不同軌道型式的地鐵車輛-軌道耦合振動特性研究

賈小平 胡定祥 李大地 李家棟 楊 陳 朱 程

(1.中車南京浦鎮車輛有限公司， 210031， 南京； 2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室， 610031， 成都；3.南京地鐵運營有限責任公司車輛分公司， 210012， 南京∥第一作者， 高級工程師)

地鐵線路鋪設軌道時采用了大量的減振技術，如廣泛應用減振扣件、浮置板道床等，以滿足線路的減振降噪要求。目前，大部分軌道減振產品不是采用大阻尼吸振，而是采用降低剛度的方式進行隔振能量傳播。不同的軌道型式，其輪軌系統的參振質量、剛度及阻尼不盡相同，振動特性復雜多變，有些振動能量不能有效分散到軌道基礎結構中，導致軌道振動增加。振動甚至向上傳遞到車輛部件上，加劇車輛的振動[1]。車輪輪周多邊形和鋼軌波磨問題也日漸凸顯，噪聲及異常振動頻發，轉向架上部件斷裂失效的情況明顯增多，這些問題都嚴重影響地鐵車輛的安全運營。

本文針對某城市地鐵開展了車輛及軌道振動測試研究，對比不同軌道型式下的輪軌振動特性，對減振軌道對輪軌振動特性的影響進行深入分析，以期為研究車輪輪周多邊形及軌道波磨影響積累寶貴的試驗數據。

1 不同軌道型式的車輛與軌道動力學測試

1.1 軌道型式統計

軌道按減振級別可分為無減振路段、中等減振路段及高等減振路段，其中：無減振路段采用整體道床+ZX-2扣件組合；中等減振路段采用整體道床+壓縮型/剪切型減振扣件組合；高等減振路段則采用浮置板軌道匹配ZX-2扣件。圖1為某地鐵線路減振軌道的分類及其占比情況。

注：占比指該類型軌道型式鋪設里程占所有軌道型式鋪設里程的比例。圖1 某地鐵線路減振軌道分類及其占比Fig.1 Vibration-damping track types and proportion of certain metro line

1.2 車輛振動測試及軌道動態響應測試方案

選取兩列車進行車輛振動測試，長期跟蹤測試其車輪不圓度。在對比不同車輪狀態(如鏇新輪、多邊形輪)轉向架輪對軸箱、構架及軌道系統的振動基礎上，分別進行時域、頻域及時頻域分析，以研究車輛-軌道系統(以下簡稱“輪軌系統”)的振動傳遞規律及特性[2]。圖2為對所選列車轉向架軸箱、鋼軌進行加速度測試和軌道位移測試的實景圖。

a) 轉向架軸箱的加速度振動測試

如圖3所示，軌道動態響應系統由前端傳感器、云智慧采集儀、工業路由器及移動終端等構成。其中：前端傳感器包括位移傳感器和加速度傳感器；移動終端由電腦等設備組成；云智慧采集儀可脫離外接設備獨立離線工作，通過預設觸發量自動采集列車通過時的數據并予以保存[3]。

圖3 軌道動態響應系統示意圖Fig.3 Diagram of track dynamic response system

2 不同軌道型式下輪軌系統動態響應特性

2.1 車輪輪周多邊形與車輪轉頻的關系

輪軌系統相互作用的激勵主要源于車輪與鋼軌的表面不平順。表面不平順主要包括車輪輪周多邊形、擦傷、剝離等缺陷，以及鋼軌波磨、軌縫接頭不平順、道岔不平順等。對比分析多邊形輪周車輪及鏇修前后的車輪狀態，得到鏇修前和鏇修后的車輪圓度如圖4所示。

a) 鏇修前

車輪轉頻f是車輪在單位時間內的旋轉次數，若服役車輪輪周存在n階多邊形，則車輪在轉動過程中在單位時間內會產生nf次的振動激勵。設列車速度為v(單位為km/h)，車輪半徑d(單位為mm)，則：

(1)

2.2 整體道床+ZX-2扣件下的輪軌振動特性

列車通過整體道床+ZX-2扣件時鋼軌的加速度響應(100 Hz低通濾波結果)如圖5所示。其中，加速度為正值時表示振動方向向上。在輪軌接觸瞬間，鋼軌的豎向位移達到最大值，此時對應的鋼軌豎向振動頻率為58 Hz。圖6為同一時刻軸箱的豎向振動加速度時頻響應。從圖5、圖6可看出：輪軌接觸瞬間產生了同相耦合振動，即：當車輪輪周多邊形轉頻倍頻與輪軌耦合振動頻率接近時，輪軌接觸系統產生中低頻輪軌力(又稱“P2力”)共振，導致軸箱加速度變大，振動能量增加。

a) 鋼軌豎向加速度(100 Hz濾波結果)

