城市轨道交通轨道服役性能劣化机理分析及病害智能检测研究.pdf
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1、交通世界TRANSPOWORLD0 引言在城市轨道交通大量兴建的背景下,越来越多的地铁线路进入运营阶段1。与运营规模同步发展的,地铁客流量也持续攀升,运行密度较大,对地铁轨道基础设施的维护提供了更为严格的要求。在长期的运营中,由于列车运行速度与曲线超高不匹配、列车超负荷运行、轨道基础松动等原因,不可避免地会引发一些病害,如曲线轨道的磨耗、钢轨波磨耗和扣件损伤等2。这些病害如果没有得到及时的识别和修整,会直接影响轨道的服役性能,因此,病害成因检测是轨道运营维护工作的重要内容,是保障列车安全运营和乘客安全的重要前提。研究城市轨道交通轨道病害产生机制以及建立智能化检测方案,对于维持地铁的长期稳定运行
2、具有十分重要的意义3。1 轨道交通服役期间钢轨侧面磨耗产生机理及磨耗仿真分析城市轨道交通在运行过程中,轮轨之间的相互冲击、摩擦等会引发钢轨材料一系列的病害,磨耗问题是最为常见的病害之一,其损耗形式分为两种,分别为轨顶侧面磨耗和轨头侧面磨耗。磨耗问题严重破坏了轨道的几何轮廓,在长期的、周期性的列车冲击下不断向轨下发展,加快了轮轨接触关系的劣化,降低了轨道的服役性能和服役寿命,加快了轨道失效下线的进程。在城市高密度区间列车运行、列车速度和列车轴重上升的情况下,钢轨侧面磨耗问题成为轨道交通运营维护必然需要解决的问题。如图1所示,钢轨侧向磨耗产生的机理可以通过建立数学物理模型进行解释。当轨道列车经过弯
3、曲段落时,在受到离心力作用下,外侧钢轨提供给钢轮的反力为Fwf,如式(1)式(3)所示4。Fwf=Fcf-Fcy(1)Fcf=mwggt()khv2R-h()1+s2L12()1+s212-v2R(2)Fcy=1Gzwcos()R+w32+()14mc+12mb+mwghcgt()2ghgt-v2R(3)式(1)式(3)中:Fcf为离心力剩余力;Fcy为钢轨对钢轮的蠕滑力;mw为列车总质量;g为重力加速度;gt为离心加速度;h为外轨不平衡超高;h为外轨超高;v为列车速度;R为轨道曲线半径;kh为与加速度和标准轨距有关的系数;s为轨道坡度;G为轮轨接触常数;mc为车体质量;zw为钢对产生的垂直振
4、动位移;mc为转向架质量;mw为轮对的质量;w为轮对摇收稿日期:2022-12-19作者简介:张驰(1987),男,北京人,硕士,从事城市轨道交通运营工作。城市轨道交通轨道服役性能劣化机理分析及病害智能检测研究张驰(北京市地铁运营有限公司运营一分公司,北京 102206)摘要:以北京市轨道交通某隧道区间钢轨病害检测为研究对象,采用数值仿真分析、机器学习的方法,对轨道交通服役期间钢轨侧面磨耗病害、表面波磨病害产生机理、磨损过程进行了研究,并建立了智能化的检测分析方法。研究表明,磨耗过程可以明显地划分为阶段、阶段和阶段,最终的磨耗由3个阶段的磨耗量叠加而成;随着钢轨曲线半径的增加,其波磨等级增长速
5、率逐步减小,表明增大轨道的曲线半径可以有效改善波磨的发展,同时不管是何种曲线半径,列车累计的通行数量均对波磨的发展起到决定性作用,并呈现近线性发展的趋势;基于相对向量机法RVM的智能化检测方法,识别钢轨局部塌陷病害BH01的准确率为79.40%、识别钢轨接头塌陷叠加扣件劣化病害BH02的准确率为81.67%、识别钢轨焊接不平顺病害BH03的准确率为94.01%、识别钢轨表面波磨病害BH04的准确率为96.42%、识别钢轨侧向磨耗病害BH05的准确率为95.31%。关键词:城市轨道交通;轨头侧面磨耗;表面波磨;扣件疲劳;性能劣化;智能检测中图分类号:U216.9;U29-39文献标识码:A3总6
6、52期2023年第22期(8月 上)头角;R为轮轨接触角;hc为车辆重心到轨顶面的垂直距离。图1 轨道弯曲超高段轮轨受力平衡分析示意图由此可以计算得到平均的侧向磨耗深度 d 如公式(4)所示5。d=kfkmFwfDHAc=kfkmDHAcmwg 1gv2R+1gt()khv2R-h()1+s2L12()1+s212-1Gzwcos()R+w32+()14mc+12mb+mwghcgt()2ghgt-v2R(4)式(4)中:kf为磨损系数;km为跳跃系数;H为轮轨的硬度指数;Ac为轮轨接触斑面积。假设轨道半径为500 m,长度为186.16 m,圆曲线长度为66.16 m,超高为120 mm,累
7、计通车1 116.96万轴;最大磨损13.1 mm,建立数值分析模型研究钢轨的轮廓磨耗演变过程,结果如图 2所示。从图中可以看出,轨道交通钢轨的磨耗过程可以明显地划分为阶段、阶段和阶段,最终的磨耗由3个阶段的磨耗量叠加而成。在阶段,新铺设的钢轨在轮轨作用下出现磨耗,磨耗的起始点主要位于钢轨轨距角处,并随着列车通行对数的不断增加,磨损加剧并逐步向下发展,直至轨道顶面以下约16 mm处;在阶段,随着列车通信对数的持续增加,钢轨侧向磨耗逐步沿着钢轨横截面向下、向内发展,横向磨耗深度表现为线形增长的趋势,且增长速率远大于阶段,在该阶段结束时,向下磨损深度达到了26 mm,横向磨损深度达到了7 mm;在
8、阶段,外轨侧向磨耗随着累计列车通行数量的增加而加剧,这一阶段磨损增长速率比阶段大,也表现为线形增加的趋势,是侧向磨耗急剧恶化的阶段,在该阶段结束时,向下磨损深度达到了27 mm,横向磨损深度达到了9 mm。图2 钢轨轮廓磨耗过程仿真分析结果2 轨道交通服役期间钢轨表面波磨产生机理及波磨仿真分析轨道交通钢轨表面波磨的产生与轨道系统的共振密切相关,特别是在小曲线内轨上的波磨病害特征尤为明显。波磨的产生不仅会导致列车噪声,而且引发列车与轨道的激烈共振,使得两者的构件部件松动和损坏。对于钢轨表面波磨的计算,由文献5的推导可以得到如公式(5):Gc=kf4bd()3NTyN+cTycTy,0TyC()U
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