高速铁路路基沉降对车体振动影响研究_高雅.pdf

第 20 卷 第 4 期2023 年 4 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 4April 2023高速铁路路基沉降对车体振动影响研究高雅1，尤明熙1，杨飞1，支洋2，张瑶1，赵文博1，李威霖1(1.中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081；2.中国国家铁路集团有限公司 工电部，北京 100844)摘要：某开通时间较短的高速铁路线路受连续降雨影响，路基沉降快速发展，导致部分区段轨道结构发生变形，使轨道不平顺幅值明显增加，引起车体振动加剧，对列车运行的安全性和稳定性造成影响。为了研究路基沉降引起的轨道不平顺对车体振动的影响，选取典型路基沉降区段连续4次动态检测数据进行时频特征分析，结合建立的车辆-有砟轨道空间耦合动力学仿真模型，研究路基沉降区段轨道不平顺和车体振动加速度之间的映射关系，获得了路基沉降不平顺波长和状态演变对车辆动力响应的影响规律。研究结果表明：降雨导致的路基沉降对高低不平顺和车体垂向加速度的影响显著，对轨向不平顺和车体横向加速度的影响较小；路基沉降区段的高低不平顺与车体垂向加速度幅值变化趋势和振动频率基本相同，4270 m波长高低不平顺的幅值增加是造成车体垂向振动加剧的主要原因；依据仿真结果，路基沉降引起的高低不平顺幅值急剧增加会造成行车过程中局部轮轨垂向力显著减小，导致轮重减载率显著增加；对于速度等级250 km/h的线路，建议雨后重点盯控路基沉降点长波高低不平顺的变化，针对车体垂向振动加速度不良区段的养护维修作业，应着重调整4270 m波长高低不平顺幅值，以保障车辆安全稳定运营。关键词：高速铁路；轨道不平顺；车体振动；车辆-轨道耦合；动力响应中图分类号：U213.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7029（2023）04-1139-10Study on the influence of subgrade settlement on car body vibration of high-speed railwayGAO Ya1,YOU Mingxi1,YANG Fei1,ZHI Yang2,ZHANG Yao1,ZHAO Wenbo1,LI Weilin1(1.Infrastructure Inspection Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;2.Departmemt of Track,Communication&Signaling and Power Supply,China State Railway Group Co.,Ltd.,Beijing 100844,China)Abstract:A high-speed railway with a short operation time is affected by continuous rainfall,resulting in the rapid development of subgrade settlement,which leads to the deformation of track structure in some sections,and then the amplitude of track irregularity has increased significantly.Meanwhile,the vehicle body vibration has intensified,which has an impact on the safety and stability of vehicle operation.In order to study the influence of subgrade settlement irregularity on vehicle body vibration,the time-frequency characteristics were analyzed on 收稿日期：2022-04-29基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目(P2021G053)；铁科院集团公司科研开发计划项目(2021YJ022)通信作者：高雅(1994)，女，北京人，助理研究员，博士，从事轨道管理研究；E-mail：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220862铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月four consecutive measured data of typical subgrade settlement sections.Combined with vehicle-ballasted track coupled dynamic model,the mapping relationship between track irregularity and vehicle acceleration in subgrade settlement section was studied,and the influence of subgrade settlement irregularity wavelength and state evolution on vehicle dynamic response was obtained.The results show that:The subgrade settlement caused by rainfall has a significant impact on the vertical irregularity and the