国内动车组运行速度分析

国内动车组运行速度分析

0载荷特性测试方法目前，国内引入的高速车辆最大使用速度已达350km/h。在这一运用条件下,首先应明确高速动车组在实际运用条件下的载荷特性。从运行安全性上看,轮轨力占有不可替代的作用,因而在已有的理论研究与测试中受到了普遍关注与重视运营中动车组转向架构架主要受到轴箱垂向载荷、横向载荷、纵向牵引载荷、电动机载荷、齿轮箱载荷和制动载荷的共同作用,理论上应对它们分别测试或识别。事实上,轴箱垂向载荷和横向载荷在这些所有载荷中起决定性作用。因此如果能够准确获得轴箱位置的垂向和横向载荷,那么就可以较为准确地确定出作用于构架上的载荷及其特性。获得结构的力载荷一般有三种方式。其一是数值仿真法,由于线路条件、运营工况、车辆模型以及系统非线性参数等方面的差异和限制,数值仿真手段不能够完全和真实地反映轴箱弹簧的载荷特性;其二是载荷识别法,尽管载荷识别有各种各样的理论与方法为此,本文研究轴箱弹簧力直接和连续的测试方法,并在此基础上完成高速动车组轴箱弹簧载荷连续测试和特性分析。在本文之前国内外还没有进行过同类实车高速线路测试和载荷分析工作。1轴承负荷试验和识别1.1不同时距非动力和动力转向架位置分布为全面把握高速动车组弹簧载荷特性,本文对某型高速动车组的动力和非动力转向架均进行了测试,测试最高速度为350km/h。该型动车组编组及两测试转向架(非动力和动力转向架)位置分布如图1所示,它们分别位于头车后位以及第二车前位。测试转向架轴位及编号如图2所示。鉴于动车组在测试过程中每天在北京和天津间来回往返运行并入库,每两天完成一个完整的运用工况,因而两测试转向架处于导向位和非导向位的概率几乎完全一致,这有利于保证测试结果的准确性和全面性。1.2弹簧力检测方案设计为了直接测试轴箱弹簧垂向载荷,由国内相关研究所通过专业的力传感器制作工序如布片、绝缘、温控、封装、信号放大以及加载测试试验等,将该型高速动车组用轴箱弹簧做成力传感器元件(图3)并将其安装于该型动车组上,以完成线路测试前期工作。由于该“力传感器”能够连续记录任一时刻轴箱弹簧变化引起的电压信号,因此该方法实现了对轴箱载荷直接和连续测试,这对获得所有频率范围内的弹簧力具有重要的意义。另外,为确保测试结果的准确性,每一组弹簧上有两个测试通道,理论上这两个测试通道的测试结果应一致。图4给出了轴箱弹簧测试电压与测试载荷F之间对应关系,即19.62kN/V。动车组空载时动力和非动力转向架每一轴箱弹簧静态载荷分别为52.5kN和48.0kN,弹簧受载后力值一般在40~60kN范围内,弹簧力测试范围正好落在其线性度较好的中间区段,这对进一步提高测试精度具有重要帮助。2运行状态与数据采集北京至天津高速铁路线全程约为117km,80%为高架桥梁,采用了无砟轨道整体道床技术。该线路技术将应用于京沪高速线路,因此测试结果对论证该项线路技术的有效性和可行性具有重要意义。2008年7月,某型高速动车组在北京至天津高速路线上连续测试了10天。运行工况为每天从车库出发后,平均运行5个半往返(11个单程)共约1100km。测试与数据采集从车库发车到回到车库,实现全程连续采集。10天总测试里程约11000km,大量而全面的数据涵盖了动车组各种运营工况如高速、低速、曲线、道岔以及进出车站和车库等。测试仪器采用多通道数据采集系统。轴箱弹簧有效振动频率低于50Hz而采用频率为500Hz,该采样频率足以保证采样数据的完整性。整个测试过程中列车在线路上快速运行,各种干扰信号也有可能由测试环节进入数据采集系统对信号产生干扰。因此,采用专用数据处理软件,对实测信号进行去除零漂、排除干扰、提高信噪比并将电信号转换为载荷值等处理方式,以获得准确的测试结果。