重載鐵路小半徑曲線波磨演化過程實測分析

金 鋒,肖 宏,趙 越,岳會婷,劉萬莛

(1.北京交通大學軌道工程北京市重點實驗室,北京 100044； 2.鄭州市地鐵集團有限公司,鄭州 450000； 3.國家能源集團神朔鐵路分公司,陜西榆林 036203)

引言

隨著我國鐵路貨運需求的不斷增長，重載運輸整體向著大軸重、長編組快速發展[1]。我國重載線路多建設在山區，導致了貨運線路選線中小半徑曲線較多、上下坡線路較多等特性。小半徑曲線由于機車車輛輪軌接觸關系復雜，具體體現為接觸應力大、多點接觸，蠕滑率、沖角較大等，導致小半徑曲線存在較為普遍的傷損情況，其中鋼軌波磨是主要病害之一。隨著波磨的產生與發展，將加速惡化諸如滾動接觸疲勞導致的魚鱗紋、剝離掉塊等病害，嚴重影響運輸安全性。

Grassie與Kalousek等[2]對波磨現象進行了較為詳盡的闡述，將波磨分為六類，并且通過固定波長機理及損傷機理，對各類波磨的成因進行了描述，并認為P2力共振及軌頭材料塑性流動是產生重載波磨的原因。劉啟躍等[3-4]通過室內JD-1型摩擦試驗機，再現了塑流型波磨的基本情況，并通過金相分析，表明了表面塑性流動等的厚度與形成方向。劉學毅等[5-6]對于鋼軌波磨進行了較為詳細的對比試驗段研究，并對比了多種波磨減緩措施的效果。金學松與溫澤峰[7-8]通過構建彈塑性輪軌接觸有限單元法對于鋼軌波磨的演化過程進行了描述。陳光雄等[9-10]基于輪軌自激理論，結合現場試驗及復模態計算，對鋼軌波磨產生機理進行了研究。Teng等[11]通過二維激光測距儀進行了對鋼軌波磨幾何的精準測量。魏琿等[12]通過組合弦測法提出了一種波磨廣域測量方法，優化了波磨測量中的有效波長。徐曉迪[13]基于改進的時頻分析方法，根據車輛軸箱加速度數據對波磨病害進行了精準識別。Hirofumi等[14]使用Logistic模型對波磨增長趨勢進行了描述，并應用于針對鋼軌波磨病害的預防性鋼軌打磨策略的制定中。

基于慣性基準的連續性測量裝置由于其測量長度長、精度高等特點，近年來較受歡迎，在高速鐵路[15]、城市地鐵[16]得到了廣泛應用。而對于小半徑曲線較為普遍的重載鐵路，關于重載鐵路波磨連續性跟蹤測試相關成果較少，大部分測量由于人員條件、現場條件的限制，未能在較長時間內開展連續性測試。對于重載鐵路波磨病害而言，由于其發展速度較快，過低的測量密度易將波磨演化過程中關鍵信息遺失，對于指導理論模型及為現場工務段提供措施建議存在一定的局限性。

基于重載波磨研究不足的現狀，對神朔重載鐵路小半徑曲線地段鋼軌波磨演化過程進行了長達5個月的不間斷測試，相比于傳統的間隔數月測試方法，測量密度大、次數多。通過不間斷測試的形式，捕捉小半徑曲線地段重載波磨演化過程中，波磨發展的不同階段性差異及對應的波深、波長特征，為重載鐵路鋼軌波磨研究提供數據基礎，為更深入研究重載波磨生成、演化機理提供實測依據。

