李紅艷，陳治亞，趙 鋼，魯寨軍

(1.中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心，北京 100081;2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

為確保行車安全，鐵路機(jī)車車輛限界與建筑限界之間預(yù)留了較大的空間。當(dāng)建筑限界確定后，該預(yù)留空間的大小決定了機(jī)車車輛的最大外廓尺寸。我國鐵路機(jī)車車輛限界在橫向基本屬于無偏移限界［1］，只是在設(shè)計(jì)尺寸基礎(chǔ)上考慮了車輛制造公差引起的偏移或傾斜，并未包括運(yùn)行過程中隨機(jī)振動引起的偏移量。因此，在確定機(jī)車車輛限界時不得不為動態(tài)偏移量預(yù)留較大的空間以確保運(yùn)輸安全。同時，超限車與鄰線列車交會時的運(yùn)行條件［2］也與車輛在運(yùn)行過程中的橫向偏移量密切相關(guān)。如果經(jīng)過分析和研究，確認(rèn)車輛的最大動態(tài)偏移量遠(yuǎn)小于預(yù)留的空間，則在建筑限界條件不變的情況下，可以將車輛限界放寬，使車輛有更大的容積運(yùn)輸貨物或旅客，或可放寬超限貨物安全運(yùn)輸技術(shù)條件，從而大大提高運(yùn)輸效率。大風(fēng)環(huán)境下，車輛承受的氣動力大大增加［3－4］，可使車輛的振動偏移量增大，因此研究大風(fēng)環(huán)境下的車輛橫向振動偏移量具有重要的意義。

本文采用實(shí)車試驗(yàn)方法，研究了P62k型空棚車在蘭新線上運(yùn)行時的橫向振動偏移量，分別得到了該棚車在風(fēng)區(qū)和非風(fēng)區(qū)運(yùn)行及在不同擋風(fēng)墻后停留時的最大橫向振動偏移量;采用環(huán)境風(fēng)作用下振動偏移量系數(shù)分析大風(fēng)對橫向偏移量的影響，比較了不同擋風(fēng)墻的防風(fēng)效果。

1 車輛振動偏移量檢測方法

建立圖1所示的 OwXwYwZw坐標(biāo)系。圖中OwXw和OwYw軸均位于軌面上，OwXw與軌道中心線重合或相切，OwYw垂直于OwXw，OwZw軸垂直于軌面，指向軌面下方。該坐標(biāo)系原點(diǎn)Ow始終跟隨車輛以線路中心線為軌跡向前移動，并且在移動過程中Xw軸始終與線路中心線重合(直線上)或相切(曲線上)，稱之為軌面隨行坐標(biāo)系。當(dāng)縱橫對稱的車體連同轉(zhuǎn)向架平放在平直線上時，若其縱向?qū)ΨQ面ABCD與OwXwZw平面重合，橫向?qū)ΨQ面EFGH與OwYwZw平面重合，則稱該位置為正位置。車輛運(yùn)行時，相對該正位置的偏移量，即為振動偏移量。將軌面隨行坐標(biāo)系平移至處于正位置時的測點(diǎn)1形成車體隨行坐標(biāo)系ObXbYbZb，該坐標(biāo)系隨測點(diǎn)1相對OwXwYwZw平移或繞自身軸旋轉(zhuǎn)。

圖1 坐標(biāo)系定義Fig.1 Coordinate system definition

本文以軌道中心線和軌面作為檢測基準(zhǔn)，采用基于機(jī)器視覺的非接觸式檢測方法［5］。在被測車體非共線的4個點(diǎn)上分別安裝高速CCD，隨著車輛的運(yùn)動，各CCD分別記錄鋼軌相對該測點(diǎn)的運(yùn)動圖像序列，運(yùn)用圖像處理技術(shù)，得到各測點(diǎn)相對軌面的偏移量zci，yci［6］(i=1，2，3，4)。4 個測點(diǎn)的高速CCD受時間同步裝置控制，同步采集數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、顯示、存儲和對外實(shí)時通信。綜合測點(diǎn)1、測點(diǎn)2和測點(diǎn)3的橫向坐標(biāo) yci(i=1，2，3)和垂向坐標(biāo) zci(i=1，2，3)，由式(1)～式(3)可以確定車體相對于2條鋼軌的測滾角α、點(diǎn)頭角β和搖頭角γ，通過式(4)和式(5)可分別得到測點(diǎn)1以軌面隨行坐標(biāo)系表示的橫向偏移量Δywc1和垂向偏移量Δzwc1，進(jìn)而通過剛體運(yùn)動學(xué)相關(guān)公式得到車體上任意點(diǎn)(或固連于車體上的貨物)的動態(tài)偏移量［7］。第4個測點(diǎn)所測得的偏移量用于對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

