城市軌道交通軌面不平順對軌道結構動力響應影響的試驗分析*

夏旭峰

(上海地鐵維護保障有限公司,200233,上海∥工程師)

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城市軌道交通軌面不平順對軌道結構動力響應影響的試驗分析*

夏旭峰

(上海地鐵維護保障有限公司,200233,上海∥工程師)

在某城市軌道交通線路上對鋼軌打磨前后軌面不平順、輪軌力及軌道結構振動進行測試，根據測試數據分析軌面不平順對輪軌力和鋼軌振動加速度的影響。結果表明,鋼軌打磨后，軌面不平順幅值從打磨前的0.966 mm降低為0.686 mm,輪軌垂向力可降低18%～19%,鋼軌垂向振動加速度降低了2.33倍。

城市軌道交通; 軌面不平順; 輪軌力; 結構振動; 測試與分析

Author′s address Maintenance of Shanghai Metro Co.,Ltd.,200233,Shanghai,China

在列車荷載的作用下,長波(波長1 m以上至幾十米)軌道不平順的軌道結構動力響應與短波(波長1 m以下)軌面不平順動力響應有較大的區別[1]。波磨屬于短波軌面不平順,國內學者在理論上已對鋼軌焊接接頭短波不平順的動力學問題進行了研究[2]。為了減緩線路振動噪聲問題,城市軌道交通管理部門將線路的普通扣件更換為高彈性扣件,從而提高軌道結構的隔振和減振效果,降低地鐵列車運行對沿線建筑物的影響。但隨著列車運行,低剛度扣件線路的鋼軌出現波磨,使得軌道結構和車輛振動加劇,甚至出現兩者部件損壞現象。為了研究輪軌關系以及波磨對車輛、軌道振動的影響,在某條城市軌道交通線路上對鋼軌打磨前后的軌道結構動力響應進行測試,以通過試驗來分析掌握軌面不平順對輪軌力和軌道結構振動加速度的影響。測試地段的軌道結構類型為Vanguard扣件,普通混凝土整體道床,曲線半徑為500 m,超高120 mm,列車運行速度為45～65 km/h。

1 軌面不平順測試與分析

測試前首先測量軌面不平順,以了解軌面的平順狀態,然后進行軌道結構動力測試。第一次測試完成后,打磨列車對軌面進行打磨,再次測量軌面不平順和軌道結構動力響應,以對比同一軌道結構條件下,鋼軌打磨前后軌道結構動力響應的差別,從而為進一步研究軌面不平順的限值提供技術支持。鋼軌打磨前后的軌面狀態如圖1所示。

軌面不平順測試采用長度為1 m的SEC-RC電子平直儀,用測尺端頭磁性定位塊將測尺固定在被測鋼軌軌頭的內側,進行軌面不平順測量,采樣間隔為200個/m測量點。為分析鋼軌打磨前后軌面不平順情況的變化,在兩次測試(打磨前后)數據記錄并導出后,對軌面不平順進行幅值和功率譜分析,并參照BS EN ISO 3095:2005(E)[3]標準對軌面不平順水平進行1/3倍頻分析。

根據動力測試斷面處的測試數據,得打磨前軌面不平順值為0.966 mm,打磨后為0.686 mm。軌面不平順波形如圖2所示。可見,打磨后軌面的短波不平順明顯降低。

圖2 軌面不平順波形圖

對打磨前后的軌面不平順測試數據進行功率譜分析,計算打磨前后樣本功率譜的平均值,結果如圖3所示。圖中波長為1 m的峰值主要是由于波磨尺的長度引起的,鋼軌打磨前,軌面不平順主要波長成分為0.4 m和0.2 m;鋼軌打磨后,軌面平順度提高,0.4 m和0.2 m波長的軌面不平順消失,但在1 m范圍內仍有0.686 mm的不平順。文獻[4]指出,對于軌道交通,一般應將波長200 mm的軌面不平順幅值控制在0.3 mm以下,所以認為1 m波長的軌面不平順達0.686 mm仍偏大。

為了進一步分析打磨前后軌面狀態的變化,需對軌面不平順進行1/3倍頻分析,然后將其與BS EN ISO 3095:2005(E)的標準限值進行比較。分析結果如圖4所示。鋼軌打磨后,軌面不平順水平在各波長范圍內較打磨前有所降低,說明鋼軌打磨可有效提高軌面平順性,但其不平順幅值仍高于BS EN ISO 3095:2005(E)的標準限值,其中在波長0.06 m處差值達到最大,為13 dB。