1 現場基本條件

1.1 線路基本情況

神朔鐵路主要承擔神府東勝煤田的外運任務，復線全線貫通后，運輸能力達1.4億t/年，隨著新型大功率八軸機車[17]的投入使用，年運量基本呈現逐年增長態勢，至2018年，運量已超過2.6億t/年。隨著運量的增大及速度的提升，神朔鐵路部分地段出現了較為嚴重的鋼軌波磨現象，成為神朔重載鐵路鋼軌傷損的主要形式之一。鋼軌波浪形磨損將加劇惡化軌道其他部件的傷損，如彈條斷裂[18]、剝離掉塊等，極大地增加工務段養護維修成本，影響運輸安全。

所測區段為重車線，線路及軌道結構基本參數見表1。在所測區段中除了長編組貨運列車外，每日還開行一列通勤客運列車，客運列車速度為70 km/h，貨運列車速度為50 km/h。現場為了優先考慮客運列車的行駛舒適性，實設超高為105 mm。

表1 線路及軌道結構基本參數

1.2 典型病害發生情況

圖1為曲線內外軌傷損情況，由圖1(a)可知，曲線內軌表面存在較為明顯的波磨現象，并且在接觸光帶邊界存在明顯的塑性流動紋路；由圖1(b)可知，外軌接觸光帶由于過超高現象，存在向線路中心偏移的趨勢。曲線內軌存在明顯以鋼軌波磨為主的病害。由于波磨病害的存在，隨著時間的推移，軌面魚鱗紋、剝離掉塊等病害將明顯惡化，如圖2所示。

圖1 曲線內外軌表面狀態

圖2 剝離掉塊

2 測試內容及方法

2.1 測試設備

本次試驗采用連續型測量的高精度波磨小車(Corrugation Analysis Trolley， CAT)對試驗段進行了鋼軌走行帶粗糙度的跟蹤測試，現場實測情況如圖3所示。

圖3 CAT軌檢小車測量波磨

現場使用設備進行鋼軌表面粗糙度測量時，由于人員操作、現場環境等原因，部分實測數據存在異常值。本文使用國際標準BS EN 15610:2009[19]的建議方法，進行數據預處理，處理內容包括異常值處理、缺失值處理、輪徑誤差校正等。

2.2 測試方案

在神朔鐵路開行的百節編組重載列車碾壓下，小半徑曲線地段波磨病害發生、發展極其迅速，若測量周期過長，將丟失波磨發生、發展過程中的關鍵信息。因此，在155 d的完整打磨周期內，以每周2～3次的頻率，在圓曲線地段進行波磨測量工作(一周天窗為2～3 d)，單日曲線內外軌各測量1次，單次測量長度為100 m。

2.3 評價指標

本次跟蹤試驗主要通過現場測量PPV(移動波深幅值峰峰值，peak-to-peak values)、1/3倍頻程、幅值累積百分比等多個指標，對現場鋼軌表面波磨嚴重程度及演化規律進行描述，主要評價指標如下。

(1)峰峰值PPV與容許超限率

對于重載波磨幅值僅在鐵運[2006]146號《鐵路線路修理規則》[20]中進行了定義，但是未提出波磨的各波長對應限值，而目前通用的連續性測量波磨小車數據應通過濾波分析來保證數據的準確性[21]，因此本文使用分波長段峰峰值進行評價。本文使用歐洲鐵路聯盟制定的波磨測量與評價標準，根據BS EN 13231—3:2012《鐵路專用標準-軌道-工程驗收：鋼軌打磨、銑磨和刨磨驗收標準》的建議[22]，使用移動波深幅值峰峰平均值PPV作為鋼軌波磨幅值指標。

BS EN 13231—3:2012中采用移動波深幅值峰峰平均值PPV以及固定測量長度內的超限比例作為鋼軌表面縱向不平順的評價指標。將與波磨相關的波長范圍分為10～30 mm，30～100 mm，100～300 mm和300～1 000 mm共4個部分，分別規定了分析窗長與容許限值，見表2。

表2 歐洲鐵路聯盟BS EN 13231-3:2012評價標準

(2)1/3倍頻程

對于鋼軌表面粗糙度，本次測試主要依據BS EN ISO 3095:2013[23]與GB/T 3449—2011[24]規范的計算方法，使用1/3倍頻程分析方法進行處理，并使用規范中所限定數值，與現場實測計算值進行對比。

