城市軌道交通軌面短波不平順測試分析

韋紅亮，練松良，劉 揚

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，上海201010）

近年來，城市軌道交通誘發(fā)的振動噪聲問題越來越明顯，其根源之一在于軌面短波不平順。國內(nèi)外研究[1]表明，軌面短波不平順雖幅值不大（通常小于2 mm），但會使輪軌之間產(chǎn)生劇烈沖擊，引起巨大的輪軌沖擊力，進一步增大振動和噪聲，導(dǎo)致扣件松動，危害行車安全等。目前，國內(nèi)外學者主要從理論分析和試驗測試角度對軌面短波不平順和軌道交通振動噪聲之間的關(guān)系展開研究，Thompson[2-5]、Berggren Eric[6]、Gullers[7]和 Remington[8]、Wei[9]等通過采用建立理論模型，分析了軌面不平順對軌道結(jié)構(gòu)振動及噪聲、輪軌相互作用及車輛動力特性等方面的影響；Hardy[10]、Cordier[11]、劉秀波[12]、Verheijen[13]、Thompson[14]及 Dings等[15]采用現(xiàn)場實測的方法對鐵路干線輪軌短波不平順特性及其對輪軌系統(tǒng)動力學等問題進行了研究。由于各地車輛軌道類型、運營和養(yǎng)護方式等因素的差異，相應(yīng)的軌面短波不平順分布狀況與特性也不同，在開展城市軌道交通減振降噪研究時，對城市軌道交通軌面短波不平順的分布規(guī)律和平順度進行調(diào)查分析是十分必要的。

本文通過對上海城市軌道交通和部分提速線路的軌面短波不平順進行了現(xiàn)場實測，在對測試數(shù)據(jù)進行平穩(wěn)性檢驗的基礎(chǔ)上，進一步分析了軌面短波不平順的幅值分布特性，并進行了平順度評價，為城市軌道交通的減振降噪提供數(shù)據(jù)支持和參考。

1 測試概況

為對城市軌道交通軌面平順度進行評價，本文采用SEC-RC鋼軌電子平直儀對上海城市軌道交通部分線路及我國部分提速線路的軌面短波不平順進行了實測分析，該儀器為德國施密特鋼軌技術(shù)有限公司所生產(chǎn)，采樣間隔為每米200個測量點，數(shù)據(jù)來源及樣本數(shù)如表1所示，現(xiàn)場測試及軌面短波不平順數(shù)據(jù)樣本如圖1和圖2所示，測試區(qū)段線路狀況見表2。

圖1 軌面平順度測試圖Fig.1 Test of rail surface irregularity

表1 軌面不平順樣本分布及數(shù)量Tab.1 Number and distribution of rail surface irregularity

圖2 軌面短波不平順數(shù)據(jù)樣本Fig.2 Data sample of rail surface short-wave irregularity

表2 測試區(qū)段線路狀況Tab.2 Line condition of test line sections

2 平穩(wěn)性檢驗

隨機信號的平穩(wěn)性檢驗是信號檢驗中最重要的一種。目的是檢查被測隨機信號是否屬于平穩(wěn)隨機過程，因為測試數(shù)據(jù)滿足平穩(wěn)性與否直接影響到相應(yīng)的分析方法。檢驗方法是通過檢驗信號的基本物理因素是否隨時間變化，若不變，則滿足平穩(wěn)性假設(shè)，最常用的平穩(wěn)性檢驗方法[16]有輪次檢驗和逆序檢驗。

在軌面短波不平順測量的過程當中，由于鋼軌頂面并非絕對水平，且測量儀器選擇的基準線在測區(qū)軌面不平順最大值處，所以測量的結(jié)果包含鋼軌本身和測量基線所引起的線性趨勢項，因此在數(shù)據(jù)分析和平穩(wěn)性檢驗時，應(yīng)首先消除測量數(shù)據(jù)中的線性趨勢項。文中利用最小二乘法[17]消除測量數(shù)據(jù)中的線性趨勢項，然后分別采用輪次檢驗法和逆序檢驗法對測量結(jié)果做平穩(wěn)性檢驗，平穩(wěn)性檢驗的顯著性水平設(shè)定0.05，分析結(jié)果如表3所示。

表3表明，采用輪次檢驗法對軌面短波不平順樣本進行檢驗的通過率小于逆序檢驗法，軌道交通1號線、2號線、3號線、滬昆線和滬寧線的平穩(wěn)性檢驗通過率最低分別為94.3%，96.4%，86.0%，72.7%和78.6%，說明將樣本中的趨勢項消除后，軌面短波不平順總體上滿足顯著性水平為0.05的平穩(wěn)性檢驗要求，即軌面不平順總體上為平穩(wěn)信號。

