李 銘

（中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 上海高鐵維修段，上海 200439）

保證高速列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性與舒適性是線路軌道維修作業(yè)的根本目的. 我國(guó)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)初步形成，華東地區(qū)的部分高鐵運(yùn)營(yíng)已超過(guò)10年. 隨著線路服役時(shí)間的增加，軌道服役性能也趨于劣化，由此引發(fā)的高速列車晃車事件已成為線路軌道運(yùn)維中的主要矛盾. 鐵路管理部門通常通過(guò)軌道質(zhì)量指數(shù)和幅值來(lái)管理軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)[1]，但現(xiàn)階段出現(xiàn)軌道質(zhì)量指數(shù)（Track Quality Index, TQI）及幅值超限的情況極少，反而線路晃車超限報(bào)警不斷出現(xiàn). 作為解決此問(wèn)題的有效手段，鋼軌維修作業(yè)在生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用. 因此，研究鋼軌維修對(duì)線路軌道平順性的影響，直接關(guān)系到高速鐵路養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃的有效制訂.

對(duì)于高速鐵路軌道不平順的相關(guān)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量研究，如高望翰等[2]分析高鐵的高低不平順擬合譜，突出了波長(zhǎng)3.3～5.0 m波段特征；楊翠平等[3]利用主成分分析法對(duì)軌道不平順進(jìn)行降維，提出15個(gè)時(shí)域特征量對(duì)軌道質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充的方法；楊友濤等[4]基于多元經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解分析了高速鐵路軌道不平順參數(shù)間的相關(guān)性，給出軌道不平順的能量分布及對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)特征；張坤等[5]利用SIMPACK軟件討論不同類型軌道不平順對(duì)高速列車行車的影響；張榮鶴等[6]研究軌向及高低不平順對(duì)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)影響，確定各不平順值下的限速標(biāo)準(zhǔn)；田新宇等[7]基于輪軌動(dòng)力學(xué)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)探討對(duì)晃車影響較大的線路長(zhǎng)波不平順的管理方法及指標(biāo)；楊飛等[8]采用60 m弦長(zhǎng)進(jìn)行高鐵線路長(zhǎng)波不平順的靜態(tài)測(cè)量及控制標(biāo)準(zhǔn). 這些研究深化了對(duì)高速鐵路軌道不平順管理的認(rèn)識(shí)，但值得注意的是，現(xiàn)有研究多是針對(duì)評(píng)估高鐵無(wú)砟軌道狀態(tài)及其對(duì)列車運(yùn)行影響而展開(kāi)的分析，對(duì)典型線路鋼軌維修作業(yè)后軌道線路平順性的狀態(tài)分析研究較少，尚存在進(jìn)一步討論分析的空間.

基于此，本研究從線路軌道不平順運(yùn)維的實(shí)際入手，根據(jù)線路鋼軌養(yǎng)修資料，分析軌道不平順的時(shí)頻分布特征，確定線路對(duì)列車運(yùn)行敏感波長(zhǎng)的變化規(guī)律，為科學(xué)合理地管理高速鐵路軌道不平順提供技術(shù)和理論支撐.

1 樣本來(lái)源

根據(jù)鐵路管理部門提供的運(yùn)維資料，分別選取鋼軌修理前后，軌道綜合檢測(cè)列車的線路軌道檢測(cè)數(shù)據(jù). 軌道綜合檢測(cè)列車類型為CRH2C?2150，線路處于華東地區(qū)，軌道結(jié)構(gòu)為CRTS II型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，60型鋼軌，WJ?8型扣件，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為32 m簡(jiǎn)支梁橋，線路的設(shè)計(jì)速度為350 km/h，目前運(yùn)營(yíng)速度為300 km/h.

