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基于钢轨波磨特征的车辆运行安全性评估及轮轨力预测.pdf
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1、第5期2 0 2 3年9月N o.5S e p t.2 0 2 3研究开发文章编号:2 0 9 7-0 3 6 6(2 0 2 3)0 5-0 0 3 0-0 6 基于钢轨波磨特征的车辆运行安全性评估及轮轨力预测陈志洲(北京市地铁运营有限公司线路分公司,北京 1 0 0 0 3 2)摘 要:针对北京地铁6号线梯形轨枕直线段轨道上出现的钢轨波磨现象,通过M a t l a b编程建立了车辆-轨道耦合动力学垂向模型,以钢轨波磨特征及轨道垂向不平顺作为系统激励,从轮轨间作用力出发,基于线路实测数据分析和数值仿真研究相结合的方法,从时域和频域2个方面分析了不同波磨特征对轮轨垂向力的影响,以轮轨垂向力安
2、全限值作为评判指标进行了车辆运行安全性评估。研究结果表明:轮轨垂向力随着波深的增大而增大,随着波长的增大而缓慢减小。利用B P神经网络搭建了波长、波深和轮轨垂向力间的关系,训练得到了轮轨力预测模型,该模型可以通过波磨特征准确预测轮轨垂向力幅值,与目前现有的检查手段相结合,能够为更好地指导轨道维修提供理论依据。关键词:钢轨波磨;车辆-轨道耦合动力学模型;动力学仿真;B P神经网络;轮轨力预测中图分类号:U 2 6 0.1 1 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 3 6 6.2 0 2 3.0 5.0 0 6S a f e t y E v a
3、 l u a t i o n o f V e h i c l e O p e r a t i o n a n d P r e d i c t i o n o f W h e e l-r a i l F o r c e B a s e d o n R a i l C o r r u g a t i o n C h a r a c t e r i s t i c sCHE N Z h i z h o u(L i n e B r a n c h o f B e i j i n g M e t r o O p e r a t i o n C o.,L t d.,B e i j i n g 1 0 0
4、0 3 2,C h i n a)A b s t r a c t:I n v i e w o f r a i l c o r r u g a t i o n o f t r a p e z o i d a l s l e e p e r o n t h e s t r a i g h t t r a c k o f B e i j i n g S u b w a y L i n e 6,a v e r t i c a l v e h i c l e-t r a c k c o u p l i n g d y n a m i c m o d e l i s e s t a b l i s h e
5、d b y M a t l a b p r o g r a mm i n g.I t t a k e s r a i l c o r r u g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d t r a c k v e r t i c a l i r r e g u l a r i t y a s s y s t e m e x c i t a t i o n,s t a r t s f r o m t h e f o r c e b e t w e e n w h e e l a n d r a i l,a n d b a s e s o n t
6、 h e m e t h o d o f c o m b i n i n g m e a s u r e d d a t a a n a l y s i s a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s e a r c h t o a n a l y z e t h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n t c o r r u g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o n w h e e l-r a i l v e r t i c a l f o r c
7、 e f r o m t i m e d o m a i n a n d f r e q u e n c y d o m a i n,a n d e v a l u a t e t h e v e h i c l e r u n n i n g s a f e t y w i t h t h e s a f e t y l i m i t o f w h e e l-r a i l v e r t i c a l f o r c e a s t h e e v a l u a t i o n i n d e x.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e
8、 w h e e l-r a i l v e r t i c a l f o r c e i n c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f w a v e d e p t h a n d d e c r e a s e s s l o w l y w i t h t h e i n c r e a s e o f w a v e l e n g t h.T h e r e l a t i o n s h i p a m o n g w a v e l e n g t h,w a v e d e p t h a n d w h e e l-r