式中，zci和yci分別為i測點(diǎn)相對軌道的垂向和橫向坐標(biāo)(以i測點(diǎn)的攝像機(jī)坐標(biāo)系表示);xbi和ybi分別為i測點(diǎn)在坐標(biāo)系ObXbYbZb中的坐標(biāo)。

2 測點(diǎn)和監(jiān)控點(diǎn)布置

P62K型棚車車體主要外廓尺寸:除手制動外，最高點(diǎn)為縱中心線上，距軌面高度4103 mm;車體長15500 mm;車體最大寬度3312 mm;下側(cè)梁下表面距軌面高度995 mm;車頂彎梁與上側(cè)梁連接處距軌面高3902 mm。據(jù)此，選擇車體一二位端縱中心線上的最高點(diǎn)和二位側(cè)的最高、最低點(diǎn)共6個監(jiān)控點(diǎn)對P62k型棚車的橫向振動偏移量進(jìn)行研究。測點(diǎn)和監(jiān)控點(diǎn)布置如圖2所示，監(jiān)控點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示，坐標(biāo)值的基準(zhǔn)坐標(biāo)系為OwXwYwZw。

圖2 測點(diǎn)和監(jiān)控點(diǎn)布置Fig.2 Distribution of measuring and monitoring points

表1 監(jiān)控點(diǎn)坐標(biāo)Table 1 Coordinates of monitoring points

3 在風(fēng)區(qū)停留時測試結(jié)果分析

列車在二線停留時，P62K型空棚車的橫向振動偏移量見表2所示。由于擋風(fēng)墻位于Y軸負(fù)方向側(cè)，因此表中數(shù)值為正時，表示該監(jiān)控點(diǎn)向遠(yuǎn)離擋風(fēng)墻側(cè)偏移;數(shù)值為負(fù)時，表示該監(jiān)控點(diǎn)向擋風(fēng)墻靠近。

由表中數(shù)據(jù)可見，在無擋風(fēng)墻和各種擋風(fēng)墻后，均是與軌面距離最高的監(jiān)控點(diǎn)的橫向振動偏移量絕對值最大，這是車體繞下心滾擺的結(jié)果。在砼板式擋風(fēng)墻、加筋對拉式(加高)擋風(fēng)墻和加筋對拉式擋風(fēng)墻后的橫向振動偏移量主要為負(fù)值，即車體向擋風(fēng)墻側(cè)偏移和側(cè)滾;停留于無擋風(fēng)墻區(qū)段或在土堤式、橋式、砼板直插式擋風(fēng)墻后停留時，所有監(jiān)控點(diǎn)橫向振動偏移量均為正，即車體整體向遠(yuǎn)離擋風(fēng)墻側(cè)偏移和側(cè)滾。這些規(guī)律均與氣動力測試得到的氣動力傾覆系數(shù)的規(guī)律相同［8］。P62K型空棚車在風(fēng)區(qū)停留試驗(yàn)中，最大瞬時風(fēng)速為24.8 m/s，出現(xiàn)在砼枕直插式擋風(fēng)墻后停留時，對應(yīng)的最大橫向振動偏移量為36 mm;在橋式擋風(fēng)墻后停留時，最大瞬時風(fēng)速為22.9 m/s，對應(yīng)的最大橫向振動偏移量為37 mm，這也是各次停留試驗(yàn)中的最大值，考慮車體計(jì)算寬度后，未超出建筑限界。

表2 P62K型空棚車停留試驗(yàn)振動偏移量測試結(jié)果Table 2 Test results of lateral vibration offsets when the empty box－car staying in the wind zone

