城市軌道交通鋼軌表面光帶異常波動分析＊

周 宇 王少鋒 王慶方 許玉德

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，200092，上?！蔚谝蛔髡撸v師）

通過觀察車輪在鋼軌上反復碾壓形成的光帶狀態(tài)，可以了解鋼軌表面平順性及列車運行的狀態(tài)［1－2］。本文對上海軌道交通某線路一段光帶異常波動的直線區(qū)段鋼軌進行現(xiàn)場測試，分析光帶異常波動情況下鋼軌和輪對的橫移及其特征，為進一步對該地段軌道養(yǎng)護維修提供理論依據(jù)。

1 測試概況

1.1 測試條件

該線路區(qū)段為橋上直線上坡地段，彈性支承塊式軌道結構，60kg／m鋼軌，WJ－2扣件。列車為C型車、4節(jié)編組。觀測發(fā)現(xiàn)鋼軌表面光帶沿列車運行方向既不保持平直，也不位于軌頂面的固定位置，而是沿列車運行方向在鋼軌頂面來回波動，波長約6～8m。乘車時感覺車體橫向晃動明顯。鋼軌型面測量發(fā)現(xiàn)，鋼軌軌頂面垂直磨耗明顯，軌頂面輪廓變平。為此，希望定量掌握晃車處的輪對和鋼軌的動態(tài)橫移情況。

1.2 測試方法

現(xiàn)場在鋼軌表面光帶異常波動約一個波長范圍內(nèi)，沿列車運行方向在鋼軌外側(cè)的承軌臺上分別布置3個測點，采用非接觸式激光位移傳感器進行測量，如圖1、2所示。其中，1、3測點的鋼軌表面光帶明顯位于鋼軌中心靠外側(cè)的位置，第3測點處鋼軌光帶尤為靠外，而5測點處的鋼軌表面光帶位于鋼軌中心靠工作邊一側(cè)。由于激光位移傳感器水平放置測量輪對動態(tài)橫移時，傳感器有一部分會高于鋼軌軌面而侵入到軌道限界之內(nèi)，因此，將傳感器位置調(diào)低，以仰角測量鋼軌和車輪。

圖1 測點概況

圖2 測點布置平面圖

測量參數(shù)包括：列車通過測點時的車輪輪轂側(cè)面到傳感器之間的直線距離Lw，鋼軌側(cè)面到傳感器的直線距離Lr。測試原理如圖3所示。

圖3 單個輪對橫移測試原理圖

根據(jù)圖3所示的幾何關系，計算輪對動態(tài)橫移量Δtw和鋼軌動態(tài)橫移量Δtr。

輪對橫移量Δtw的計算表達式為：

式中：

T——輪對內(nèi)側(cè)距，T＝1 372mm；

Ww——車輪輪輞寬度，Ww＝135mm；

Dw——被測輪對側(cè)面到傳感器的水平距離，Dw＝Lw·cosαw；

S——測點對應位置的軌距，S＝1 435mm；

Wr——鋼軌軌頭寬度，采用鋼軌型面測量儀測量得到；

Dr——車輪通過時鋼軌外側(cè)到傳感器的水平距離，Dr＝Lr·cosαr；

αw——傳感器測量車輪側(cè)面時的仰角，采用數(shù)字式角度尺測量；

αr——傳感器測量鋼軌側(cè)面時的仰角，采用數(shù)字式角度尺測量。

定義Δtw的方向為：沿列車運行方向，向左為正，向右為負。

鋼軌動態(tài)橫移量Δtr的計算表達式為：

式中：

Dr0——無車輪通過時鋼軌外側(cè)到傳感器的靜態(tài)水平距離；

Lr0——無車輪通過時鋼軌外側(cè)到傳感器的靜態(tài)直線距離。

其余參數(shù)含義同前。

Δtr的方向與Δtw相同，沿列車運行方向，向左為正，向右為負。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 輪對橫移

測試列車通過測點時，傳感器測量得到Lw和Lr，按照式（1）計算每個輪對在每個測點的橫移量，找出輪對橫移量絕對值為最大的數(shù)據(jù)，并計算每趟列車的輪對通過測點時橫移量的平均值，如表1所示，用于分析輪對的動態(tài)橫移方向和幅度。

