轨检车水平加速度出分原因探讨.doc

轨检车水平加速度出分原因探讨车体水平加速度的检测方法很多，常用的有轨检车水平加速度检测装置、机车晃车仪、添乘仪等。这些检测仪器的共同点是，所有的传感器都用加速度计，差别是装在不同的机车、车辆上。轨道检查车的检查是用来指导线路养护维修工作的。在评定轨检车检测结果时，在众多检查项目中如果出分，都可以用轨距尺及弦线在现场直接复查，但对水平加速度则在现场很难直接找到，而且出分也较多。水平加速度是造成曲线合格或失格的主要原因，扣分占总扣分的比例较大，一般达3040，最大时可超过80。根据现行的铁路线路维修规则，在评价轨道状态时，车体加速度与轨道几何状态具有同样的权重。车体振动加速度是轮轨相互作用的反映，其大小不仅与轨向、轨距及水平等轨道几何状态有关，还与轨道曲线参数、车辆构造、列车运行状态等因素有关。1 理论分析1.1 直线段分析 通过几年的检测发现，在直线地段如高低、轨距、轨向、水平、三角坑等几何状态大部分都做得比较好，很少出现超限，所以水平加速度出现的几率就少得多。如果直线地段出现轨向不良，特别是一正一负的反方向轨向，在列车快速运行时，这种组合轨向即使很小(轨向本身可能只是ii级，有时甚至是i级超限)，也会造成iii级水平加速度。 另外，如果同股钢轨连续的有规律性的小高低(指数值达不到超限的情况)、交替的一侧小水平、不良的轨距变化率组合在一起，也能引起直线地段的水平加速度，反映的病害一般比实际情况更严重。 假设轨道不平顺为单正弦波，幅值为a，波长为，即 (1) 对式（1）两次微分，可得加速度： (2)从式(2)可以看出，加速度与速度的平方成正比，与波长的平方成反比，尤其是当轨道不平顺波长与车体的自振频率相近时，易产生共振，造成加速度扣分。1.2 曲线段分析 我国的既有铁路都是客货车混跑，曲线超高的设置既要考虑高速度的客车，又要考虑低速度的货车。要解决这种矛盾，还没有很好的办法，只有根据现场的实际情况，尽可能合理地设置超高，并加强这些地段的养护。合理设置超高可以根据下式计算得出： (3)式中 h曲线超高(mm)； r曲线半径(m)； v列车平均速度(km/h)。 曲线超高是通过观测一昼夜客、货列车的速度，经加权平均计算得到平均速度，再按平均速度计算设置超高，但超高值必须以线路允许速度和货车平均速度对欠超高和过超高进行检算，以满足维规要求。 然而，一定的曲线超高仅对应某一列车速度，当列车以不同的速度通过时，必然产生末被平衡的加速度，其计算公式为： （4）式中 h曲线超高(mm) g重力加速度； s两钢轨中心距。 曲线欠超高： （5） 考虑到车辆弹簧装置对未被平衡的加速度的附加作用： （6）从式(6)可知，每13mm左右的欠超高或过超高，即可产生0.01g的未被平衡加速度(水平加速度)。在维规中规定未被平衡的欠超高一般应不大于75mm，困难条件下应不大于90mm，容许速度大于120 km/h线路的个别特殊情况下不大于110mm；未被平衡的过超高不得大于50mm。这表明即使在线路几何尺寸无任何超限的情况下，当列车以线路容许速度通过曲线时，就存在0.059g、0.070 g、0.086g的水平加速度，而轨检车水平加速度i、ii级超限的限值分别为0.06g和0.10 g。亦即在线路状态为理想状态(没有一点病害的情况下)，仅因速度差异产生的水平加速度就是i级分。当线路状态稍有不良时，就可能出现ii级或iii级超限，造成水平加速度的大量扣分。 2 水平加速度出分原因及限值2.1 直线地段2.1.1 轨向与水平加速度的关系在直线地段，如果存在轨向，轨向不良地段看作是一段曲线，根据 (、r均以m计)，得出。式中，轨向，mm；r曲线半径，m；波长的一半，称之为半波长，m。根据物理学圆周运动原理，在此处产生的水平加速度为。式中，v轨检车通过该地段时的速度，km/h；a由轨向引起的水平加速度理论值，g。而事实上，当列车通过轨向不平顺区域时，车体会倾向不平顺的一侧，从而该侧弹簧压缩而相当于增加了水平加速度，轨检车在动态检测中包含了这个值，因此实际水平加速度为： (7)式中，为实际水平加速度；为弹簧附加系数，一般为0.2。由公式(7)可以看出，轨向对水平加速度的影响与列车速度有关，还与轨向峰值与半波长的比值(即轨向顺坡率)有关。顺坡率越大水平加速度越大。因此根据维规中的i、ii、iii级超限可反算出，再由可计算出轨向单项顺坡率i、ii、iii超限值见表1。