列車在停留試驗(yàn)過程中的振動偏移量主要由環(huán)境風(fēng)引起的氣動力導(dǎo)致，因此在不同擋風(fēng)墻后停留時的振動偏移量大小與所受到的環(huán)境風(fēng)氣動力密切相關(guān)。由于在不同擋風(fēng)墻后停留時，大風(fēng)風(fēng)速差別較大，因此不能直接通過比較振動偏移量的統(tǒng)計(jì)值來判斷擋風(fēng)墻擋風(fēng)效果的優(yōu)劣。仿照文獻(xiàn)［9］所述氣動力系數(shù)建立環(huán)境風(fēng)作用下橫向振動偏移量系數(shù)計(jì)算式如式(6)和式(7)所示。

式中，Vwmax和Vwavg分別為停留試驗(yàn)過程中環(huán)境風(fēng)最大瞬時風(fēng)速和平均風(fēng)速，取鐵路沿線測風(fēng)站所測的風(fēng)速，m/s;Dmax和Dmin分別為所有監(jiān)控點(diǎn)中振動偏移量的最大值和最小值，mm;Damax和Damin分別為所有監(jiān)控點(diǎn)中橫向振動偏移量均值的最大值和最小值，mm;ρ為來流密度，kg/m3;蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)海拔在500～700 m之間，取海拔高度600 m。按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［10］近似計(jì)算，得到來流密度為 1.177 kg/m3。

計(jì)算得到P62K型空棚車在風(fēng)區(qū)停留試驗(yàn)時的橫向振動偏移量系數(shù)如表3所示。

表3 P62K型空棚車停留試驗(yàn)時，環(huán)境風(fēng)作用下的橫向振動偏移量系數(shù)Table 3 The coefficients of lateral vibration offset under wind environment when the P62Kbox－car staying in the wind zone

從表3可知，就橫向振動偏移量的最大(最小)值來說，無擋風(fēng)墻時的橫向振動偏移量系數(shù)最大，砼枕直插式擋風(fēng)墻和加筋對拉式擋風(fēng)墻效果最好;加筋對拉式(加高)和砼板式效果接近;各種擋風(fēng)墻中，土堤式擋風(fēng)墻效果最差。

從橫向振動偏移量的最大(最小)平均值來說，也是無擋風(fēng)墻時的系數(shù)最大;各擋風(fēng)墻中，在土堤式擋風(fēng)墻后的系數(shù)最大、擋風(fēng)效果最差，加筋對拉式擋風(fēng)墻和砼枕直插式擋風(fēng)墻的擋風(fēng)效果最好。

4 運(yùn)行試驗(yàn)測試結(jié)果

P62K型空棚車分別在一線和二線的風(fēng)區(qū)和非風(fēng)區(qū)運(yùn)行時的最大橫向振動偏移量測試結(jié)果見表4所示。期間最大瞬時風(fēng)速達(dá)33.5 m/s(12級)、平均風(fēng)速達(dá)26.1 m/s(10級)，試驗(yàn)車最高運(yùn)行速度為80 km/h。

在風(fēng)區(qū)一線運(yùn)行時的最大橫向振動偏移量為137 mm，出現(xiàn)在運(yùn)行速度為60 km/h時;在風(fēng)區(qū)二線運(yùn)行時的最大橫向振動偏移量為126 mm，出現(xiàn)在運(yùn)行速度為80 km/h時;在非風(fēng)區(qū)一線運(yùn)行時的最大橫向振動偏移量為83 mm，出現(xiàn)在運(yùn)行速度為70 km/h時;在非風(fēng)區(qū)二線運(yùn)行時的最大橫向振動偏移量為76 mm，運(yùn)行速度為70 km/h。在風(fēng)區(qū)運(yùn)行時的最大橫向振動偏移量比在非風(fēng)區(qū)運(yùn)行時的最大橫向振動偏移量大54 mm，說明環(huán)境風(fēng)對P62K型空棚車的橫向振動偏移量的影響比較大。

表4 P62K型空棚車運(yùn)行試驗(yàn)振動偏移量測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)值Table 4 Lateral vibration offsets of the P62Kempty box－car in running test

棚車運(yùn)行試驗(yàn)中，最大橫向振動偏移量為137 mm，考慮車體計(jì)算寬度后，未超出建筑限界。

5 結(jié)論

(1)介紹了基于機(jī)器視覺的車輛橫向振動偏移量在線實(shí)車測試方法，建立了車體相對軌道和軌面中心線的姿態(tài)角和偏移量的計(jì)算式;