圖3 軌面不平順功率譜圖

圖4 軌面不平順1/3倍頻圖

2 軌面不平順對輪軌力影響分析

為測試分析不同速度對輪軌振動的影響,試驗時將列車速度分為四檔,速度檔1～4分別對應50～55 km/h、60～65 km/h、65～70 km/h、75～80 km/h。試驗時沒有55～60 km/h和70～75 km/h速度檔的列車車次。

測試時,在列車經過測點前后20 s左右的時間,利用動態信號采集分析系統讀取采集的輪軌力等數據,采樣頻率為5 kHz。對各測試數據進行統計分析,對每趟列車的各輪軸作用下的內、外軌垂向力(測試方法見文獻[5])按照速度進行分類。圖5和圖6分別為鋼軌打磨前后內、外軌的垂向力。

從圖5及圖6可知，鋼軌打磨后,同一速度時內、外軌垂向力有減小趨勢；鋼軌打磨前,內軌垂向力與速度關系并非單調,外軌垂向力基本隨著列車速度的增加而增大,打磨后,內、外軌垂向力隨著列車速度的增加而稍有增大,但外軌的垂向力增大較多,這其中有離心力增大的作用;列車前輪輪對經過時的外軌垂向力較后輪輪對經過時的大,而內軌垂向力在前后輪對經過時相差不大;鋼軌打磨前,內、外軌垂向力最大值分別為100.9 kN和126.9 kN,鋼軌打磨后,內、外軌垂向力最大值分別為85.4 kN和106.6 kN,較打磨前分別下降了18%和19%。

圖5 不同速度檔時內軌垂向力

圖6 不同速度檔時外軌垂向力

列車通過曲線時,一般情況下轉向架第一輪對的內、外軌橫向力較第二輪對的內、外軌橫向力大得多,故在統計分析時只計算第一輪對的內、外軌橫向力。分析時,內、外軌橫向力的最大值與平均值按照不同速度檔統計。結果如圖7和圖8所示。

圖7 不同速度檔時內軌橫向力

從圖7和圖8可知，鋼軌打磨后,同一速度檔下,內軌橫向力有減小趨勢,外軌橫向力變化不大；鋼軌打磨前,內、外軌橫向力與速度的關系并不明顯,可能是受到車速范圍較小,以及列車載重量等因素的影響，鋼軌打磨后,內軌橫向力隨速度增加變化也不大,外軌橫向力隨速度增加有增大趨勢；鋼軌打磨前,內、外軌橫向力最大值分別為49 kN和45.6 kN,鋼軌打磨后,內、外軌橫向力最大值分別為34.1 kN和51.6 kN,內軌橫向力下降較多,約為40%,而外軌的橫向力增大。

圖8 不同速度檔時外軌橫向力

3 軌面不平順對鋼軌振動加速度影響分析

理論分析和國內外研究資料都表明,軌面不平順對增大輪軌振動具有明顯的效應[2],不同的列車速度對軌道結構的振動也有一定的影響。本文就這兩方面的因素對測試數據進行統計分析,以求實際軌面不平順對軌道結構振動的影響。根據測試數據,按照不同速度檔對鋼軌振動加速度幅值進行統計,如圖9所示。

圖9 不同速度檔時軌底垂向振動加速度

從圖9可知，鋼軌打磨后,軌底垂向振動加速度幅值明顯減小；鋼軌打磨前后,軌底振動加速度隨著速度的增加基本呈現遞增趨勢；鋼軌打磨前,內軌軌底垂向振動加速度的最大值為404.5g,鋼軌打磨后,軌底垂向振動加速度最大值為121.3g,較打磨前下降了2.33倍。

為分析鋼軌振動加速度頻率的分布特性,先對每列車位移數據分別進行頻譜分析,然后再按照不同速度檔求取平均值,得到在各個振動頻率上的分布情況。其結果如圖10所示。

圖10 不同速度檔下內軌軌底垂向振動加速度頻譜圖

從圖10 a)可以看出,鋼軌打磨前,列車經過時,內軌軌底垂向振動加速度的振動頻率分布范圍較廣,在0～2 000 Hz范圍內都有分布,但振動頻率主要分布在725 Hz內,垂向振動加速度在401 Hz處達到峰值;速度較大的列車經過時,垂向振動加速度譜值較大。