3测试结果的重复性和代表性虽然测试范围限于北京动车库至天津动车库之间,但是连续10天的测试数据覆盖的总里程长、工况全面,测试结果具有很好的重复性和代表性。为确认不同工况下轴箱弹簧力的动态变化特性,这里针对主要和典型运用工况进行抽样,以进一步揭示轴箱弹簧载荷在不同工况下的变化规律。这些工况主要包括高速直线、曲线、道岔、进出正线车站以及车库等。3.1轴箱弹簧负荷采样时间3.1.1弹簧力相对稳定波动的特性如图5所示,高速直线条件下,即使其运行速度达到了350km/h,动力和非动力转向架轴箱弹簧载荷峰值一般不超过58kN和53kN,最大动态载荷变化值不超过6kN和5kN。即是说,高速区段具有优良的线路状态,此时列车运行速度对轴箱弹簧垂向载荷幅值影响有限。图5局部放大后可得到图6,即在该区段上,弹簧力有相对稳定的波动周期。进一步求其频域内功率谱密度,其结果如图7所示。由此可见,在高速直线区段轴箱弹簧力有相对稳定的1.1Hz左右的振动频率。而运行速度v、振动频率f以及波长l三者之间有式(1)所示的关系,这表明该测试区段内有周期性的、波长为100m左右的轨道高低不平顺,这在线路维修与养护过程中应引起注意并对其合理处理。在该测试区段中,还存在频率为11Hz和24Hz左右的弹簧力;比较两种转向架弹簧幅值谱密度可知,在频率23~27Hz范围内动力转向架弹簧力的谱密度明显较非动力转向架弹簧大,这可能是由于电动机转动或齿轮箱振动引起。另外,该频率与构架第1阶弹性振动频率非常接近,这在构架结构设计以及高速运用过程中应引起足够地重视。高速铁路激扰一般为小至几十厘米大至数百米波长不平顺组成的宽带激扰,某一运行速度下若车辆系统的自振频率与轨道某阶激扰频率一致,则将激起车辆系统在该频率下的强迫振动且其谱密度明显增大。从图6和图7反映的特性来看,该型高速动车组高速直线运行垂向低阶频率为1.1Hz而高阶频率为11Hz左右3.1.2外内侧弹簧力较弱,最大载荷由于高速线路曲线半径大、弯道长且线路条件好,因而此时弹簧最大载荷值仍然较低,最大动态变化值一般在4kN左右,且外内侧弹簧力具有明显的增减现象(图8)。3.1.3弹簧力通过传递而非传递,但最大的冲击峰值如图9所示,动车组高速直向通过道岔时将产生轮轨冲击力,而这种冲击力将通过轴箱传递至弹簧,因此弹簧力也有一定的冲击峰值出现,表现为极短时间内出现多次激振并衰减,但最大动态变化值一般不超过10kN。动车组通过道岔时将激起轮轨系统高频振动,此时弹簧力频率也较高,约为31Hz左右。3.1.4线路激扰对弹簧力幅值的影响图10对应的运用工况是列车从停靠站台起动并经侧线小半径曲线出站,然后高速运行。弹簧载荷在局部位置表现出冲击力形式,这与出站过程中列车将连续通过道岔和侧线出站弯道有关。在道岔位置载荷明显增大,出站过程中有明显的曲线通过特性。另外,列车处于静止状态时弹簧载荷无变化,当启车并开始运行后弹簧载荷变化与线路工况完全一致。由图10标注的几种工况及弹簧载荷差异可见,线路激扰对弹簧力幅值有十分明显的影响。或者说,即使动车组在出站、通过道岔、侧向通过小半径曲线以及小段联络线上,其速度远低于正线高速运行区段,但其轴箱弹簧动态载荷值仍较高速正线行驶时的值大。这说明在提高正线轨道状态的同时,还应该进一步提高车站这一特殊区段的轨道状态,以降低各种轨道激扰和提高高速动车组使用寿命。3.1.5速直线工况下弹簧载荷动车组进出车库时,虽然运行速度较低,但是线路条件差、弯道多且半径小,这一特性反映到弹簧载荷上则如图11所示。此时列车速度很低,弹簧载荷基本呈与轨道激扰一致的变化形态,且动态幅值远大于正线工况而振动频率明显低于高速正线工况,即此时主要以低频和连续出现的较大振动峰值为其主要特征。另外,此时弹簧载荷峰值(64kN、58kN)明显较高速线路上的峰值大,这进一步表明弹簧载荷与线路条件密切相关,即线路等级越低,即使运行速度也很低,弹簧载荷依然会增大。