轨道故障引发的轮轨冲击特征研究*

李修文 曾承志 杨荣华 唐德尧

(1.唐智科技湖南发展有限公司，410083，长沙；2.北京唐智科技发展有限公司，100038，北京∥第一作者，高级工程师)

轨道作为城市轨道交通列车的行车基础，其质量和工作状态对整个线路及行车安全有着直接的影响。在日常运营过程中，随着列车轮对的反复压迫和冲击，轨道将出现垂向和横向的动态形变和永久形变[1-3]；同时，因受焊接材料、焊接工艺水平和养护维修等多方面因素的影响，在车轮反复辗压作用下，轨道焊接接头会发生低塌等病害[4]，使得轨道出现各种安全隐患，严重威胁列车的运营安全性及乘客的舒适性。因此，研究不同类型轨道故障引发的轮轨冲击响应特征，对轨道故障诊断而言意义重大。

当车轮在有故障的轨道上运动时，周期性的冲击会引起整个车辆、轨道系统的藕合振动，这样不仅会缩短列车各个部件的使用寿命，而且是造成车辆颠覆、燃轴和切轴的重要原因[5-7]。现阶段检测轨道故障的方法多种多样，有超声波检测、声发射、微波检测、射线检测、磁粉检测和渗透检测等[8]。随着现代检测技术、计算机技术和信号处理技术的发展，基于运营车辆的轨道检测技术也得到了发展[3]。在运营车辆上直接加装在线监测系统成为今后轨道故障检测的发展趋势。轨道在线监测技术核心在于信号处理，因而对其故障引发的信号进行研究是轨道故障检测的基础。

本文主要针对轨道存在断裂故障、裂纹故障和表面平直度故障时的冲击特征进行研究，通过动力学模型仿真分析各故障下的冲击特征差异，并通过与实际测试出现的故障数据特征进行对比，验证仿真结果的准确性，为轨道故障主动诊断提供参考。

1 轨道常见故障类型

从轨道故障的宏观特征和形成机理上，可将轨道故障分为：核伤、纵向裂纹、螺孔裂纹、焊接接头、擦伤裂纹和水平裂纹等[9]，其中轨道裂纹和断裂属于较为严重的故障。以上故障都能在车辆运行过程中引起强烈的轮轨冲击。若能提取并识别各类故障引起的轮轨冲击信息存在的差异，就能对轨道状态进行诊断，并基于相应的冲击特征确定具体的故障类型。部分常见轨道故障形态如图1所示。

图1 常见轨道故障形态

2 轨道故障引发的轮轨冲击仿真分析

为研究各类型轨道故障引发的轮轨冲击信息特征，拟通过动力学建模仿真方法，对轨道存在断裂、内部裂纹和平直度这三种常见故障时的轮轨冲击信息进行分析。

2.1 轨道断裂故障引发的轮轨冲击仿真

对有缝轨道来说，接缝宽度安装时的规定为6 mm，轨道断裂断口宽度一般大于该值(曾出现的轨道断裂的断口宽为15 mm)。研究轨道断裂引发的轮轨冲击信息建立的模型断口宽度为20 mm(如图2所示)。

图2 轨道断裂故障仿真模型图

基于图2的仿真模型。通过有限元显式动力学进行计算，车轮转速在120 r/min、240 r/min和450 r/min这三种状态下的轮轨冲击信息表现如图3所示。

图3 不同车轮转速下的轨道断裂仿真分析结果

图3所示的仿真结果表明，当轨道断裂时，所呈现的冲击特征主要表现为多簇形式(3簇及以上)。其中：低转速下为3簇明显的冲击，而转速增高则进一步增至4簇及以上。

2.2 轨道内部裂纹故障引发的轮轨冲击仿真

轨道内部裂纹模型建立基于实际现场中出现的裂纹形态(如图1所示)为依据，最终建立的轨道内部裂纹模型如图4所示。

图4 轨道内部裂纹仿真模型图

同样通过仿真计算得到轨道内部裂纹时，车轮转速在120 r/min、240 r/min和450 r/min这三种状态下的轮轨冲击信息表现，如图5所示。

图5 不同车轮转速下的轨道内部裂纹仿真分析结果

图5所示的仿真结果表明，轨道内部裂纹时，所呈现的冲击特征主要表现为一簇明显的冲击。其中：车轮低转速下引起的冲击幅值高；随着车轮转速升高，冲击幅值逐渐降低。

2.3 轨道平直度故障引发的轮轨冲击仿真

轨道的平直度故障是轨道表面缺陷的主要表现形式。本文通过建立轨道表面存在凹特征来模拟轨道平直度故障，最终建立的轨道平直度故障模型如图6所示。

基于图6分析模型，同样通过仿真计算得到轨道存在平直度故障时，车轮转速在120 r/min、240 r/min和450 r/min这三种状态下的轮轨冲击信息表现，如图7所示。