9、 a i l v e r t i c a l f o r c e i s e s t a b l i s h e d b y B P n e u r a l n e t w o r k,a n d t h e w h e e l-r a i l f o r c e p r e d i c t i o n m o d e l i s o b t a i n e d t h r o u g h t r a i n i n g.T h e m o d e l c a n a c c u r a t e l y p r e d i c t t h e a m p l i t u d e o f w h
10、 e e l-r a i l v e r t i c a l f o r c e t h r o u g h c o r r u g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s.C o m b i n e d w i t h t h e e x i s t i n g c h e c k m e t h o d s,i t c a n p r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r b e t t e r g u i d i n g t r a c k m a i n t e n a n c e.K e
11、 y w o r d s:r a i l c o r r u g a t i o n;v e h i c l e-t r a c k c o u p l i n g d y n a m i c m o d e l:d y n a m i c s i m u l a t i o n;B P n e u r a l n e t w o r k;w h e e l-r a i l f o r c e p r e d i c t i o n收稿日期:2 0 2 3-0 1-0 9第一作者:陈志洲(1 9 8 9),男,工程师。随着城市轨道交通的快速发展,地铁线路的钢轨波磨现象较为普遍,尤其在小半径曲线
12、部分更为严重。钢轨波磨会加剧轮轨间的相互作用,使轮轨关系持续恶化,增加养护维修费用。日常维修作业中发现6号线中采用梯形轨枕的直线段轨道也出现了不同程度的钢轨波磨,这在地铁运营线路中是极为少见的,主要以波长2 05 0 mm、波深0.0 50.3 mm的短波长波磨形式出现,直线段钢轨波磨如图1所示。该区段频繁出现地脚螺栓弹簧垫圈断裂现象,弹簧垫圈断裂示意如图2所示,直线段列车通过时速度较快,轮轨间长时基于钢轨波磨特征的车辆运行安全性评估及轮轨力预测 陈志洲间的反复作用,严重时会影响正常行车。图1 直线段钢轨波磨图2 弹簧垫圈断裂轮轨力是衡量地铁运营安全性的重要指标,车辆行驶条件下的实时轮轨力信息
13、对脱轨预测、车辆运行安全性评估都是非常有用的。获取轮轨力最直接的方式是使用专门的测力轮对进行测量,但通常情况下钢轨表面上存在的钢轨波磨都是由多种成分的波长叠加而成,列车运行时短波长波磨引起的轮轨间高频率信号,很难直接获取,且测试成本比较高。因此采用测力轮对法获取短波波长下的轮轨力存在很大的局限性。北京地铁线路设备检查坚持“动、静态相结合,结构检查与几何尺寸检查并重”的原则,其中以动态检查为主,主要是通过轨道检查车对线路的动态质量进行检测,包括轨距、水平、高低、轨向和三角坑,按照偏差等级对轨道状态进行评估,对出现I I级超限地段的线路进行重点维修。通过轨检车定期反馈可知6号线出现钢轨波磨的梯形轨
14、枕直线段轨道上的线路几何尺寸通常情况下不会出现I I级超限,且符合北京地铁工务维修标准。然而线路振动在线监测结果表明列车以8 0 k m/h的速度在存有波长2 05 0 mm的线路上行驶时,波磨频率显著增大,人工添乘检查时,列车内明显感觉到剧烈晃动,经车轮与轨道之间长时间的反复作用,线路条件会不断恶化,严重时可能会影响正常行车。因此仅通过轨检车反馈报告进行轨道维修存在着一定的局限性。针对地铁运营线路上出现的钢轨波磨现象以及钢轨波磨对车辆轨道动态响应的影响,国内研究人员进行了大量的研究。杨超、彭华、姚典1-3等人建立了动力学仿真模型,采用数值仿真的方法,研究了钢轨波磨对轮轨间动力特性的影响。江万
15、红、张晴等4-5进一步明确了不同波长条件下钢轨打磨限值标准。樊卿等6分析了列车以不同速度通过地铁直线段梯形轨枕轨道时轮轨动力作用及安全性指标。李伟7研究了波磨线路上钢轨扣件折断、松脱、疲劳失效的问题,他认为钢轨表面的短波长波磨会改变扣件弹条的动态受力状态,导致弹条过早疲劳失效。本文从车辆运行安全性的角度出发,研究了钢轨波磨对轮轨垂向力的影响,由于实时轮轨力信息难以直接获取,文章利用B P神经网络对轮轨垂向力幅值进行了预测,间接获取了轮轨力信息,与轨道检查车反馈结果相结合,进一步丰富了线路设备检查手段,更加精准指导轨道维修,对确保行车安全具有重要意义。1 仿真模型建立及数值积分法选择1.1 车辆
16、-轨道耦合动力学垂向模型本文根据研究需要及实际运营情况,通过地铁B型车辆及轨道结构主要参数,利用M a t l a b软件建立车辆-轨道耦合动力学垂向模型,共计1 0自由度,如图3所示。地铁梯形轨枕道床属于减振道床形式,主要由钢轨、扣件、轨道板及轨下基础等部分组成,钢轨通过扣件固定在钢筋混凝土轨道板上。建模时钢轨采用E u l e r梁模型,钢轨和轨道板之间用弹簧阻尼等效扣件,同理轨道板和轨下基础之间同样用弹簧阻尼等效减振垫层。图3 车辆-轨道耦合动力学垂向模型1.1.1 车辆轨道参数表1给出了车体、转向架、轮对、一系悬挂、二系悬13第6 0卷第5期2 0 2 3年9月挂、连接轮对和转向架的一
17、系减振弹簧参数以及连接车体跟转向架的二系减振弹簧参数,表2为轨道及部分梯形轨枕道床参数。表1 车辆结构参数车辆结构数值单位车体质量4 2t构架质量2 9 7 2k g轮对质量1 4 7 4k g一系垂向刚度1.2MN/m一系垂向阻尼1 0k N/(m/s)二系垂向刚度0.4 3 5MN/m二系垂向阻尼6 0k N/(m/s)构架轴距之比1.2 5-车辆定距6.3-车轮半径0.4 2m表2 轨道结构参数轨道参数数值单位钢轨质量6 0k g泊松比0.3-扣件垂向刚度4 0MN/m扣件垂向阻尼2 5k N/(m/s)扣件间隔0.6 2 5m1.1.2 波磨激励实际上钢轨表面的波磨不平顺是随机的,包含
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