軌道振動特性對高速鐵路鋼軌波磨的影響初探

摘要：高速鐵路是鐵路的一種，其突出優勢是行進速度快，具備較強的運力，一些內部、外部因素會影響高速鐵路鋼軌性能，產生波磨。基于此，本文選取我國某地高速鐵路鋼軌作為研究對象，了解其特點，并通過實驗模擬了解軌道振動特性對高速鐵路鋼軌波磨的影響，再以此為基礎，給出若干改進建議，以期通過分析明晰理論，為后續高速鐵路鋼軌相關工作的優化提供參考。

關鍵詞：軌道振動；鋼軌波磨；典型激勵；鋼軌共振

前言：

鋼軌磨波是一種典型的鋼軌損耗，一般指鋼軌表面（主要是頂部）的波浪狀磨損，其反應的破壞特點是抗壓屈服。我國是世界上鐵路里程最長的國家之一，目前投入運營的鐵路總里程在10萬公里以上，高速鐵路的建設近年來也得到了更加廣泛的重視，由于部分高速鐵路運輸壓力大，時常會出現鋼軌磨波，對列車行駛安全帶來一定的負面影響，也導致維護成本增加，加以分析十分必要。

1.分析對象

1.1鋼軌磨波的危害

鋼軌磨波的危害包括增加維護工作量、加快鐵路老化速度、加快零件老化速度三個方面，如果長期得不到有效處理，也會影響鐵路的安全性能。由于鋼軌磨波一經產生后，必然在后續使用過程中的導致較為明顯的應力集中，這種應力集中會隨著鐵路公路壓力的增加而增加，直到鋼軌表面得到處理前，鐵道的彈性、減震能力都會變差，目前我國高速鐵路軌道磨波出現后會得到較為及時的處理。減震能力和鐵道彈性下降又會導致磨波低段的手里不均，使該段老化速度加快，并增加對連接部位零件的沖擊，加速器損壞老化。鐵道部門需要投入更多精力和財力進行維護保養，工作壓力、工作量都增加了。

1.2典型案例

本次研究對象為我國某地一段高速鐵路，投入使用2年零4個月，該段存在較為明顯的鋼軌磨波，共4處，本次研究選取其中兩處。其中1號鋼軌磨段的顯著波長為102-114mm，次顯著波長為42-55mm，經實測兩段鋼軌通過頻率分別為1060-1240Hz和480-760Hz；2號鋼軌磨段的顯著波長為114-121mm，次顯著波長為46-58mm，經實測兩段鋼軌通過頻率分別為1210-1280Hz和510-780Hz。

2.實驗模擬與結果

2.1模擬觀察指標

本次研究主要為了解軌道振動特性對高速鐵路鋼軌波磨的影響，收集該段高速鋼軌的基本情況，重點了解1號鋼軌磨段和2號鋼軌磨段的通行壓力，并調取資料了解兩段通行列車的速度情況，周圍天氣條件等等，將所有參數給予規范化處理。應用計算機建立有限元模型，獲取鋼鐵資料建立標準模型，代入各項參數作為固定參數和線性約束條件，同時了解典型激勵和鋼軌共振屬性作為非線性條件進行開放性模擬，選取負載量（以垂直壓力表達）、車速作為變量條件，所有模擬過程每次增加1%的變量，持續增加到鋼軌出現形變，進行記錄；在此基礎上繼續增加負載量、車速等信息，直到鋼軌形變情況滿足實際情況，進行記錄；繼續調整變量，直到鋼軌嚴重損壞無法使用。

2.2結果分析

在開放性模擬中，負載量的變化以垂直壓力表達，將鋼軌出現形變一瞬間的壓力值作為典型激勵值，在鋼軌每次出現形變時，了解其共振屬性，將其與列車通過時造成的物理振動屬性進行對比。實驗結果方面，每次鋼軌出現形變，都與負載量存在直接關聯，二者存在顯著的正相關，隨著負載量增加，鋼軌出現形變的幾率也快速增加；在速度模擬方面，實驗過程表明，速度的變化與鋼軌形變不存在顯著關聯，但如果列車行進的過程中出現降速或者加速變化，會導致鋼軌形變的出現，這種變化也呈現典型的正相關，即列車變化的頻率越高，鋼軌出現形變的幾率也越高。與此同時，在共振信息方面，鋼鐵的振動頻率是基本穩定的，但列車行進過程中，振動頻率會出現一些變化，這種變化收到速度參數的影響，當列車的振動頻率和鋼軌的振動頻率相近或者相同時，形變出現的幾率會大大增加，較常規情況下高出16倍。對上述內容進行總結，獲取兩個基本性的規律：

