減振軌道結構鋼軌波磨特征現場調查與分析

李 霞，張雪珊，張 劍，王衡禹，溫澤峰，金學松

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧大連 116028;3.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031)*

0 引言

我國某地鐵線路開通后不久，其科隆蛋減振軌道直線和曲線區段均出現了嚴重的短波長波磨，如圖1所示，其主波長為40～50 mm.這種短波長波磨的出現加劇車輛軌道結構的振動，加速車輛軌道結構部件的老化，縮短其使用壽命，對車輛軌道系統的服役性能有很大影響.為此，國內外學者進行了大量研究，Grassie［1-2］、Sato［3］和Nilsen［4］等人對近幾十年鋼軌波磨的研究進展和相應的減磨措施做了詳細地綜述.Ahlbeck和Daniels［5］對由多種軌道形式構成Baltimore城市地鐵的波磨情況展開了比較全面的研究，通過跟蹤試驗和數值建模分析了該地鐵波磨的可能成因.Diana等人［6］結合現場調查和理論模型對米蘭地鐵短波波磨的產生機理展開了研究.王小文等人［7］根據現場調查和試驗測試介紹了廣深準高速鐵路鋼軌波狀磨耗的特點.譚立成等人［8］提出輪對摩擦自激振動是鋼軌波磨形成的基本機理.Jin等人［9］通過滾動臺試驗再現了鋼軌短波波磨現象，研究結果表明波磨形成與軌道結構特性相關.李霞等人［10-11］分析了普通短軌枕軌道和套靴軌枕軌道鋼軌波磨形成的初步原因.本文結合該地鐵線路實際情況，對科隆蛋減振軌道鋼軌波磨情況展開調查，并借助于理論知識對其展開分析.

圖1 鋼軌波磨

1 鋼軌波磨現場測量

大量的現場(所有直線段和曲線段)調查和測試結果顯示，相近速度下，科隆蛋減振軌道結構上所形成的波磨特征基本一致.

為了便于掌握現場鋼軌波磨特征的詳細情況，在該地鐵線路A站和B站之間的科隆蛋減振軌道上選取了一段作為調查對象，曲線參數為2000m(半徑)，近似于直線，故后面分析用左右軌分別標注兩股鋼軌.利用ODS鋼軌不平順測量系統對該調查區段鋼軌波磨進行了測量.該系統現場安裝及測量情況如圖2所示，將該裝置安裝在鋼軌上可以同時測量距鋼軌內側20、30和40 mm三個位置處的縱向不平順.

圖2 ODS鋼軌不平順系統現場測試示意圖

該調查區段的測試結果如圖3所示，給出了距鋼軌內側30 mm位置處的波磨情況.從圖3可知，該區段左軌波磨最大波深(峰到谷)大約0.123mm，見圖3(a)，右軌波磨最大深度大約0.075 mm，見圖3(b).左軌的波磨深度大于右軌的深度，這可能是由于軌道結構設置不對稱造成的.

圖3 科隆蛋減振軌道鋼軌波磨

圖4給出了圖3中左右軌鋼軌波磨對應的1/3倍頻程結果.從圖中不難發現，該區段科隆蛋減振軌道內外軌波磨主波長為40～50 mm，次波長約為20和200 mm.

列車通過該波磨區段的速度約為50 km/h，則對應三個波長的波磨通過頻率大約為

圖4 鋼軌波磨不平順等級

2 鋼軌硬度測試

為了解波磨鋼軌的硬度情況，采用了硬度測量儀對多處波磨軌的狀態進行了測量.硬度測量選取了未被車輪碾壓的鋼軌、明顯發生波磨的直線段鋼軌和曲線段鋼軌.首先對鋼軌基體硬度進行了測量，然后分別對直線左右軌和曲線內外軌進行測量.所有測量結果均采用布氏(HB)硬度衡量.

2.1 鋼軌基體硬度

鋼軌基體硬度測量共分兩組進行:第一組在曲線段鋼軌進行了15次測量;第二組在直線段鋼軌進行了10次測量.測量在鋼軌軌頭外側未經車輪碾壓部分進行.測量時用清潔劑和砂紙將鐵銹去除，測量點隨機選取.硬度測量結果如圖5所示.

圖5 鋼軌基體硬度

從圖5可知，大部分測量結果集中在250 HB左右，但有少量測量結果偏小.這部分異常數據的平均值為189 HB(圖中虛線所示)，這些異常數據可能是軌頭表面未除盡的鐵銹所造成的.去除異常數據后，鋼軌基體硬度測量結果的平均值為251 HB(圖中實線所示).從圖中還可以看到曲線段鋼軌與直線段鋼軌的基體硬度是一致的.測量結果顯示，曲線段鋼軌的基體硬度為251 HB;而直線段鋼軌的基體硬度為252 HB.二者幾乎完全相同.

2.2 直線波磨軌硬度

直線段波磨軌的測量選取在同一位置的左右兩側鋼軌上，每一組測量從某個軌枕的大致位置開始，在沿著鋼軌方向的一條直線上進行，長度跨越5個波長.在一個波長內(以每個“峰-谷-峰”為一個單位)，盡量均勻地布置5個測量點.圖6以直線段左側軌為例，顯示了測量點的分布.

