化为半轮对的有限元模型。
4.如权利要求1所述一种铁路钢轨局部不平顺评价方法，其特征在于：有限元模型中主要包括：簧上质量、一系悬挂、车轮、钢轨、扣件、轨道板、轨垫和砂浆层；簧上质量采用MASS21质量单元建立，并通过一系悬挂与车轴相连。一系悬挂与扣件的刚度、阻尼采用COMBIN14弹簧单元模拟；车轮、钢轨以及轨下结构均采用8节点六面体实体单元SOLID185模拟；有限元网格的划分采用非均匀网格划分方式，其中接触区域与求解区域的网格最精细，网格尺寸约0.1mm采用Lagrangian描述进行网格划分；模型钢轨总长15.2m，忽略轨道纵向边界的影响。
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|---|---|---|---|---|
| CN116767307A (zh) * | 2023-08-18 | 2023-09-19 | 成都盛锴科技有限公司 | 一种轨道交通的动态不平顺测量系统及轮轨关系评估方法 |
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