分別采用2020年9月線路鋼軌修理前以及2020年10月線路鋼軌維修后的檢測(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)列車的速度為300 km/h，數(shù)據(jù)樣本長(zhǎng)度為20 km，采樣間隔為0.25 m. 分析區(qū)段的鋼軌維修作業(yè)是由鐵路管理部門委托中鐵物總運(yùn)維科技有限公司來(lái)進(jìn)行的，采用96頭鋼軌修理車按照60N型中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)鋼軌廓形進(jìn)行打磨作業(yè)，打磨方案依據(jù)鋼軌磨削量最小來(lái)制定，鋼軌作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)均符合《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》（鐵總運(yùn)（2014）357號(hào)），此區(qū)段未安排線路幾何形位靜態(tài)等調(diào)整維修作業(yè).現(xiàn)有研究結(jié)果表明，線路長(zhǎng)波不平順顯著影響高速列車運(yùn)行平穩(wěn)性[9?10]. 結(jié)合現(xiàn)有的無(wú)砟軌道維修規(guī)范[11]，本研究以1～42 m和1～120 m兩個(gè)波長(zhǎng)區(qū)段的左高低不平順和左軌向不平順為例進(jìn)行分析，確定鋼軌修理前后軌道不平順的分布特征.

2 軌道不平順的時(shí)域及頻域分析

2.1 時(shí)域分析

圖1為線路軌道高低不平順在不同波長(zhǎng)區(qū)段的時(shí)域幅值分布圖. 同時(shí)為了分析其統(tǒng)計(jì)特征，也給出相應(yīng)的箱型分布. 由圖可知，兩個(gè)波長(zhǎng)區(qū)段下的高低不平順?lè)稻∮谝?guī)范[11]中I級(jí)限值管理水平. 鋼軌修理作業(yè)對(duì)于1～42 m和1～120 m的波長(zhǎng)區(qū)段高低幅值時(shí)域分布沒(méi)有顯著改善，均分布在±4 mm之間；僅1～120 m的波長(zhǎng)在最大幅值方面有少量減小，約為1.5 mm. 為進(jìn)一步討論區(qū)段高低不平順的分布，本研究同時(shí)計(jì)算上述區(qū)段的TQI，如圖2所示. 由圖可知1～42 m的波段時(shí)域分布有一定的改善，幅值區(qū)間減小約0.2 mm；而1～120 m區(qū)段僅對(duì)TQI最大峰值有顯著減小作用，最大峰值約降低0.7 mm，而對(duì)時(shí)域分布幾乎無(wú)影響.

圖1 高低不平順?lè)捣植糉ig. 1 Amplitude distribution of longitudinal irregularity

圖2 高低不平順TQI分布Fig. 2 TQI distribution of longitudinal irregularity

圖3和圖4為相同樣本區(qū)段的左軌向幅值、TQI及箱型分布圖. 由圖可知對(duì)1～42 m波段，軌向不平順無(wú)論是幅值還是TQI都差異性較??；但在1～120 m的波段上，幅值及TQI均差異性顯著，說(shuō)明鋼軌修理對(duì)于長(zhǎng)波范圍內(nèi)的軌向不平順有較好 的控制效果.

圖3 軌向不平順?lè)捣植糉ig. 3 Amplitude distribution of track alignment irregularity

圖4 軌向不平順TQI分布Fig. 4 TQI distribution of track alignment irregularity

2.2 頻域分析

為進(jìn)一步討論鋼軌修理對(duì)軌道不平順的頻域影響規(guī)律，這里對(duì)高低及軌向不平順樣本進(jìn)行功率譜密度計(jì)算，計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[12]，選用Welch法，窗函數(shù)選用漢寧窗.

圖5 為左高低不平順譜計(jì)算結(jié)果. 由圖可知兩種波長(zhǎng)區(qū)段下高低軌道不平順譜呈現(xiàn)多峰分布的特征，6.4 m和32 m周期性不平順突出，說(shuō)明軌道板板長(zhǎng)及橋梁跨度作用明顯. 對(duì)比鋼軌修理前后可知，兩種波長(zhǎng)在3 m以下區(qū)段，鋼軌修理后較打磨前小，說(shuō)明鋼軌修理對(duì)于中短波不平順作用效果顯著，但中長(zhǎng)波（3 m以上）區(qū)間效果則不明顯.

