鋼軌波磨對地鐵軌道振動特性影響研究

張 帆，王志強，王金朝，徐 寧

（中國船舶集團公司第七二五研究所 洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南 洛陽 471023）

近年來，由于各城市地鐵軌道線路運營時間較長，在一些地鐵運行區(qū)間的鋼軌初始不平順逐步演變?yōu)椴ɡ诵文ズ模摲N磨耗擁有特定頻率和波長，稱為波磨[1-2]。地鐵軌道上的波磨能夠使地鐵軌道及車輛本身的振動加劇，振動的加劇使得地鐵輪軌部件產(chǎn)生疲勞斷裂。地鐵及軌道振動中輻射出的噪聲也會大大降低乘客舒適度[3-5]。

在各種軌道振動研究中，很少考慮到鋼軌波磨對地鐵軌道振動的影響。然而在實際線路中，鋼軌的波磨現(xiàn)象普遍存在，這就需要通過現(xiàn)場測試來獲取鋼軌波磨以及軌道振動數(shù)據(jù)，從而研究鋼軌波磨對地鐵軌道振動特性的影響。

本文通過現(xiàn)場測試，分別得到同一斷面處鋼軌打磨前后科隆蛋扣件的波磨及振動數(shù)據(jù)，以及打磨后換裝上部自鎖式雙層非線性扣件（下文簡稱為雙非扣件）的波磨及振動數(shù)據(jù)，并對其進行對比分析。

1 鋼軌波磨測試

1.1 現(xiàn)場測試情況

該地鐵線路為地下線，斷面道床形式為普通整體道床，隧道形式為圓形隧道，地下短軌枕。地鐵通過該斷面的車速為75 km/h。

安裝科隆蛋扣件的軌道打磨前后以及打磨之后安裝雙非扣件的鋼軌如圖1所示。

圖1 鋼軌打磨前后現(xiàn)場圖

使用CAT 鋼軌波磨測量儀進行鋼軌波磨測試。該測量儀采用手工測量方式，專用于測量鋼軌波磨及其粗糙度。現(xiàn)場測試如圖2所示。

圖2 波磨現(xiàn)場測試

1.2 波磨測試數(shù)據(jù)分析

安裝科隆蛋扣件的軌道打磨前后以及打磨之后安裝雙非扣件的鋼軌波磨粗糙度1/3 倍頻程對比圖如圖3所示。

圖3 鋼軌波磨粗糙度1/3倍頻程對比圖

該線路之前已經(jīng)安裝科隆蛋運行了若干年。打磨前對科隆蛋的波磨測試距離上一次打磨時間約為三個月，即科隆蛋打磨前測試是在鋼軌波磨發(fā)展三個月后進行的。打磨后一個月對科隆蛋扣件進行波磨測試。打磨后一個月，即對打磨后的科隆蛋進行波磨測試后，隨即更換為雙非扣件。雙非扣件的鋼軌波磨測試在其安裝三個月后進行。

圖3為科隆蛋扣件打磨前后以及更換雙非扣件之后的鋼軌波磨粗糙度1/3 倍頻程圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，鋼軌的波磨經(jīng)過打磨有較大的改善，并且打磨之后鋼軌的波磨基本都維持在ISO 3095標準所提要求值以下。對于更換雙非扣件后的鋼軌波磨情況來說，整體上高軌磨耗狀況較低軌稍高，且高低軌磨耗程度均與ISO 3095 標準相差不大。高軌在63 mm處出現(xiàn)峰值，但峰值與ISO 3095標準相差不大，表明該區(qū)間波磨現(xiàn)象不明顯。

鋼軌的波磨波長和頻率對比如表1 所示，鋼軌波磨粗糙度總值如表2所示。

由表1 可知，科隆蛋扣件打磨之前低軌波長主要集中在63 mm、31.5 mm，高軌波磨主要是集中在63 mm；打磨之后科隆蛋扣件低軌波磨主要是集中在40 mm、63 mm，高軌波磨主要是集中在40 mm；更換雙非扣件之后高、低軌波磨均主要集中在63 mm。