表1 直线地段轨向单项不平顺时超限值表速度（km/h）（v取120）v100（v取90）iiiiiiiiiiii水平加速度超限值/g0.060.100.150.060.100.15轨向超限值/mm81016101420轨向顺坡率超限值/1.331.922.971.983.024.432.1.2 轨距扩大对水平加速度的影响轨枕扣件松动或轨底与扣件离缝等原因都容易造成轨道弹性挤开、轨距扩大，它对水平加速度的影响如同轨向对水平加速度的影响，可用轨向对水平加速度的影响原理计算，即为： (8) 式中，为轨距扩大值。 由公式(8)可以看出，轨距对水平加速度的影响除与列车速度有关外，还与轨距峰值与半波长的比值(即轨距顺坡率)有关，顺坡率越大水平加速度越大。同样可计算出轨距单项顺坡率i、ii、iii级超限值，见表2。表2 直线地段轨距单项不平顺时超限值表速度（km/h）（v取100）v100（v取90）iiiiiiiiiiii水平加速度超限值/g0.060.100.150.060.100.15轨距超限值/mm81220121618轨距顺坡率超限值/1.332.103.322.173.234.202.1.3 水平差与水平加速度的关系在直线地段水平不良，可以假设机车为一刚体分析它的受力情况，如图l。根据，则即式中，f1为摩擦力；m为机车重量；g为重力加速度；为轮轨摩擦系数，取0.3；s为轨距；h为水平差。其中，。因为只有在时，列车才会产生下滑，所以，而此时水平差h430.5mm，因此可以得出水平单项出iii级分不会引起水平加速度出分。2.1.4 轨向、水平逆向复合不平顺对水平加速度的影响如果轨道出现轨向、水平逆向复合不平顺，可以把此种情况看作是一个曲线出现反超高h，根据圆周运动原理产生有水平加速度 (a以m/s2计)，把 (v以km/h计)换算成(v以km/h计)代入上式得理论水平加速度为：；如果考虑机车弹簧压缩则实际水平加速度为 （9）通过上述分析可以得出以下结论。(1)对水平加速度的影响是在轨向不良且上股出现反超高时才会加大水平加速度。实际上如果下股水平低，则相当于在曲线上股设置了超高，反而平衡了因轨向而引起的水平加速度。(2)对水平加速度的影响仅仅与水平峰值有关。如果轨向、水平出现逆向复合不平顺则实际水平加速度为： （10） 根据公式（10）可以算出在轨向及水平逆向复合不平顺时的轨向顺坡率i、ii、iii超限值，见表3。表3 直线地段水平及轨向复合不平顺时超限值表速度（km/h）（v取120）v100（v取90）iiiiiiiiiiii水平加速度超限值/g0.060.100.150.060.100.15水平超限值/mm81218121222水平差引起的水平加速度/g0.010.010.010.010.010.01轨向超限值/mm81016101420轨向顺坡率超限值/1.211.822.871.812.874.28轨向引起的水平加速度/g0.050.090.140.050.090.14二者复合不平顺时的水平加速度/g0.060.100.150.060.100.152.1.5 轨距、水平逆向复合不平顺对水平加速度的影响 如果轨道出现轨距和水平逆向复合不平顺，此种情况与轨向、水平逆向复合不平顺对水平加速度的影响原理相同。因此实际水平加速度为： （11） 根据公式（11）可以算出轨距及水平逆向复合不平顺时的轨距顺坡率i、ii、iii超限值，见表4。表4 直线地段水平及轨距复合不平顺超限值表速度（km/h）（v取120）v100（v取90）iiiiiiiiiiii水平加速度超限值/g0.060.100.150.060.100.15水平超限值/mm81218121222水平差引起的水平加速度/g0.010.010.010.010.010.01轨距超限值/mm81220121624轨距顺坡率超限值/1.211.993.211.983.074.69轨距引起的水平加速度/g0.050.090.140.050.090.14二者复合不平顺时的水平加速度/g0.060.100.150.060.100.152.1.6 轨向、轨距逆向复合不平顺对水平加速度的影响 如果轨向、轨距逆向复合不平顺，则实际水平加速度为： (12) 根据公式(12)可以算出轨距及轨向逆向复合不平顺时的轨距及轨向顺坡率i、ii、iii超限值，见表5。