vertical car body acceleration,but has little impact on the lateral irregularity and the lateral car body acceleration;The amplitude variation trend and vibration frequency of car body vertical acceleration are the same as that of the vertical irregularity of the subgrade settlement section.The increase of the amplitude of the vertical irregularity with a wavelength of 4270 m is the main reason for the intensification of the car body vertical vibration;According to the simulation results,the sharp increase of vertical irregularity amplitude caused by subgrade settlement will significantly reduce the local wheel-rail vertical force and increase the wheel load reduction rate;For the line with the design speed of 250 km/h,it is suggested to focus on controlling the variation of long wave vertical irregularities after rain.For the maintenance of the section with poor vertical acceleration of car body,the vertical irregularity amplitude of 4270 m wavelength should be adjusted to ensure the safe and stable operation of vehicles.Key words:high-speed railway;track irregularity;car body vibration;vehicle-track coupled;dynamic response 轨道平顺状态与车辆的动态响应密切相关，高轮轨力和车辆加速度会影响车辆运行的平稳性和安全性1，加速轨道部件损坏，随着列车运行速度的提高，对轨道平顺状态提出了更高的要求24。近期开通时长1 a以内的高速铁路有砟轨道区段受路基沉降和降雨的影响，轨道不平顺在相邻2次检测之间产生了较大幅度变化，但未达到大值偏差标准，而车体加速度出现了大值偏差的情况。大值偏差指的是检测的不平顺或车体加速度幅值超过相应速度等级局部峰值动态运营管理值的级和级管理标准。因此，有必要研究轨道不平顺的关键特征及其对车辆动力学的影响。对此，大量学者开展了研究。KARIS等5基于检测数据，通过建立单自由度模型对轨道不平顺和车辆响应之间的相关性进行了研究。HAIGERMOSER等6研究了不同车辆和运行条件下轨道不平顺对车辆动力响应的影响。XIN等7研究了轨道长波不平顺对高速列车运行平稳性和安全性的影响。杨吉忠等8建立了考虑车体柔性的车轨耦合模型，研究了400 km/h高速铁路轨道不平顺的敏感波长。刘潇潇等9基于轨道高低不平顺谱特征分析，通过动力学仿真和数值模拟的方法研究了轨道周期性不平顺幅值对车辆动力响应的影响。李忠继等10计算了车辆系统的振动频率和敏感波长，研究了轨道不平顺波长和幅值对轮轨力和车体加速度的影响。徐金辉等11研究了轨道高低不平顺和车辆-轨道垂向耦合系统之间的振动传递特性，进一步分析了轨道不平顺的敏感波长和分布特征。李国龙等12根据轮重减载率和车体垂向加速度研究了高速铁路轨道不平顺的敏感波长，并对不同速度等级下高速铁路连续多波高低不平顺的容许偏差管理值提出了建议。综上可知，现有研究大多是根据车辆动力响应分析轨道不平顺的波长和幅值影响1316。但我国高速铁路线路众多，同一线路上运行条件和运营环境也存在不同，由于线路建设期施工条件不良和天气异常等原因，个别线路出现路基沉降，轨道不平顺出现明显变化，车体振动偏差值较大。目前，针对车体加速度出现大值偏差区段的轨道不平顺状态演变和特征分析研究较少。本文根据多处路基沉降大值偏差区段的检测数据，对车体振动加速度和轨道不平顺的时频特征进行分析，进一步建立车辆-有砟轨道空间耦合模型，将实测轨道不平顺作为激扰输入，系统研究轨道不平顺波长以及其状态演变对车辆动力学性能的影响规律，进而为高速铁路大值偏差区段线路的养护维修管理提供参考。1140第 4 期高雅，等：高速铁路路基沉降对车体振动影响研究1 路基沉降区段检测数据特征分析近期某高速铁路有砟轨道直线区段车体振动加速度出现多处大值偏差，现场初步调查发现，路基坡面出现局部脱空。该线路运行CRH380A型动车组，线路速度等级 250 km/h，实际运行速度240 km/h。选取4处车体振动加速度出现大值偏差的路基沉降区段作为典型区段进行研究，通过对典型路基沉降区段的检测数据进行分析，探究大值偏差的产生原因，其中4处典型路基沉降区段分别采用工况1，工况2，工况3和工况4表示。图1给出了4种工况连续4次检测的左右股轨向不平顺和高低不平顺测试结果。4种工况左右股的轨向和高低不平顺差异均较小，连续4次检测的轨向不平顺变化较小，高低不平顺在第4次检测时幅值显著增加，幅值最大值分别为 12.97，8.1，9.68 和10.72 mm，幅值增加的影响范围为100 m。图2给出了4种工况连续4次检测的车体横向和垂向加速度测试结果。4种工况下的车体横向加速度变化较小，