(2)對P62k型空棚車進(jìn)行了橫向振動偏移量試驗(yàn)，得到了該棚車在非風(fēng)區(qū)和風(fēng)區(qū)運(yùn)行時的最大橫向振動偏移量分別為83 mm和137 mm，考慮車體計(jì)算寬度后，未超出建筑限界;

(3)分析了P62k型空棚車在無擋風(fēng)墻區(qū)段和不同擋風(fēng)墻后停留試驗(yàn)時各監(jiān)控點(diǎn)橫向振動偏移量的統(tǒng)計(jì)值，提出了環(huán)境風(fēng)作用下振動偏移量系數(shù)的概念，并分析得到該棚車在無擋風(fēng)墻時的環(huán)境風(fēng)作用下橫向振動偏移量系數(shù)最大，在砼枕直插式擋風(fēng)墻和加筋對拉式擋風(fēng)墻后停留時的橫向振動偏移量系數(shù)最小，加筋對拉式(加高)和砼板式擋風(fēng)效果接近，土堤式擋風(fēng)墻效果最差。該結(jié)論與氣動力測試得到的傾覆系數(shù)和橫向氣動力的規(guī)律相吻合。

［1］嚴(yán)雋耄.車輛工程［M］.2版.北京:中國鐵道出版社，1999.YAN Juan-mao.Vehicle engineering［M］.Second edition.Beijing:China Railway Publishing House，1999.

［2］中華人民共和國鐵道部.鐵路超限超重貨物運(yùn)輸規(guī)則［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.Ministry of Railways of P.R.C.Regulations on transport of railway out－of－gauge goods and over－load goods［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2007.

［3］李燕飛，梁習(xí)鋒，劉堂紅.環(huán)境風(fēng)對路堤上快運(yùn)集裝箱平車氣動力性能影響［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，4(5):78 －82.LI Yan-fei，LIANG Xi-feng，LIU Tang-hong.Influence of cross－ wind on aerodynamic performances of highspeed container flat car running on embankment［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2007，4(5):78－82.

［4］楊明智，袁先旭，周 丹，等.強(qiáng)橫風(fēng)下青藏線棚車氣動性能研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，5(2):75－78.YANG Ming-zhi，YUAN Xian-xu，ZHOU Dan，et al.Aerodynamic forces acting on a box car running on Qinghai－Tibet railway under strong cross－wind［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2008，5(2):75－78.

［5］韓伯領(lǐng)，陳治亞，魯寨軍.鐵路車輛動態(tài)偏移量的在線檢測［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，39(4):777－792.HAN bo-ling，CHEN Zhi-ya，LU Zhai-jun.On－line detection of offset generated by vibration of rolling stock based on machine vision［J］.Journal of Central South U-niversity:Science and Technology，2008，39(4):777 －792.

［6］LU Zhai-jun，TIAN Hong-qi，LIU Ying-long，et al.Correlation matching algorithm based on dynamic gray threshold for catadioptric stereo vision［C］//2009 IEEE International Conference on Intelligent Computing and Intelligent Systems(ICIS 2009)，2009，588 －592.

［7］LU Zhai-jun，TIAN Hong-qi，LIU Ying-long.Measuring Technology of Rail Vehicle’s Offset Caused by Vibration［C］//Proceeding－3rdInternational Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation，ICMTMA 2011，v2:529 －533.

［8］梁習(xí)鋒，劉堂紅，姚 松，等.大風(fēng)環(huán)境下車輛及防風(fēng)設(shè)施空氣動力學(xué)綜合試驗(yàn)總報(bào)告［R］.長沙:中南大學(xué)，2010.LIANG Xi-feng，LIU Tang-hong，YAO Song，et al.General report of aerodynamic comprehensive test of vehical and windbreak under strong wind［R］.Changsha:Central South University，2010.

［9］田紅旗.列車空氣動力學(xué)［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.TIAN Hong-qi.Train aerodynamics［M］.Beijing:China Railway Publishing House，2007.

［10］中華人民共和國建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 5009，2006.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.The Ministry of Construction of PRC，State Administration for Quality，Supervision，Inspection and Quarantine.GB 5009，2006.Architectural structure load standards［S］.Beijing:China Building Industry Press，2006.