圖6 整體道床+ZX-2扣件下軸箱豎向加速度時頻Fig.6 Time-frequency of axle box vertical acceleration with common track bed+ZX-2 fastener

2.3 整體道床+剪切扣件下輪軌動態響應特性

圖7為列車通過整體道床+剪切扣件軌道時鋼軌的位移-加速度響應曲線。在輪軌接觸瞬間，鋼軌豎向加速度振動主頻在65 Hz左右，其軸箱加速度在對應時刻的主頻并不明顯(如圖8所示)，可以看出，此時輪軌未發生耦合振動。

a) 鋼軌豎向加速度(100 Hz濾波結果)

圖8 整體道床+剪切扣件下軸箱豎向加速度時頻Fig.8 Time-frequency of axle box vertical acceleration with common track bed+shear fastener

2.4 整體道床+壓縮扣件下輪軌動態響應特性

圖9為列車通過整體道床+壓縮扣件軌道時鋼軌的位移-加速度響應曲線。在輪軌接觸瞬間，鋼軌加速度無單一主頻，對應時刻軸箱加速度在100 Hz以下無頻率集中(見圖10)，輪軌系統未發生耦合振動。

a) 鋼軌豎向加速度(100 Hz濾波結果)

圖10 整體道床+壓縮扣件下軸箱豎向加速度時頻Fig.10 Time-frequency of axle box vertical acceleration with common track bed+compression fastener

3 輪軌耦合振動對車輪輪周多邊形和鋼軌波磨的影響

在多邊形輪周車輪運行過程中，輪軌耦合振動加劇，快速形成輪軌間的不均勻磨耗。特別是當振動為周期性的諧振時，輪軌表面因長期磨損產生周期性磨耗，主要表現為車輪輪周多邊形磨耗和鋼軌波浪形磨耗。

地鐵線路全部采用ATO(列車自動運行)模式運行。雖然軌道的類型較多，不同型式輪軌的振動特性各有不同，但對于特定的軌道型式而言，因其振動特性固定不變，在周期性、特定頻域下的輪軌耦合振動將加劇輪軌的周期性不均勻磨耗。

圖11為實測某地鐵B型車輛通過鋼軌時，鋼軌豎向加速度出現拍振，圖11 b)中的位移為負值時表示鋼軌向下發生位移。如圖11所示，在2.3 m軸距范圍內鋼軌振動存在2個拍振信號，輪軌接觸點為周期信號節點，拍振頻率為375 Hz。究其原因,是由于是2個輪對間鋼軌第二階豎向彎曲模態所致，此頻率與鋼軌波磨頻率一致。

a) 鋼軌垂向加速度出現拍振

4 結語

1)多邊形輪周的車輪引起車輪轉頻倍頻與輪軌在50～100 Hz振動頻率共振，造成鏇修前車輪(多邊形輪周的車輪)在50～100 Hz頻段時軸箱振動發生能力集中。車輛鏇修后,消除了車輪輪周的多邊形，共振現象也隨之消失，振動能量大幅減小。

2)扣件剛度對輪軌耦合振動的影響明顯。對于普通道床+ZX-2扣件型式軌道，其輪軌發生P2力耦合共振，耦合振動主頻在58 Hz附近，此時振動能量顯著增大；而對于普通道床+剪切扣件、普通道床+壓縮扣件型式，其輪軌未發生P2力耦合共振。從振動能量分布角度看，采用了壓縮扣件的輪軌振動能量分配較為均衡，可避免能量集中。

3)輪對軸箱在300～400 Hz的高頻振動由鋼軌波磨引起。軸間距為2.3 m的轉向架的鋼軌豎向加速度主頻為375 Hz，與鋼軌二階豎彎曲模態頻率、鋼軌波磨頻率均一致。

本文研究了輪軌耦合振動特性，不同軌道型式下輪軌耦合振動機理比較復雜，振動的特性差別很大，特定軌道系統下輪軌振動加劇，對車輛和軌道結構產生了較大影響。可進一步開展基于減振軌道系統與地鐵車輛系統耦合振動理論的分析研究，細化研究軌道中扣件、軌枕、道床的質量、剛度、阻尼、模態等參數和車輛中輪對、構架、車體模態及懸掛參數動態特性對輪軌耦合振動特性的影響。突破傳統設計思維，以新型輪軌耦合振動邊界條件為基礎，建立以車輛和軌道振動、噪聲為控制指標的正向設計流程。