3 軌面平順度評價

3.1 幅值統(tǒng)計

對各線路焊接接頭區(qū)和非接頭區(qū)的軌面短波不平順最大幅值采用概率統(tǒng)計方法作頻率統(tǒng)計分析，結(jié)果如表4所示。對于焊接接頭區(qū)軌面短波不平順幅值而言，軌道交通1號線的最大幅值在0.3～2.0 mm范圍內(nèi)分布比較均勻，軌道交通2號線最大幅值主要分布在0.3～0.6 mm范圍內(nèi)，軌道交通3號線、滬昆線和滬寧線最大幅值主要分布在0.6～1.0 mm、1.0～1.5 mm和0.3～0.6 mm范圍內(nèi)；對于非接頭區(qū)軌面短波不平順幅值而言，軌道交通3號線、滬昆線和滬寧線最大幅值主要分布在0.1～0.3 mm、0.1～0.3 mm和0～0.1 mm的范圍內(nèi)，說明城市軌道交通軌面短波不平順在幅值上總體大于提速線路，焊接接頭區(qū)的軌面短波不平順幅值大于非接頭區(qū)，100 m焊接長鋼軌軌面不平順的最大順幅值無論在焊接接頭區(qū)還是在非接頭區(qū)均小于25 m標準焊接鋼軌。

表4 軌面不平順幅值頻率統(tǒng)計表Tab.4 Frequency statistics of amplitude of rail irregularity

3.2 軌面平順度評價分析

目前我國尚未出現(xiàn)針對城市軌道交通車輪踏面和軌面平順度的評價標準，國際上也主采用BS EN ISO3095標準[18]對輪軌短波平順度進行評價，本文采用該標準對軌道交通軌面平順度進行評價，其計算式為Lr=20log(r/r0)。式中：Lr為軌面平順度，dB；r為軌面短波不平順的均方根值（RMS），μm；r0為參考不平順幅值，r0=1 μm 。

對焊接接頭區(qū)和非接頭區(qū)的軌面短波不平順分別進行軌面平順度評價，然后求取其平均值并與ISO3095限值進行對比，結(jié)果如圖3～4所示，圖中橫坐標為對數(shù)坐標。

圖3表明，不論是城市軌道交通還是提速線路，焊接接頭區(qū)的軌面平順度在整個分析波長范圍內(nèi)均不同程度大于ISO3095所規(guī)定的限值，在對輪軌力產(chǎn)生較大影響的波長范圍內(nèi)（0.1～1.0 m），軌道交通1號線、2號線和3號線及滬寧線和滬昆線分別較ISO3095限值高出25.3，21.7，22.2，17.8，10.2 dB，說明城市軌道交通焊接接頭區(qū)的軌面不平狀態(tài)要差于提速線路。

圖3 焊接接頭區(qū)軌面平順度對比圖Fig.3 Contrast of rail regularity in joint area

圖4 非接頭區(qū)軌面平順度對比圖Fig.4 Contrast of rail regularity in non-joint area

圖4表明，在0.04～1 m的波長范圍內(nèi)，城市軌道交通3號線接頭區(qū)的軌面平順度大于ISO3095所規(guī)定的限值，在0.16 m的波長上兩者差值為10.8 dB，而提速線路非接頭區(qū)的軌面平順度總體上優(yōu)于ISO所規(guī)定的限值，滬寧線和滬昆線分別在0.2，0.32 m波長上與ISO限值的差值達到最大，分別為-4.2和-8.3 dB，也說明城市軌道交通非接頭區(qū)的軌面不平狀態(tài)也差于提速線路，提速線路非接頭區(qū)的軌面平順度在5～100 cm波長范圍內(nèi)滿足ISO3095的要求。城市軌道交通非接頭區(qū)軌面平順度狀態(tài)劣于提速線路，除了養(yǎng)護維修方式有關(guān)外，可能還受到因車輛頻繁加減速而導(dǎo)致更為嚴重輪軌相互作用的影響。

為分析同一線路上軌面不平順的分布狀況，將軌道交通3號線、滬寧線和滬昆線的焊接接頭區(qū)與非接頭的軌面平順度分別進行對比分析，結(jié)果如圖5～7所示。圖5～7表明（橫坐標為對數(shù)坐標），在0.04～1 m的波長范圍內(nèi)，不論是城市軌道交通3號線，還是提速線路滬寧線和滬昆線，接頭區(qū)軌面平順度均大于非接頭區(qū)，兩者差值范圍分別為3.1～16.6 dB、13.6～19.7 dB和8.2～16.4 dB，說明相同線路條件下，接頭區(qū)的軌面狀態(tài)要差于非接頭區(qū)，主要原因是由于接頭區(qū)鋼軌在材質(zhì)性能等方面存在著較大的差異，在反復(fù)輪軌作用力下，常常在焊接接頭處及其附近軌頂面出現(xiàn)不均勻的磨耗，而非接頭區(qū)軌面不平順的產(chǎn)生主要是由于軌面被機車車輛的車輪擦傷、滑行、及不圓順車輪的沖擊引起。

對于軌面平順度大于ISO3095限值的線路區(qū)段，建議管理部門對其進行振動與噪聲評估，以確定是否需要采取養(yǎng)護措施。目前，針對城市軌道交通軌面短波不平順控制方面我國尚無相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，針對城市軌道短波不平順與輪軌振動噪聲的之間的關(guān)系開展定量研究十分必要，以為工程處理提供依據(jù)。