表1 輪對橫移量 mm

根據(jù)設定的位移方向和表1數(shù)據(jù)，畫出輪對通過測點的橫移情況，如圖4所示。

圖4 輪對橫移情況

由圖4可以看出，輪對在向前直線運行中，突然發(fā)生向右（負）的橫向移動，且平均橫移量達到14 mm，從而導致乘客有明顯的橫移感覺。現(xiàn)場鋼軌光帶與輪對橫移方向吻合：光帶在左股鋼軌1、3測點位于軌頭中心靠外側(cè)的位置，到了5測點，光帶已經(jīng)偏移到軌頭中心靠向工作邊一側(cè)。此外，同一節(jié)車廂前、后轉(zhuǎn)向架第1、3輪對（每個轉(zhuǎn)向架的前輪對）和第2、4輪對（每個轉(zhuǎn)向架的后輪對）產(chǎn)生的橫移趨勢與圖4相同。

2.2 鋼軌橫移

2.2.1 不同測點鋼軌橫移對比

按式（2）計算各趟列車通過測點時引起的鋼軌橫移，找出鋼軌橫移量絕對值為最大的數(shù)據(jù)，并計算輪對通過測點時鋼軌橫移量的平均值，如表2、圖5所示，用于分析鋼軌動態(tài)橫移方向和幅度。

表2 鋼軌橫移量 mm

圖5 鋼軌橫移情況

從圖4、圖5中的輪對、鋼軌橫移平均值可以看出，沿列車運行方向，車輪通過測點1、2時，輪對橫移幅度較小，方向向線路左側(cè)，而左軌橫移為負，說明鋼軌向右（線路內(nèi)側(cè)）發(fā)生橫向移動，右軌橫移為正，說明鋼軌向左（線路內(nèi)側(cè)）發(fā)生橫向移動。兩股鋼軌均向內(nèi)橫移，說明輪對動態(tài)作用下，鋼軌并不是發(fā)生動態(tài)彈性擠開，而是向線路中心動態(tài)彈性橫移，這樣輪軌接觸發(fā)生在鋼軌頂面靠近外側(cè)邊的位置。這種情況與測點1處鋼軌的表面光帶處于鋼軌頂面外側(cè)的情況是吻合的。當車輪通過測點3、4時，輪對橫移幅度較小，方向向線路左側(cè)，而左軌發(fā)生更為明顯的向線路內(nèi)側(cè)的橫移，右軌同樣向線路內(nèi)側(cè)發(fā)生橫移。這樣的情況下，輪軌接觸點更靠近鋼軌頂面的外側(cè)邊，與光帶位置對應，輪軌接觸狀態(tài)不良。當車輪通過測點5、6時，輪對有較大橫移，方向轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚓€路右側(cè)，而左軌、右軌的橫移均較小，兩股鋼軌在輪對的動態(tài)作用下發(fā)生彈性擠開，但由于輪對向右的橫移，使得左軌的輪軌接觸點向鋼軌中心靠工作邊一側(cè)移動。這樣，在測點范圍內(nèi)，首先，由于鋼軌向線路內(nèi)側(cè)動態(tài)橫移，導致輪軌接觸點出現(xiàn)在鋼軌頂面靠近外側(cè)邊，鋼軌表面光帶靠近鋼軌頂面外側(cè)；接著，因為輪對的突然橫移，使得輪軌接觸點又短距離內(nèi)轉(zhuǎn)向鋼軌頂面靠近工作邊，鋼軌表面光帶轉(zhuǎn)移到鋼軌頂面內(nèi)側(cè)。

2.2.2 不同位置的輪對通過測試地點時引起的鋼軌橫移對比

從表2中的鋼軌平均橫移量發(fā)現(xiàn)，鋼軌總的平均橫移量雖然與最大橫移量一樣能反映出鋼軌橫移的變化趨勢，但幅值較小，這可能與同一轉(zhuǎn)向架前后輪對對鋼軌的作用相互抵消有關，因此，本文進一步分析不同位置的輪對引起的橫移量。

分別統(tǒng)計各次列車通過各測點時，每節(jié)車廂第1、3輪對（轉(zhuǎn)向架的前輪對）和第2、4輪對（轉(zhuǎn)向架的后輪對）引起的鋼軌橫移量，如表3、圖6所示。

表3 不同位置的輪對引起的鋼軌橫移量平均值 mm

圖6 不同輪對通過測點時引起的鋼軌橫移量

從圖6可以看出，同一轉(zhuǎn)向架的前、后輪對引起的鋼軌橫移量有明顯差別。圖6（a）中，當列車通過1、3、5測點時，轉(zhuǎn)向架的第1、3輪對使得左軌逐漸由向外側(cè)橫移變?yōu)橄騼?nèi)側(cè)橫移，橫移變化量為由向外0.2mm到向內(nèi)約1.0mm再到向內(nèi)約0.4mm；而第2、4輪對則使鋼軌由向內(nèi)側(cè)橫移轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛲鈧?cè)橫移，橫移變化量為由向內(nèi)約0.4mm到向外約0.5mm。這樣，一前一后兩個輪對造成左軌橫移方向在短時間內(nèi)發(fā)生變化，鋼軌發(fā)生動態(tài)扭轉(zhuǎn)。