表1 鋼軌的波磨波長和頻率

其中，表2中的鋼軌波磨粗糙度總級是由圖3中16 mm～800 mm 波長下的鋼軌粗糙度通過A 計權所得到的[6-7]。

表2 鋼軌波磨粗糙度總級/dB(A)(ref=1 μm)

由表2 可知，鋼軌打磨之前科隆蛋扣件高軌粗糙度為9.6 dB（A），低軌為15.4 dB（A）；鋼軌打磨之后科隆蛋扣件高軌粗糙度為7.3 dB（A），低軌為5.1 dB(A)；換裝雙非扣件的高軌粗糙度為8.0 dB（A），低軌為3.0 dB（A）。整體上各鋼軌表面波磨粗糙度總級在ISO 3095標準允許范圍內(nèi)。

結(jié)果可以看出，科隆蛋扣件區(qū)間在鋼軌打磨之前波磨嚴重，打磨之后有效地控制了鋼軌波磨。改造后新安裝的雙非扣件對鋼軌波磨發(fā)展有明顯抑制作用。

2 波磨作用下鋼軌振動特性分析

2.1 現(xiàn)場測試情況

隧道內(nèi)鋼軌在線測試包含鋼軌垂橫向振動，共計四個測點。其中，鋼軌振動測點位于兩扣件跨度1/2處截面處的軌底和軌腰。

2.2 減振性能分析

安裝科隆蛋扣件的軌道打磨前后以及打磨后安裝雙非扣件的鋼軌振動1/3 倍頻程圖如圖4 所示。其中分析頻段為0～2 000 Hz[8]。

由圖4 可看出，科隆蛋扣件打磨后的振幅在各頻段內(nèi)均較打磨前有所減少，這表明打磨能夠明顯降低鋼軌振動。在315 Hz 及1 000 Hz 附近，科隆蛋扣件打磨前后的高軌垂向振幅和橫向振幅均出現(xiàn)峰值。在315 Hz附近，科隆蛋扣件打磨前的低軌橫向振幅出現(xiàn)峰值，雙非扣件的振幅在該頻段內(nèi)顯著小于打磨之前的科隆蛋扣件。

圖4 鋼軌振動1/3倍頻程圖

鋼軌振動加速度級如表3所示。

由表3 可看出，在高軌垂向、高軌橫向、低軌垂向及低軌橫向中，科隆蛋扣件打磨后的振幅較打磨前均有所減少，其中在低軌垂向中減振效果最好，達到9.2 dB，在高軌垂向中減振效果一般，僅有2.5 dB。雙非扣件的減振效果與打磨后的科隆蛋扣件相差不大，優(yōu)于打磨之前的科隆蛋扣件。

表3 鋼軌振動加速度級/dB(ref=1×10-6 m·s-2)

3 波磨作用下軌道結(jié)構(gòu)振動特性分析

隧道內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)在線測試包含隧道壁垂橫向振動以及道床垂橫向振動，共計4個測點。其中，隧道壁測點距軌面垂直高度1.25 m；道床測點位于道床中心點。

安裝科隆蛋的軌道打磨前后以及打磨后安裝雙非扣件的道床和隧道壁振動1/3 倍頻程圖分別如圖5和圖6所示。其中分析頻段為4 Hz～200 Hz，分析數(shù)據(jù)采用Z計權[9-10]。

由圖5 可看出，科隆蛋扣件打磨后的振幅在各頻段內(nèi)均較打磨前有所減少，這表明打磨能夠明顯降低道床振動。在40 Hz 附近，科隆蛋扣件打磨前后的道床垂向振幅均出現(xiàn)峰值。雙非扣件在20 Hz～250 Hz 頻段內(nèi)振幅顯著小于打磨前的科隆蛋扣件，且在40 Hz處的峰值小于打磨后的科隆蛋扣件。