2.2.1典型激勵的影響

測試波磨地段軌道結構振動特性的結果表明，鋼軌在典型激勵下的敏感響應頻率與顯著波長對應的通過頻率相近。

2.2.2振動波長的影響

有限元模型仿真計算結果與現場軌道振動特性測試結果相一致，表明鋼軌顯著波長波磨與軌道結構振動特性中的鋼軌垂向Pinned-pinned 共振有關，次顯著波長波磨與鋼軌相對于軌道板的垂向彎曲共振有內在聯系。

3.改進建議

3.1使用大剛度鋼軌

鋼軌的剛度特征與鋼軌波磨存在一定的關聯，在上文實驗中，剛度越低的鋼軌，典型激勵的出現參數也越小（尤其是壓力值），后續工作中，為求應對鋼軌波磨，可以首先強化鋼軌的性能，使用剛度條件更理想的鋼軌。要求各地高速鐵路管理部門針對境內的鋼軌展開調查，尤其是存在波磨的路段，了解其鋼軌的生產參數，同時收集鋼軌投入使用后的運輸壓力情況，獲取二者的基本情況。對于鋼軌波磨較為嚴重的路段，建立更多的有限元分析模型，應用開放性實驗了解典型激勵的最小值，以此為參數標準，與列車運行的壓力值進行對比，選取大于列車運行壓力和最小典型激勵值的鋼軌，替換現有鋼軌，確保新鋼軌在剛度上滿足使用要求，有效避免鋼軌波磨的出現[1]。

3.2列車速度控制

現代告訴列車基本采用數控方式，其運行速度的精度控制條件也更加理想，但在實際工作中，數控工作并不是完全完善的，受到控制構件以及信息通信等諸多因素的影響，數控的誤差也會漸漸增加。后續工作中，要求各地對列車的基本狀況展開調查，所有應用超過6個月的設備都要進行一次系統檢修，關鍵構件每隔3個月進行一次檢修，確保其性能優良，使列車在行進過程中能夠始終保持較為理想的速度值，不會出現頻繁的速度變化。另一方面，現代告訴列車鐵路網縱橫交錯，也存在不同列車在同一時間段在某一個地點交匯的情況，為避免出現列車相撞，其中一條會調整速度，后續工作中，要求強化對列車時刻表的控制，避免意外情況導致的列車速度變化[2]。

3.3周期檢查與修理

所有的鋼軌波磨都是不可能完全避免的，為求進一步強化對鐵路質量、運行安全的控制，應建立周期檢查與修理機制，要求所有地區的管理部門針對鐵路運行的基本狀況制定工作計劃，對通行壓力較大的路段，以2個月為周期，進行一次鋼軌波磨檢查，對鋼鐵老化和磨波出現的情況進行記錄，總結其規律。修理工作以1個月為周期持續進行，無論鋼軌是否存在磨波、磨波的具體情況存在何種差異，都要進行記錄和修理。此外，各地可以根據自身高速鐵路的壓力情況和鋼鐵的基本參數，建立一個標準模型，了解鋼軌出現波磨的大致周期，建立對應的維護計劃，避免磨波大量出現。

4.總結

通過分析軌道振動特性對高速鐵路鋼軌波磨的影響，獲取了相關理論成果。鋼軌波磨對列車行進有一定的不利影響，也會降低鐵道的使用壽命，其產生的原因是多樣化的。本次研究證明，典型激勵和鋼軌共振屬性是影響鋼軌波磨產生的外部、內部因素。給出優化建議包括使用大剛度鋼軌、控制列車速度、進行周期檢查與修理三個方面。后續工作中可以應用上述理論強化高速鐵路鋼軌性能。

參考文獻：

[1]唐吉意，羅雁云，林龍鋒.落軸沖擊下橢圓形支承塊式軌道振動特性研究[J].機械設計與制造工程，2017，46（07）：86-90.

[2]房建，雷曉燕，練松良.軌道不平順波長對橋上CRTS Ⅱ型板式軌道振動特性的影響[J].華東交通大學學報，2014，31（01）：1-6.

作者簡介：柳賀（1990-）男，遼寧沈陽人，研究方向：鐵路工程（軌道）方向.