(3)累積百分比

累積百分比(CDF， Cumulative Distribution Function)依據歐盟規范BS EN 13231—3:2012中對于幅值百分比的限值進行比較。

3 試驗結果分析

3.1 波磨特征波長演化分析

圖4為所測小半徑曲線地段鋼軌波磨粗糙度分析對比。由圖4(a)可知，打磨后在50 mm波長出現明顯的峰值，在波長大于63 mm部分均低于ISO 3095:2013給定限值要求(圖中綠色粗點劃線)，并且存在明顯的以125 mm為特征波長的峰值。打磨后38 d(約2 500萬t)后，125 mm對應波長峰值超過GB/T 5111—2011參考限值(圖中紅色粗點劃線)。總體而言，此階段波磨演化較為緩慢且平穩。

由圖4(b)可知，打磨后48 d開始現場波磨情況發展較為迅速，在打磨后64 d，全段粗糙度水平均超過GB/T 5111—2011參考限值，并且轉變為以200 mm為特征波長的波磨現象。值得一提的是，在此快速擴展階段，小波長倍頻程能量值增加較為明顯，說明現場開始出現疲勞裂紋與剝離掉塊現象。打磨后120 d開始，波磨整體發展趨勢明顯放緩，直到測試結束，整體粗糙度水平增長不明顯，整體波磨情況穩定在160 mm波長段。

圖4 曲線內軌1/3倍頻程分析結果

圖5為所測區段曲線外軌粗糙度測量結果。

由圖5(a)可知，與內軌相同，在打磨過后鋼軌表面殘留了波長為50 mm的殘留磨痕，打磨后3 d，表面粗糙度值提升至較高水平，而在打磨后10 d已經降低至較低水平，并且在此后未發現明顯的特征波段產生情況，但隨著重載車輛的不斷經過，整體粗糙度水平增加。

圖5 曲線外軌1/3倍頻程分析結果

總體而言，外軌粗糙度變化趨勢較為緩和，未見明顯的波磨產生趨勢，粗糙度波峰為打磨過程中殘留的磨痕所致。隨著重載運輸的進行，曲線外軌粗糙度在全波長段提升較為均勻。

圖6(a)為第二次進行鋼軌表面波磨消除操作前曲線內外軌粗糙度數值。從圖6(a)可以看出，曲線內軌存在較為明顯的鋼軌波磨，并且以160～200 mm波長段為主。在其他波長段，整體粗糙度水平較高，全段均超過本文所取兩規范中參考限值。式(1)為波磨波長與激發頻率的關系

f=v/λ

(1)

式中，λ為波磨波長，根據測試結果可知為160～200 mm；v為車輛速度，本測試地段為50 km/h。可知現場對應的頻率為69.4～86.8 Hz，與文獻[25]中P2力共振頻率接近。由于目前暫無針對重載鐵路的分波長段波深限值標準[26-27]，因此本文使用《高速鐵路打磨管理辦法》[28]中驗收限值與整治限值進行參考。圖6(b)為100～300 mm波長段峰峰值測量結果，大部分區域波磨波深超過150 μm，最大波深達311 μm。

圖6 第二次打磨前鋼軌波磨情況

3.2 波磨波深分布演化規律

圖7為100～300 mm波長段現場波磨地段幅值累積百分比示意，BS EN 13231—3:2012中對各波長段幅值對應的累積百分比限值進行了限值，其中對應幅值圖中使用紅色虛線表示，幅值對應的百分比限值使用綠色虛線表示。

從圖7(a)可以看出，打磨后40 d內，整體幅值發展趨勢較為緩慢，曲線之間分離不明顯，在打磨后17日超過規定值。根據圖7(b)所示，打磨后48 d開始，整體幅值出現明顯上升趨勢。