表5 直线地段轨距及轨向复合不平顺时超限值表速度（km/h）（v取120）v100（v取90）iiiiiiiiiiii水平加速度超限值/g0.060.100.150.060.100.15轨向超限值/mm81016101420轨向顺坡率超限值/0.941.362.101.402.143.13轨向引起的水平加速度/g0.030.050.0750.030.050.075轨距超限值/mm81220121624轨距顺坡率超限值/0.941.492.351.532.293.43轨距引起的水平加速度/g0.030.050.0750.030.050.075二者复合不平顺时的水平加速度/g0.060.100.150.060.100.152.1.7 三者逆向复合不平顺对水平加速度的影响 如果水平、轨向、轨距出现逆向复合不平顺时则水平加速度为： (13) 公式(13)即为三者逆向复合不平顺时所产生的实际水平加速度值。根据公式(13)可以算出轨距、轨向及水平出现逆向复合不平顺时各单项的顺坡率i、ii、iii超限值，见表6。表6 直线地段水平、轨距及轨向复合不平顺时超限值表速度（km/h）（v取120）v100（v取90）iiiiiiiiiiii水平加速度超限值/g0.060.100.150.060.100.15水平超限值/mm81218121622水平差引起的水平加速度/g0.010.010.010.010.010.01轨向超限值/mm81016101420轨向顺坡率超限值/0.861.362.031.272.143.02轨向引起的水平加速度/g0.0250.050.070.0250.050.075轨距超限值/mm81220121624轨距顺坡率超限值/0.861.332.271.402.043.31轨距引起的水平加速度/g0.0250.040.070.0250.040.07二者复合不平顺时的水平加速度/g0.060.100.150.060.100.15由表6可以看出，直线地段轨向及轨距顺坡率对水平加速度的影响远大于水平差对水平加速度的影响。因此在日常养护维修时一定要抓住轨向及轨距这两个主要因素，尤其是要做好轨向及轨距的顺坡。2.2 曲线地段2.2.1 在通过曲线状态良好时所产生的水平加速度在曲线地段，如果几何状态良好，根据圆周运动原理则产生的水平加速度，如果曲线按轨检车通过该曲线的速度来设置超高，则轨检车在通过几何状态良好的条件下产生的水平加速度会被超高平衡，由于曲线上设置的超高是按平均速度来设置的，因此必然存在一个欠超高，在几何状态良好的情况下，则依然存在一个水平加速度，把 (v以km/h计)换算成 (v以km/h计)代入上式得： (14) 其中，v为轨检车通过曲线时的速度；v平为设置曲线超高时所采用的平均速度；h为轨检车通过曲线时所需的超高；hp为曲线设置的超高；h欠为欠超高。 因为轨检车在动态检测中包含了h欠，因此在计算水平加速度时应加上这一基数。2.2.2 曲线上股有方向 在曲线上股如果有方向。根据直线段方向与水平加速度的关系原理，则实际水平加速度为： (15) 式中，fy为曲线上股方向峰值。 根据公式(15)可以算出在曲线上股轨向单项不良时的顺坡率i、ii、iii超限值。2.2.3 曲线上股水平低 在曲线上股如果水平低，即欠超高增大根据直线段水平差与水平加速度的原理，则实际水平加速度为： (16) 式中，h水平表示水平误差。 由公式(16)可以算出曲线上股水平对水平加速度的影响。2.2.4 轨距扩大对水平加速度的影响 轨枕扣件松动或轨底与扣件离缝等原因都容易造成轨道弹性挤开，轨距扩大，它对水平加速度的影响如同轨向对水平加速度的影响，因此可用轨向对水平加速度的影响原理计算，因此实际水平加速度为： （17） 由公式（17）可以算出轨距单项不良时的顺坡率i、ii、iii超限值。2.2.5 轨向、水平逆向复合不平顺对水平加速度的影响 如果曲线上股轨向、水平出现逆向复合不平顺，则实际水平加速度为： （18）根据公式(12)可以算出在轨向及水平逆向复合不平顺时的轨向顺坡率i、ii、iii超限值。2.2.6 轨距、水平逆向复合不平顺对水平加速度的影响 如果曲线上股出现轨距和水平逆向复合不平顺，则实际水平加速度为： (19)根据公式(19)可以算出轨距及水平逆向复合不平顺时的轨距顺坡率i、ii、iii超限值。2.2.7 轨向、轨距逆向复合不平顺对水平加速度的影响 如果曲线上股轨向、轨距逆向复合不平顺，则实际水平加速度为； (20) 根据公式(20)可以算出轨距及轨向逆向复合不平顺时的轨距及轨向顺坡率i、ii、iii超限值。2.2.8 三者逆向复合不平顺对水平加速度的影响 如果列车在通过曲线时三者出现逆向复合不平顺，则实际水平加速度为， （21） 公式(21)即为三者逆向复合不平顺时所产生的实际水平加速度值。根据公式(21)可算出轨距、轨向、水平差出现逆向复合不平顺时的水平限值和轨距、轨向的顺坡率i、ii、iii超限值。