圖5 道床振動1/3倍頻程圖

由圖6 可看出，科隆蛋扣件打磨后的振幅在各頻段內(nèi)均較打磨前有所減少，這表明打磨能夠明顯降低隧道壁振動。在40 Hz 附近，科隆蛋扣件打磨前后的隧道壁振幅均出現(xiàn)峰值。雙非扣件在20 Hz～250 Hz 頻段內(nèi)振幅顯著小于打磨前的科隆蛋扣件，且在40 Hz處的峰值小于打磨后的科隆蛋扣件。

圖6 隧道壁振動1/3倍頻程圖

道床及隧道壁振動加速度級如表4所示。

由表4 可看出，在道床垂向、道床橫向、隧道壁垂向及隧道壁橫向中，科隆蛋扣件打磨后的振幅較打磨前均有所減少，均減小4 dB（Z）左右。其中在隧道壁垂向中減振效果最好，達到5.2 dB（Z）。雙非扣件在道床垂向、隧道壁垂向以及隧道壁橫向的減振效果均優(yōu)于打磨后的科隆蛋減振效果，差值在2 dB（Z）左右。雙非扣件的減振效果優(yōu)于打磨之前的科隆蛋減振扣件。

表4 道床及隧道壁振幅/dB（Z）(ref=1×10-6 m·s-2)

綜合表2、表3 以及表4 中科隆蛋扣件打磨前后的鋼軌波磨粗糙度和軌道振動加速度級可知，對于鋼軌波磨來說，高軌打磨后比打磨前粗糙度減少2.3 dB（A），低軌打磨后比打磨前粗糙度減少10.3 dB（A）；對于鋼軌振動來說，打磨后的高軌垂向振動比打磨前減少2.5 dB，打磨后的高軌橫向振動比打磨前減少6.9 dB，打磨后的低軌垂向振動比打磨前減少9.2 dB，打磨后的低軌橫向振動比打磨前減少4.7 dB；對于道床及隧道壁振動來說，打磨后的道床垂向振動比打磨前減少3.7 dB（Z），打磨后的道床橫向振動比打磨前減少3.6 dB（Z），打磨后的隧道壁垂向振動比打磨前減少5.2 dB（Z），打磨后的隧道壁橫向振動比打磨前減少4.4 dB（Z）。

4 結(jié)語

本文通過現(xiàn)場測試，分別得到同一斷面處鋼軌打磨前后科隆蛋扣件的波磨及振動數(shù)據(jù)，以及打磨后換裝雙非扣件的波磨及振動數(shù)據(jù)，對其進行對比分析，得到如下結(jié)論：

(1)科隆蛋扣件區(qū)間在鋼軌打磨之前波磨嚴重，打磨之后有效地控制了鋼軌波磨。

(2)在高軌垂向、高軌橫向、低軌垂向及低軌橫向中，科隆蛋扣件打磨后的振幅較打磨前均有所減少。其中在低軌垂向中減振效果最好，達到9.2 dB，在高軌垂向中減振效果一般，僅有2.5 dB。雙非扣件的減振效果與打磨后的科隆蛋扣件相差不大，但優(yōu)于打磨之前的科隆蛋扣件。

(3)在4 Hz～200 Hz 頻段內(nèi)，在道床垂向、道床橫向、隧道壁垂向及隧道壁橫向中，科隆蛋扣件打磨后的振幅較打磨前均有所減少，均減小4 dB（Z）左右。其中在隧道壁垂向中減振效果最好，達到5.2 dB（Z）。雙非扣件在道床垂向、隧道壁垂向以及隧道壁橫向的減振效果均優(yōu)于打磨后的科隆蛋減振效果，差值在2 dB（Z）左右。雙非扣件的減振效果優(yōu)于打磨之前的科隆蛋減振扣件。

(4)由文中實驗數(shù)據(jù)可得，高軌波磨粗糙度下降2.3 dB，可降低高軌垂向振動2.5 dB，高軌橫向振動6.9 dB；低軌波磨粗糙度下降10.3 dB，可降低低軌垂向振動9.2 dB，低軌橫向振動4.7 dB。