为了更为完整和准确地反映各种线路条件和运用工况对弹簧载荷的影响特性,表1对测试数据进行了抽样,获得了动力转向架和非动力转向架轴箱弹簧载荷值的最大值、最小值以及幅值特性。由此可见,一般在进出车库和进出车站时弹簧载荷最大。前一种工况主要是线路条件较差引起,后一种工况下弹簧载荷对应的值较大主要是进出车站道岔引起。另外,动力转向架载荷值一般较非动力转向架的载荷值稍大,这与电动机和齿轮箱振动密切相关。3.2轴箱弹簧动态载荷前8天轴箱弹簧动态载荷极值如表2所示。这里的动态载荷极值是指弹簧总力减去静态载荷后的值,它反映了弹簧力的动态幅值特性。由此可以看出:(1)一般情况下动力转向架轴箱弹簧的动态载荷值要大于非动力转向架,这主要是动力转向架上电动机和齿轮箱振动等因素引起;(2)动力转向架轴箱弹簧的最大动态载荷值达到了19.7kN,达到了静轮重28.1%左右,即轴箱弹簧的动态载荷系数最大值约为0.28;(3)非动力转向架轴箱弹簧的最大动态载荷值为13.1kN,动态载荷系数约为0.19,这两值均小于设计动态系数值0.3。3.3轴箱弹簧垂向力载荷谱不仅反映了载荷幅值大小,而且反映了载荷作用频次,因而能够更为全面和准确地反映载荷的本质;为方便室内疲劳加载试验,这里将识别出的动态载荷进行编谱式中D——组间距N——载荷幅值组级数,通常取8级载荷幅值组的上限值D式中i为载荷谱级数,最大值为N。表3给出了两天内动力转向架和非动力转向架轴箱弹簧垂向载荷谱。从测试结果来看,转向架轴箱弹簧第8级载荷幅值在13kN左右,第6级载荷幅值基本在9kN左右,第4级载荷幅值基本在4kN左右;第1级载荷幅值基本在1.3kN左右;对于每一级,一般有动力转向架的载荷谱值较非动力转向架的载荷谱值大。从作用频次上看,前五级谱(第8~4级)的频次之和一般不超过150次,而第3级谱到第1级谱的载荷频次急剧增加,到第1级时达到了十几万次或几十万次。由于测试里程绝大部分为北京南至天津高速区段,从北京南进出车库、天津进出车库以及进出车站等线路条件较差区段只占总测试里程的极小部分。高速线路上弹簧载荷动态幅值要比进出车库、车站和道岔通过时小得多。由此可以认为,第3级及以下尤其是第1级载荷主要由高速运行引起,而第8级到第4级载荷主要进出车库、车站以及道岔通过引起。即在高速线路正线上,轴箱弹簧垂向力主要以频次高、幅值低的载荷出现,而在进出车库、车站以及道岔通过时,弹簧载荷主要以频次小而幅值高的载荷形式出现。在动态幅值较低的第1、2级载荷频次上,动力转向架弹簧的频次明显高于非动力转向架,这说明电动机以及齿轮箱振动对构架低幅值振动力有明显贡献,即电动机以及齿轮箱等部件的运转,将激起动力转向架轴箱弹簧产生低幅值(一般低于2kN)振动力。另外,非动力转向架每位轴箱弹簧载荷谱值和频次基本一致,动力转向架第1、3、4位轴箱弹簧的垂向力幅值和频次基本一致,但第2位轴箱弹簧力的动态幅值较小且频次也较小,这可能与弹簧初始安装高度误差有关,这说明由于电动机和齿轮的振动,动力转向架轴箱弹簧对静态初始高度偏差较非动力转向架敏感。4轴箱弹簧运营条件下的动态特性利用轴箱弹簧力传感器,在实车线路测试结果基础上,本文分析了某型高速动车组轴箱弹簧载荷动态特性。(1)动力和非动力转向架轴箱弹簧力在各主要工况下的动态载荷特性基本一致,且线路条件对高速动车组弹簧载荷影响十分明显,构架弹性振动(2)正线高速运行时,动力和非动力转向构架上弹簧载荷最大动态系数分别约为0.21和0.16左右,在进出车库或其他低等级线路区段等特殊情况下,可分别达到0.28和0.19左右。(3)受电动机和齿轮箱振动影响,动力转向架弹簧载荷峰值较非动力转向架弹簧载荷值稍大,且动力转向架上高频次、小幅值载荷出现的频次明显高于非动力转向架。(4)从对部件疲劳寿命影响来看,高速