地鐵線路鋼軌波磨對車輛振動特性的影響

劉毅

摘要：近年來，我國的地鐵工程建設的發展迅速，隨著城市軌道交通的不斷發展，各城市的地鐵線路不可避免地出現了不同程度的鋼軌波磨。鋼軌波?磨的存在會導致車輛軌道結構劇烈振動，產生噪聲，影響車輛和軌道結構的使用壽命。通過對高速動車組進行現場振動測試，研究了高速動車組各部件間?的頻域響應特征和動車組車輛系統振動傳遞特性。表明在剪切型減振器扣件內增設橡膠墊塊可有效地控制鋼軌波磨發展，并起到部分消減鋼軌波磨的作用。通過測試地鐵車輛通過波磨軌道時的車輛各部件的振動特性，分析了鋼軌波磨對車輛動態行為的影響。

關鍵詞：地鐵線路鋼軌波磨;車輛振動特性;影響

引言

鋼軌波磨是指鋼軌表面沿縱向出現周期性、類似波浪形狀的不平順現 象 ，是 出現在軌面 的一種表面缺陷 。按 照波長 區分 ，波磨可以分為 25mm～80mm 的短波長波磨和 100mm 以上的長波長波磨。重載鐵路出現的 波磨一般為長波長波磨。按照磨耗類型區分，波磨可以分為磨損型波磨、 塑流型波磨和混合型波磨等。

1 典型軌道上的車輛振動特性

普通短軌枕軌道結構是鋪設地鐵線路時常用的軌道結構，為研究普通 短軌枕上鋼軌波磨對車輛振動特性的影響，對車輛通過普通短軌枕軌道時?車輛各部件的垂向振動加速度數據進行分析。振動從軸箱向車體地板傳遞?的過程中，垂向振動加速度有效值呈先增大后減小的趨勢。振動能量由彈?簧座經一系懸掛彈簧系統傳遞到構架，數值衰減了 58.96%。由一系彈簧上 方構架左經過二系懸掛彈簧系統傳遞到車體地板，振動能量衰減了 92.54%。由此可見輪軌系統振動在向車輛各部件傳遞的過程中，二系懸掛系統起到?了較大的衰減振動能量的作用。車輛通過 400mm 波長的波磨區域時，軸箱 在 40～80Hz 附近的振動明顯，振動能量從軸箱、彈簧下方座經由一系懸掛?系統傳遞至構架，導致構架在該頻率附近振動顯著，隨后振動能量進一步?通過二系懸掛系統傳遞至車體地板，導致車體地板在 40～80Hz 頻段振動略?大。而車體地板在 110～200Hz 的垂向振動水平最明顯，該頻段與輪軌不平?順激勵的頻率不相關。

2 鋼軌波磨發展機理

鋼軌波磨的發展機理可分別從固定波長機理和損傷機理 2 方面闡述。對于固定波長機理而言，小半徑曲線地段設置超高和列車實際運行速度的?不匹配，將更加容易導致輪軌系統的自激振動，進而使鋼軌在自激振動作?用導致的額外載荷作用下形成波浪狀不平順。對于重載線路的波磨損傷機?理而言，在波磨形成過程中，同時具有塑性流動與磨耗。在鋼軌材質及屈?服強度等不變的條件下，更大的外載荷作用將使鋼軌表面更容易發生塑性?流動與磨耗，更大的垂向力、橫向力及蠕滑率將導致磨耗現象的加劇。因?此，在重載列車通過小半徑曲線波磨地段并激發摩擦自激振動時，更大的?垂向力、橫向力及蠕滑率將使鋼軌波磨發展更加快速，并且在額外的載荷?作用下，鋼軌表面更容易出現裂紋和剝離掉塊現象。這將進一步降低鋼軌?的力學性能，使鋼軌塑性流動現象更容易發生，并且進一步加劇塑流型波?磨的發展。以上計算結果表明，目前線路普遍存在的過超高現象增加了曲?線內軌垂向力、橫向力、橫向蠕滑率和沖角，是線路小半徑曲線地段波磨?病害發展周期較短的原因之一。在現場，當鋼軌波磨現象較為嚴重時，為?了保障線路運輸安全，采用了降速運輸等策略。而現場的線路超高均是按?照線路設計速度而計算設置的，較低的車輛速度反而導致過超高更為嚴重。傷損相對嚴重的曲線內側鋼軌受力明顯大于外側鋼軌，并處于一種惡性循?環狀態中。這樣，進一步加速曲線內軌表面鋼軌波磨、疲勞裂紋、塑性流?動等病害產生，并加速諸如鋼軌扣件、軌枕及道床等相關病害的產生。