圖6 直線段鋼軌硬度測量點分布

測量結果如圖7.圖中結果顯示，直線段上發生波磨的鋼軌表面的硬度大約分布在310～350 HB之間，遠高于鋼軌基體硬度251 HB.說明經過車輪碾壓，鋼軌表面發生了明顯的加工硬化.測量結果同時也顯示了在直線段左右兩側鋼軌的硬化程度大致是相當.同時，圖7所示結果還清楚地顯示了波谷處的硬度大于波峰處的硬度.在圖中所示的數據中，僅右側軌第一個波谷處測得的硬度略小.而考慮到該波谷兩側的硬度值都比較高，該處硬度值下降可能是由于測量不準確造成的.波谷處較高的硬化現象反映了波谷處承受了較高的壓力，導致了此處較大的磨損和塑性變形，促使了波谷的進一步加深，波磨進一步惡化.

圖7 直線段鋼軌硬度測試結果

2.3 曲線波磨軌硬度

現場調查發現曲線外軌上，肉眼可見鋼軌沿滾動方向呈帶狀的不同顏色的區域.因此，測量分別在如圖8所示的三條沿滾動方向的直線上進行.每一組測量的長度跨越2個波長，在一個波長內布置了5個測量點.硬度測量結果如圖9所示.圖9中測量線1～3分別與圖8中的測量線1～3對應.

圖8 曲線段外軌硬度測量點分布

從圖9中可知，測量線2上所測得的硬度要明顯高于測量線1和3，而測量線1和3上所測得的硬度與在直線段鋼軌上所測得的硬度在同一個水平上.考慮到曲線段外軌的受力更大，它自然也受到了比直線鋼軌更強烈的硬化作用.測量線2上的波谷處硬度略大于波峰處硬度，而在測量線1和3上并沒有發現這一規律.

圖9 曲線外軌硬度測試結果

對曲線內軌，沿滾動方向并無如外軌上不同顏色的帶狀區域，所以這里采用了類似直線段的測點布置(如圖6)，即沿著滾動方向進行測量，測量結果顯示波谷處硬度略大于波峰，硬度值在300～360 HB直接波動.同時，對內軌沿橫向也進行測量，測量共兩組，每組5個測量點自內而外覆蓋了整個接觸區域.測量結果如圖10所示.由圖中結果可知，與曲線段外軌硬度中間高兩邊低的硬度分布不同的是，內軌大部分區域硬度都在310～330 HB之間.而貼近鋼軌內側部位的硬度約為350～370 HB.該處硬度上升可能是由于輪緣貼靠鋼軌內側產生的硬化.

圖10 曲線內軌硬度測試結果

3 結論

本文通過現場調查和試驗測試對某地鐵科隆蛋減震軌道鋼軌波磨特征做了較為全面的分析.首先，利用ODS鋼軌不平順測量系統對調查區段鋼軌波磨進行了測量.然后利用硬度儀對鋼軌基體硬度、直線段波磨軌硬度和曲線段波磨軌硬度做了大量的測試.結合波磨相關理論知識，對測試結果進行了分析，研究表明:

(1)科隆蛋減震軌道結構直線段和曲線段大范圍出現鋼軌波磨.大量的現場(所有直線段和曲線段)調查和測試結果顯示，相近速度下，該軌道形式上所形成的波磨特征基本一致;

(2)波磨主波長為40～50 mm，次波長約為20和200 mm.此段行車速度大約為50 km/h，三個波長的波磨通過頻率分別為278～3478、694和70 Hz;

(3)硬度測量選取了明顯發生波磨的直線段和曲線段鋼軌.測量結果顯示鋼軌基體硬度約為251 HB.經車輪碾壓，鋼軌表面發生硬化后，直線段左右兩股鋼軌的硬化程度大致是相當;曲線段外軌(410～430 HB)硬度遠大于直線段鋼軌(310～350 HB)和曲線段內軌(310～330 HB).直線段和曲線段上，波谷處硬度大于波峰處硬度.

［1］GRASSIE S L，KALOUSEK J.Rail Corrugation:Characteristics，Causes and Treatments［J］.IMechE，1993，207(F):57-68.

［2］GRASSIE S L.Rail corrugation:characteristics，causes，and treatments［J］.Part F:J.Rail and Rapid Transit.2009，223:581-596.

［3］SATO Y，MATSUMOTO A，KNOTHE K.Review on rail corrugation studies［J］.Wear，2002，253:130-139.

［4］NIELSEN J，LUNDEN R，JOHANSSON A，et al.Traintrack interaction and mechanisms of irregular wear on wheel and rail surfaces［J］.Vehicle System Dynamics，2003，40(3):53-54.

［5］AHLBECK D，DANIELS L.Investigation of rail corrugations on the Baltimore Metro［J］.Wear，1991，144:197-210.

［6］Diana G，Cheli F，Bruni S，et al.Experimental and numerical investigation on subway short pitch corrugation［J］.Vehicle System Dynamics，1998，29(Sl):234-245.

［7］王小文，章欣，馮文相.廣深準高速鐵路鋼軌波狀磨耗特點和發展規律［J］.中國鐵道科學，1998，19(2):28-34.

［8］譚立成，俞鐵峰.鋼軌波狀磨損形成機理的初步試驗和理論研究［J］.中國鐵道科學，1985，6(1):28-52.

［9］JIN XUESONG，WEN ZEFENG.Rail corrugation formation studied with a full-scale test facility and numerical analysis［J］.Proc.IMechE Part J:J.Engineering Tribology，2007，221(J):675-698.

［10］李霞，李偉，溫澤峰，金學松，王衡禹，吳磊.普通短軌枕軌道結構鋼軌波磨初步研究［J］.機械工程學報，2013，49(2):109-115.

［11］李霞，李偉，吳磊，王衡禹，溫澤峰，金學松.套靴軌枕軌道鋼軌波磨初步研究［J］.鐵道學報，2014，36(11):80-85.