图6 轨道平直度故障特征示意图

图7所示的仿真结果表明，轨道平直度故障所呈现的冲击特征主要表现为2簇明显的轮轨冲击。其中：车轮低转速下产生的冲击幅值低；随着车轮转速变高，冲击幅值显著增高。

图7 不同车轮转速下的轨道平直度故障仿真分析结果

2.4 轨道故障引发的轮轨冲击特征总结

通过以上仿真研究表明，不同类型轨道故障引发的轮轨冲击特征表现及幅值(见表1)存在一定差异。具体特征总结如下：

表1 不同车轮转速下各类型轨道故障的冲击响应最大值(无量纲)

1)轨道断裂引发的轮轨冲击特征主要表现为多簇形式：轮轨转速低时，轮轨冲击表现为3簇；随着轮轨转速增高，冲击簇更多。产生此现象的主要原因可能为车轮经过断裂区域激发了车辆簧下部分的广义共振。

2)轨道内部裂纹引发的轮轨冲击特征主要表现为一簇冲击，且在车轮低转速下产生的冲击幅值高；随着轮轨转速升高，冲击幅值降低明显。初步认为主要原因是轨道裂纹故障时高转速下车轮迅速离开裂纹区域，裂纹导致的刚度降低还来不及对车轮产生冲击；而低转速下则能对车轮产生影响。

3)轨道平直度故障引发的轮轨冲击特征主要表现为明显的2簇冲击，且车轮低转速下产生的冲击幅值较低。主要原因为车轮滚入该区域及滚出该区域将分别产生冲击。

3 现场轨道故障冲击数据验证分析

为验证上述仿真分析中轨道故障引发的轮轨冲击特征的有效性，选择了两条安装有轨道监测功能设备的线路进行相应的数据分析，其中一条线路的轨道为有缝轨道，另一条线路的轨道为无缝焊接轨道。为了便于确定轨道故障的公里标位置和适用车速变化情况，采用的数据采集方式为转速跟踪采样。本试验的采样频率为200点/圈，即车轮每旋转一周，等旋转角度采集200个数据点。

3.1 轨道断裂冲击数据验证分析

图8和图9为有缝轨道线路同一公里标位置的两组不同行车趟次的冲击数据。对于有缝轨道，车轮正常运行时，在两根轨道的接缝处均会产生较大的冲击信号，且该冲击表现为一簇明显的窄脉冲。图8和图9中，除一簇窄脉冲之外，还存在明显的多簇冲击特征信息，表明其是非正常轨道接缝引起的冲击信息，从特征上看，疑似轨道断裂引发的冲击信息。

图8 某线下行线B272+60 km处疑似轨道断裂数据一

图9 某线下行线B272+60 km疑似轨道断裂数据二

现场工务人员检查反馈，该公里标位置确为轨道接缝区域，且其宽度发生了明显变化，达到15 mm(正常应在6 mm)，相当于形成了类似轨道断裂的特征，故障照片如图10所示。同时通过采样点数计算，接缝冲击与多簇冲击之间间距大约为25 m，符合实际情况，进而验证了仿真轨道断裂引发的冲击特征表现。

图10 轨道接缝宽度超标形成的类似断裂照片

3.2 轨道平直度故障冲击数据验证分析

图11和图12为无缝焊接轨道线路检测得到的两组冲击数据。从图11和图12为中均可看到一簇焊缝冲击信息，另外还有疑似轨道平直度故障引发的明显两簇冲击特征信息。

图11 某线下行线右轨K1+702 km疑似平直度故障数据

图12 某线下行线左轨K1+702 km疑似平直度故障数据

通过现场工务人员勘查轨道状态确认，在该线下行线右轨和左轨K1+702 km处均存在焊缝平直度故障，故障照片如图13所示，进而验证了仿真轨道平直度故障引发的冲击特征表现。

图13 某线下行线右轨和左轨K1+702 km处焊缝平直度故障照片

通过以上实际线路试验故障冲击数据特征表现验证了动力学仿真中部分轨道故障(轨道断裂和轨道平直度故障)引发的冲击特征的准确性。

4 结语

本文通过对常见轨道故障的动力学仿真研究，初步得到了各类轨道故障引发的冲击特征表现，并基于实际试验数据对部分仿真冲击特征进行了验证。

1)通过动力学仿真计算，对轨道断裂、内部裂纹和轨道平直度这三种故障引发的冲击特征进行了总结。其中：轨道断裂引发的冲击特征主要表现为多簇形式，轨道内部裂纹引发的则为一簇冲击，而轨道平直度故障引发的冲击特征为两簇冲击。

2)通过现场实际试验冲击数据分析，验证了轨道断裂故障和轨道平直度故障时的冲击信息表现，与仿真结果基本一致。

3)本文提出的基于轮轨冲击特征的识别诊断方法，可为后续轨道故障检测识别提供参考。