3 整體道床軌道導納特性與波磨關系

3.1 整體道床軌道模態分析

由此可知，整體道床無砟軌道的軌下基礎幾乎不參與振動，前 12 階振 型為鋼軌的橫向彎曲變形，從第 13 階開始以鋼軌的垂向彎曲變形為主，其 中第 16 階振型伴有鋼軌的橫向彎曲。

3.1.2 輪對模態分析

對城市軌道交通 B 型車的輪對進行自由模態分析，即不加任何外部約 束，使其具有與動力學模型相同的自由度。與軌道系統模態分析方法相同，最終得到輪對在 0～2000Hz 范圍內的固有頻率及其對應的振型。輪對的振動形式有徑向振動、軸向振動、徑向彎曲和軸向彎曲等。

3.2 整體道床軌道導納特性分析

為全面反映鋼軌的振動特性，計算 0～10000Hz 頻率范圍內的垂向和橫?向鋼軌位移導納，計算步長為 1Hz。對于整體式道床軌道系統。鋼軌在不?同頻率下均會產生振動，其中有 2 種典型的振動形式，對應各個導納峰值：鋼軌共振和 pinned-pinned 共振。鋼軌共振頻率即導納圖中的第一個峰值對?應頻率 180Hz。鋼軌 pinned-pinned 振動是指支撐于兩根軌枕之間的鋼軌受?到激勵后產生的縱向機械波，其駐波節點剛好在軌枕處。第一個峰值之后?的各個峰值均屬于 pinned-pinned 振動，其頻率主要有 1100、3160、5138?和 7800Hz。其振動特性與重型鋼彈簧軌道結構的鋼軌類似，有 2 種典型的?振動形式：橫向鋼軌共振和橫向 pinned-pinned 共振，并且在 190～508Hz?頻率范圍內持續震蕩，存在一系列導納峰值，此頻段的振動與線路的短波?長波磨關系密切。在列車運行過程中，整體式道床軌道系統的鋼軌振動響?應峰值頻率主要有 104、180、190、212、238、263、294、326、360、405、 434、471、508、684、842 和 1100Hz 等，在這些頻率下，鋼軌的動力響應?更加劇烈，可能由此產生更加嚴重的鋼軌磨耗。結合軌道系統和輪對模態?分析結果，在列車運行過程中容易發生劇烈的輪軌共振而造成嚴重磨耗的?頻率主要有 263、358、405 和 471Hz。進一步結合城市軌道交通的波磨現?場實測數據，在線路區段處，其現場工程情況條件與所建立的整體道床軌?道三維實體有限元模型相同，經過現場測試數據處理和分析，得到其波磨?特征波長為 40 和 200mm。此區段列車的實際運營車速為 50km/h，短波波?磨的特征波長 40mm 對應頻率約為 347Hz。考慮到實際運營過程中的車輪?輪對的附加質量，相同振動形態下輪軌系統的動力響應頻率應略低于軌道?系統本身在外界單獨激勵下的振動頻率，因此該線路的短波波磨對應的鋼?軌振動頻率應約為 358Hz。此頻率下鋼軌和輪對的振動形態以橫向振動為?主，也就是說，鋼軌在 358Hz 下的橫向彎曲變形是此區段線路產生特征波?長為 40mm 波磨的主要原因。通過采取減振措施，重點抑制輪軌系統在?358Hz 處的橫向振動響應，降低鋼軌在此頻率的振幅，可以降低對應波長?的周期性鋼軌磨耗，進而抑制波磨的產生和發展。

結語

由于鋼軌打磨沒有完全消除波磨，因此打磨前后車輛軸箱和構架的垂 向振動峰值頻率與對應的波磨通過頻率一致;鋼軌打磨后兩者的垂向振動 水平明顯小于鋼軌打磨前;在鋼軌波磨沒有消除的情況下，鋼軌打磨對車 體振動特性的影響不明顯。

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