圖8為100～300 mm波長段超限百分比示意，從圖8可以看出，打磨后17 d開始，整體幅值超限率穩步增長，整體增長較快。在打磨后146 d，增長趨勢得到遏制，超限率未明顯發展。

圖7 曲線內軌百分比累積

圖8 限值對應累積百分比趨勢

3.3 波磨演化階段

圖9為所測地點160 mm波長段粗糙度隨著運營時間的趨勢對比，從圖9可以看出，現場波磨病害發展極其迅速。打磨后27 d，160 mm區段粗糙度數值超過ISO 3095：2013標準。打磨后40 d，超過國內標準GB/T 5111—2011的限值12.4 dB；在打磨后120 d，現場波磨發展情況趨勢較為緩和，波磨發展進入第二個平穩期。

由圖9可知，打磨后，鋼軌表面粗糙度情況有所上升，這種暫時性粗糙度上升現象，應歸結于打磨車磨輪殘留的磨痕，由于這種殘留磨痕深度較淺，并且重載車輪經過時將在磨痕處產生較大的應力集中，短期內表面粗糙度將明顯回落。

圖9 160 mm波長粗糙度級隨時間變化規律

所測區間小半徑曲線波磨生成、演化過程可分為3個階段：(1)初期萌生階段；(2)中期快速發展階段；(3)末期穩定階段。在初期穩定階段(所測區段為打磨后1～17 d)特征波段倍頻能量值較小，并且沒有明顯的發展趨勢；在中期迅速發展階段(所測區段為打磨后17～120 d)，粗糙度數值增長達0.47 dB/d，并且在此期間波磨峰峰值平均值發展趨勢如圖10所示，從圖10可知，在快速發展期，峰峰值平均值發展可達0.43 μm/d；在末期平穩期，波磨發展趨勢明顯放緩，但鋼軌表面傷損情況較為嚴重，導致整體粗糙度水平較高，粗糙度全段超過規范限值。

圖10 100～300 mm波長段峰峰值平均值變化

根據以上測量及分析結果可知，重載鐵路由于軸重大、通過總重大等特性，導致鋼軌波磨病害演化速度較快、周期較短，并且在波磨演化周期內存在明顯的階段性特征。伴隨特征波長的變化，在部分變化階段存在如魚鱗紋及剝離掉塊加重等現象。由此可見，整體波磨演化過程較為復雜，出現如特征波長變化、疲勞傷損惡化等情況，若按常規數月為間隔的測量方式，將較難掌握所關注區段內波磨演化特征，建議重載鐵路鋼軌波磨跟蹤測試中盡量保證測試間隔。

4 結論

對神朔重載鐵路小半徑曲線地段鋼軌波磨演化過程進行了長達5個月的跟蹤測試，相比于傳統的間隔數月測試形式，此次試驗測量密度大、頻次多，并且通過此次試驗，捕捉到了重載波磨演化過程中的不同階段差異及波深、波長特征，為重載鐵路鋼軌波磨研究及現場波磨測試打下了基礎，研究結論如下。

(1)所測區段存在較為明顯的波磨現象，在波磨現象穩定后，波磨波深最大值超過0.3 mm，特征波長為160～200 mm。

(2)通過不間斷測試結果可知，重載波磨演化過程存在較為明顯的階段性，可分為波磨初期穩定期、中期快速發展期、后期穩定期，其中中期快速發展過程波深及特征波長倍頻能量增加速度較快，特征波長段倍頻能量增長達0.47 dB/d，PPV平均值增長速度為0.43 μm/d，且由于波磨病害的存在，將引發較為嚴重的剝離掉塊現象。

(3)重載鐵路波磨演化速度較快，波磨演化過程中階段特征較為明顯，且演化過程中伴隨特征波長變化、疲勞傷損惡化等情況，為準確獲取現場波磨演變特征，應保證測試間隔。