通过上述分析可以从以下几个方面来防止水平加速度出分：(1) 曲线上要尽量把曲线上股做成正的水平差，用以部分平衡因未被平衡的超高引起的水平加速度；(2) 在曲线上一定要把曲线上股的扣件拧紧，同时要注意扣件与轨底密贴。以免轨距在动态检测中弹性挤开；(3) 在直线地段如果出现方向，则应该把方向股做成正的水平差，以平衡因轨向引起的水平加速度；无论在直线地段还是在曲线地段如果出现轨向、轨距、水平三者逆向复合不平顺都应引起重视，尤其要重点注意轨向及轨距的顺坡率。3 结论综上所述，可以得到如下结论：(1) 水平加速度出分的原因主要是由于超高设置引起的。这个在客货混运、速差比较大的情况下是难以避免的；(2) 在线路状态为理想状态(没有一点病害的情况下)，仅因速度差异产生的水平加速度就是i级分；(3) 当线路状态稍有不良时，就可能出现ii级或iii级超限，造成水平加速度的大量扣分。(4) 其他不平顺，如方向、水平、轨距及复合不平顺对水平加速度的出分有一定的影响，但其具体的数值有待进一步分析；(5) 由测试数据分析可知（见附表：4月25日、4月27日、9月14日、9月15日的测试），水平加速度超限点即水平扣分点，其速度与极限点相差较大，极限点的半径和整个曲线的半径有较大的差距，反映出曲线非理想曲线，在养护中应采用更为合理的测量和拨道方法。204月25日测试数据曲线起、终点里程测量曲线参数极限点情况水加超限点分析序号起点终点rhvmaxhq11位置rhvmaxhq22位置3vmaxl1=3-12=3-2rvkm+mkm+mmmmkm/mmmgkm+mmmmkm/mmmgkm+mgkm/mm1234567891011121314151617181920211313+646313+39161081108144.6 0.12 313+52859777.98771.7 0.06 313+4540.17108-740.05 0.11 13212300+262299+609100454.1124126.6 0.10 299+96597049.110072.5 0.06 300+770.161251120.06 0.10 34243300+262299+609100454.1124126.6 0.10 299+96597049.110072.5 0.06 300+160.16124510.06 0.10 34244300+262299+609100454.1124126.6 0.10 299+96597049.110072.5 0.06 299+8970.16125-680.06 0.10 34245300+262299+609100454.1124126.6 0.10 299+96597049.110072.5 0.06 299+8380.17125-1270.07 0.11 34246300+262299+609100454.1124126.6 0.10 299+96597049.110072.5 0.06 299+7070.15125-2580.05 0.09 34247256+272255+73439397.597185.0 0.15 255+97938893.87472.7 0.06 255+7890.1997-1900.04 0.13 5238220+122219+751102047.4125133.4 0.11 219+842100838.49874.0 0.06 220+120.181241700.07 0.12 12279220+122219+751102047.4125133.4 0.11 219+842100838.49874.0 0.06 219+9920.191251500.08 0.13 122710220+122219+751102047.4125133.4 0.11 219+842100838.49874.0 0.06 219+9690.151241270.04 0.09 122711220+122219+751102047.4125133.4 0.11 219+842100838.49874.0 0.06 219+8630.17125210.06 0.11 122712220+122219+751102047.4125133.4 0.11 219+842100838.49874.0 0.06 219+8090.16124-330.05 0.10 122713217+594217+222102748.8123125.0 