從圖10 b)可以看出,鋼軌打磨后,列車經過時鋼軌振動強度有所下降,軌底垂向振動加速度的振動頻率分布范圍為0～1 000 Hz,垂向振動加速度在343 Hz處達到峰值。

為了分析測點的鋼軌振動能量的分布特性,先對每列車鋼軌振動加速度數據分別進行1/3倍頻分析,然后求取平均值,得到振動能量在分析頻段上的分布情況,并繪制成折線圖,如圖11所示。

圖11 鋼軌垂向振動加速度1/3倍頻圖

由圖11可知，鋼軌打磨前,內軌軌底振動水平隨著速度的增加而增加,在速度最高檔,列車在250～800 Hz和1 000～1 600 Hz內引起的鋼軌軌底振動水平最大值分別為162 dB、160 dB,對應的中心頻率分別為500 Hz和1 000 Hz；鋼軌打磨后,在分析頻率大于100 Hz時,軌底振動水平隨著速度的增加而增大,頻率大于1 000 Hz時,同一速度檔的軌底振動水平隨中心頻率的增大而減小。鋼軌打磨后,軌底振動水平下降10 dB左右,高頻部分軌底振動水平減小。

4 結論與建議

測試數據表明,軌面不平順對輪軌力和軌道結構振動加速度具有明顯的影響,結論如下:

(1) 鋼軌打磨后,軌面不平順幅值從0.966 mm降低為0.686 mm,并趨近BS EN ISO 3095:2005(E)規定的標準限值,其中在波長0.06 m處差值達到最大,為13 dB；同一速度檔下,內、外軌垂向力較打磨前約降低18%～19%;鋼軌打磨后內軌橫向力有減小趨勢,外軌橫向力變化不大。

(2) 對軌底垂向振動加速度的幅值分析表明,鋼軌打磨前軌底垂向振動加速度的最大值為404.5g,打磨后其值為121.3g,軌面平順度對降低軌底垂向振動加速度幅值效果明顯。隨著速度的增加,軌底垂向振動加速度幅值的平均值呈現遞增趨勢。如用1/3倍頻分析,在100～2 000 Hz的頻率范圍內,軌底振動水平隨速度增加而增大,鋼軌打磨后,軌底振動水平下降10 dB左右,高頻部分軌底振動水平減小。

(3) 目前鋼軌打磨對消除200～400 mm短波不平順明顯,而這一波長范圍對輪軌力和軌道結構振動的影響最為敏感。因此，工務部門應對這一波長的軌面不平順作有效的管理,從而減小輪軌動力作用和軌道結構的振動加速度,提高軌道結構的使用壽命，降低軌道交通振動對環境的影響。

[1] 黃俊飛,練松良,宗德明,等.軌道隨機不平順與車輛動力響應的相干分析[J].同濟大學學報(自然科學版),2003(1):16.

[2] 翟婉明,涂貴軍,高建敏.地鐵線路鋼軌焊接區輪軌動力學問題[J].振動測試與診斷,2012,32(5)：701.

[3] ISO.Railway application-acoustics-measurement of noise emitted by railbound vehicles:BS EN ISO 3095[S].2nd ed.British Standards,EN.2005.

[4] 周永健,練松良,楊文忠.軌面短波不平順對輪軌力影響的研究[J].華東交通大學學報,2009,26(4):6.

[5] 曾樹谷.鐵路軌道動力測試技術[M].北京：中國鐵道出版社，1988.

[6] 周寧.城市軌道交通軌面短波不平順水平譜分析[J].城市軌道交通研究，2014(4)：18.

Experiment Analysis of Track Surface Irregularity Effecting on Track Dynamic Response

XIA Xufeng

Based onthe test of track surface irregularity, the wheel/rail force and track structure vibration on a metro line before and after grinding, the effect of track surface irregularity over track dynamic response is verified with the experiment analysis. The results show that the track surface irregularity is reduced from 0.966 mm before grinding to 0.686 mm after grinding, and the wheel/rail vertical dynamic force is also reduced by 18%～19%, thus the track vibration acceleration could be cut down to 2.33 times.

urban rail transit;track surface irregularity; wheel/rail force; structure vibration; test and analysis

*“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAG01B04)

U 213.2+12

10.16037/j.1007-869x.2016.04.003

2015-04-23)