圖5 左高低不平順譜Fig. 5 Spectrum of left longitudinal irregularity

圖6為左軌向不平順譜計(jì)算結(jié)果 . 由圖可知，兩種波長(zhǎng)區(qū)段下軌向不平順譜同樣呈現(xiàn)多峰分布的特征，但中長(zhǎng)波段周期性不平順不突出，僅在3.8 m以下的波長(zhǎng)區(qū)間存在著較為豐富的窄帶凸形峰及尖峰譜線，說(shuō)明鋼軌中存在一定的焊接接頭不平順以及鋼軌在軋制、運(yùn)輸與鋪設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生了硬彎. 對(duì)比打磨前后波形可知，鋼軌修理對(duì)于軌向不平順控制具有一定的效果，在全波段呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，但減少的幅值有差異性，在32 m以上的波長(zhǎng)區(qū)段減小的幅值相對(duì)較大.

圖6 左軌向不平順譜Fig. 6 Spectrum of left track alignment irregularity

3 軌道不平順與車體振動(dòng)加速度的相干分析

為進(jìn)一步討論軌道不平順波長(zhǎng)對(duì)行車舒適性的影響，本研究采用相干分析分別計(jì)算高低不平順與車輛垂向振動(dòng)加速度、軌向不平順與車輛橫向振動(dòng)加速度的關(guān)系，從而確定軌道不平順的不利波長(zhǎng)范圍.

根據(jù)互譜不等式，相干函數(shù)計(jì)算公式[12]為

式中： Sx(f)、Sy(f)分別為軌道不平順、車輛振動(dòng)加速度； γ2xy越大表示相干程度越高.

圖7為高低不平順—車輛垂向加速度相干函數(shù)，可知1～42 m波長(zhǎng)范圍內(nèi)鋼軌修理前后相干系數(shù)大于0.7的最不利波長(zhǎng)區(qū)間近似不變，都位于波長(zhǎng)35.714～29.412 m內(nèi)；而1～120 m波長(zhǎng)內(nèi)，鋼軌修理的效果顯著，打磨后不利波長(zhǎng)相干系數(shù)顯著降低，說(shuō)明鋼軌修理有助于提高列車垂向運(yùn)行舒適性.

圖7 高低—垂向加速度相干函數(shù)Fig. 7 Coherent function of longitudinal irregularity and vertical acceleration

圖8 為軌向—橫向加速度相干函數(shù). 由圖可知，鋼軌修理前后軌向不平順在兩個(gè)波長(zhǎng)區(qū)間相干系數(shù)均呈現(xiàn)一定程度地降低，說(shuō)明鋼軌修理對(duì)控制軌向不平順有一定幫助，但整體效果不明顯，這主要是由于高速鐵路橫向振動(dòng)加速度不僅僅是由軌向不平順引起的，軌向不平順僅是主因，其成因較為復(fù)雜，因此其系數(shù)相對(duì)較小，不如高低不平順對(duì)垂向振動(dòng)影響的效果顯著.

圖8 軌向—橫向加速度相干函數(shù)Fig. 8 Coherent function of track alignment irregularity and lateral acceleration

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)鋼軌修理前后的高速鐵路無(wú)砟軌道平順性進(jìn)行分析，從時(shí)域、頻域以及相干分析3個(gè)角度探討1～42 m和1～120 m兩個(gè)波長(zhǎng)區(qū)段的軌道不平順時(shí)空分布特征，得到如下結(jié)果：

1）在軌道不平順時(shí)域分布上，對(duì)分析的4種工況而言，鋼軌修理作業(yè)僅對(duì)1～120 m的軌向不平順TQI有顯著改善作用，最大幅值降低約0.7 mm，某種程度上可以緩解晃車問(wèn)題；

2）在軌道不平順頻域分布上，鋼軌修理作業(yè)對(duì)于軌道不平順波長(zhǎng)的組成沒(méi)有顯著作用，僅對(duì)3 m以下區(qū)段軌道不平順有一定的改善作用；

3）鋼軌修理作業(yè)對(duì)改善列車垂向振動(dòng)有一定的效果，但對(duì)橫向振動(dòng)的控制效果不顯著.