圖5 軌道交通3號線軌面平順度對比圖Fig.5 Contrast of rail regularity of Metro Line 3

圖6 滬寧線軌面平順度對比圖Fig.6 Contrast of rail regularity in Huning Line

圖7 滬昆線軌面平順度對比圖Fig.7 Contrast of rail regularity in Hukun Line

4 結(jié)論與建議

通過對城市軌道交通軌面短波不平順進行測試分析，可以得出以下結(jié)論：

1）將樣本中的趨勢項消除后，軌面短波不平順總體上滿足顯著性水平為0.05的平穩(wěn)性檢驗要求；

2）城市軌道交通軌面短波不平順在幅值上總體大于提速線路，焊接接頭區(qū)的軌面短波不平順幅值大于非接頭區(qū)；

3）軌道交通1號線、2號線和3號線及滬寧線和滬昆線焊接接頭區(qū)的軌面平順度分別較ISO3095限值高出25.3，21.7，22.2，17.8，10.2 dB，軌道交通3號線、滬寧線及滬昆線非接頭區(qū)的軌面平順度與ISO限值的差值分別為10.8，-4.2，-8.3 dB，城市軌道交通的軌面不平狀態(tài)總體上要劣于提速線路；

4）相同線路條件下，焊接接頭區(qū)的軌面平順狀態(tài)要差于非接頭區(qū)。

建議進一步對城市軌道交通、提速線路與客運專線的軌面短波不平順進行試驗調(diào)查，尤其是開展針對城市軌道軌面不平順與輪軌動力響應(yīng)之間影響關(guān)系的定量研究，以為后續(xù)的減振降噪研究提供必要的數(shù)據(jù)支持。

[1]上海鐵路局，同濟大學.提速線路鋼軌短波不平順軌道動力學分析及打磨技術(shù)研究[R].上海：同濟大學，2009.

[2]THOMPSON D J.Train noise and vibration（Mechanisms，Modelling and Means of Control）[M].Oxford：Elsevier Science Publisher，2009：127-174.

[3]THOMPSON D J.The influence of the contact zone on the excitation of wheel/rail noise[J].Journal of Sound and Vibration，2003，267：523-535.

[4]THOMPSON D J AND REMINGTON P J.The effects of transverse profile on the excitation of wheel/rail noise[J].Journal of Sound and Vibration，2000，231：537-548.

[5]WU T X，THOMPSON D J.Theoretical investigation of wheel/rail non-linear interaction due to roughness excitation[J].Vehicle System Dynamics 2000，34（4）：261-282.

[6]BERGGREN ERIC G，MARTIN X D，SPANNAR LI JAN.A new approach to the analysis and presentation of vertical track geometry quality and rail roughness[J].Wear，2008，265：1488-1496.

[7]GULLERS P，ANDERSSON L，LUNDéN R.High-frequency vertical wheel-rail contact forces-field measurements and influence of track irregularities[J].Wear，2008，265：1472-1478.

[8] Remington P J，Webb J.Estimation of wheel/rail interaction forces in the contact area due to roughness[J].Journal of Sound and Vibration，1996，193（1）：83-102.

[9]WEI H L，LIAN S L.Analysis of Dynamic Characteristic of Train caused by Rail Head Roughness in Speed-Increase Line[C]//.International Conference on Railway Engineering，Beijing，Science Press，2010：185-189.

[10] HARDY A E J，JONES R R K.The influence of real-world rail head roughness on railway noise prediction[J].Journal of Sound and Vibration，2006 ，293：965-974.

[11]CORDIER J F，F(xiàn)ODIMAN P.Experimental characterization of wheel and rail surface roughness[J].Journal of Sound and Vibration 2000，231（3）：667-672.

[12]劉秀波，吳衛(wèi)新.鋼軌焊接接頭短波不平順功率譜分析[J].中國鐵道科學，2000，21（2）：26-34.

[13]VERHEIJEN E.Asurvey on roughness measurements[J].Journal of Sound and Vibration，2006，293：784-794.

[14]THOMPSON D J.On the relationship between wheel and rail surface roughness and rolling noise[J].Journal of Sound and Vibration，1996，193（1）：149-160.

[15]DINGS P C，DITTRICH M G.Roughness on dutch railway wheels and rails[J].Journal of Sound and Vibration 1996，193（1）：103-112.

[16]張樹京，齊立心.時間序列分析簡明教程[M].北京：清華大學出版社，2003：1-5.

[17]王廣斌，劉義倫，金曉宏，等.基于最小二乘原理的趨勢項處理及其MATLAB的實現(xiàn)[J].分析研究，2005（5）：4-8.

[18]European Committee for Standardization.BS EN ISO3095：2005.Railway applications-acoustics-measurement of noise emitted by rail bound vehicles[S].London：Standards Policy and Strategy Committee，2005.