0.10 217+503960439875.0 0.06 217+4550.17123-480.07 0.11 672514217+594217+222102748.8123125.0 0.10 217+503960439875.0 0.06 217+3570.17124-1460.07 0.11 672515217+594217+222102748.8123125.0 0.10 217+503960439875.0 0.06 217+3330.16123-1700.06 0.10 672516211+853211+54986066.3120131.3 0.10 211+76487354.49875.4 0.06 211+6420.16120-1220.06 0.10 -132217198+661198+6045079.895156.9 0.12 198+42444273.37472.9 0.06 198+5350.16911110.04 0.10 82118198+661198+6045079.895156.9 0.12 198+42444273.37472.9 0.06 198+3870.1592-370.03 0.09 82119198+661198+6045079.895156.9 0.12 198+42444273.37472.9 0.06 198+1300.1592-2940.03 0.09 82120196+23195+466102645.3115106.8 0.09 195+82494839.19573.2 0.06 195+9280.151111040.06 0.09 782021191+912190+688187724.811964.2 0.05 191+422174517.111673.9 0.06 191+3560.16120-660.11 0.10 132322187+35186+51481557119148.0 0.12 186+79377951.69276.6 0.06 186+8620.19120690.07 0.13 362723187+35186+51481557119148.0 0.12 186+79377951.69276.6 0.06 186+7640.19119-290.07 0.13 362724187+35186+51481557119148.0 0.12 186+79377951.69276.6 0.06 186+7200.18119-730.06 0.12 3627曲线起、终点里程测量曲线参数极限点情况水加超限点分析序号起点终点rhvmaxhq11位置rhvmaxhq22位置3vmaxl1=3-12=3-2rvkm+mkm+mmmmkm/mmmgkm+mmmmkm/mmmgkm+mgkm/mm12345678910111213141516171819202125187+35186+51481557119148.0 0.12 186+79377951.69276.6 0.06 186+6960.19119-970.07 0.13 362726187+35186+51481557119148.0 0.12 186+79377951.69276.6 0.06 186+6710.2119-1220.08 0.14 362727187+35186+51481557119148.0 0.12 186+79377951.69276.6 0.06 186+6430.22119-1500.10 0.16 362728187+35186+51481557119148.0 0.12 186+79377951.69276.6 0.06 186+6160.17119-1770.05 0.11 362729185+226184+740103247123126.0 0.10 184+863100339.19873.9 0.06 185+900.161232270.06 0.10 292530185+226184+740103247123126.0 0.10 184+863100339.19873.9 0.06 185+90.171231460.07 0.11 292531185+226184+740103247123126.0 0.10 184+863100339.19873.9 0.06 184+9550.18123920.08 0.12 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