同理，圖6（b）中，當列車通過2、4、6測點時，轉(zhuǎn)向架的第1、3輪對使得右軌逐漸由向內(nèi)側(cè)橫移約0.4mm變?yōu)橄蛲鈧?cè)橫移約0.2mm，而第2、4輪對則使鋼軌向內(nèi)側(cè)橫移。這樣的情況同樣使得鋼軌橫移方向發(fā)生突變。

2.3 測試結果

綜上所述，在測試段內(nèi)，列車運行時輪對和鋼軌的狀態(tài)如下：

（1）輪對橫移方向在短距離內(nèi)有明顯改變；

（2）輪對橫移方向改變時，輪對橫移量較大；

（3）鋼軌在輪對動態(tài)作用下橫移方向有明顯改變，由向軌道內(nèi)側(cè)變?yōu)橄蜍壍劳鈧?cè)；

（4）同一轉(zhuǎn)向架前、后輪對引起的鋼軌橫移方向存在明顯差異，鋼軌發(fā)生動態(tài)扭轉(zhuǎn)。

3 測試結果分析

對列車通過測試段時輪對和鋼軌的動態(tài)橫移進行測試與統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該處軌道存在以下問題：

（1）輪軌幾何接觸關系不良。鋼軌在車輪通過時動態(tài)向線路內(nèi)側(cè)橫移，使得輪軌接觸點偏移到鋼軌頂面靠外側(cè)的位置，之后輪對發(fā)生突然的橫移，導致輪軌接觸點內(nèi)移，使得輪軌接觸點在鋼軌頂面分布范圍過大。這樣的運行條件下，將造成鋼軌軌頭較寬范圍內(nèi)發(fā)生磨耗、輪軌接觸光帶異常波動，軌頭輪廓變平，惡化了輪軌幾何接觸關系。

（2）鋼軌縱向不平順。由于輪對在運行中突然橫移，使輪軌接觸點位置在短距離內(nèi)迅速變化，同時，同一轉(zhuǎn)向架的前后輪對對鋼軌橫移的影響截然不同，鋼軌在短時間受輪對作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)，造成軌頭縱向范圍內(nèi)磨耗不均勻、光帶異常波動，產(chǎn)生鋼軌表面縱向不平順。

（3）鋼軌軌底坡不良。輪軌接觸點過多集中在鋼軌頂面靠外側(cè)與鋼軌軌底坡的狀態(tài)有關：軌底坡過大會使鋼軌向內(nèi)側(cè)過多傾斜，因此使輪軌接觸點靠外側(cè)。

（4）扣件扣壓力不足或墊板彈性失效。這種情況使得鋼軌橫向穩(wěn)定性較差，導致列車通過時鋼軌橫移方向不穩(wěn)定，引起不良的輪軌接觸關系。

從上述問題來看，該直線地段列車通過時發(fā)生晃車，主要是鋼軌和輪對的動態(tài)狀態(tài)較差。為此，需要加強相關的養(yǎng)護維修工作。

（1）鋼軌：更換鋼軌或進行鋼軌打磨。鋼軌打磨時應恢復鋼軌的原始輪廓狀態(tài)，改善不良的輪軌接觸關系，同時減少和消除鋼軌縱向表面不平順，改善鋼軌表面平順狀態(tài)。在日常檢查時，應注意觀測鋼軌軌頭的磨耗發(fā)展情況。

（2）扣件：檢查扣件扣壓力、鐵墊板處的軌底坡設置情況和扣件墊板彈性，必要時更換扣件和墊板，保持良好的軌底坡和扣件狀態(tài)。日常檢查時，應注意觀測軌底坡的狀態(tài)和變化。

（3）車輛：檢查車輪踏面的狀態(tài)，跟蹤觀測車輪踏面的磨耗發(fā)展情況，盡量減少踏面的不均勻磨耗，及時進行車輪踏面修理和鏇輪。

（4）基礎：檢查支承塊軌道結構的結構完整性以及彈性是否良好。

4 結語

本文采用非接觸式激光位移傳感器對軌道交通某直線地段鋼軌表面光帶異常區(qū)域進行輪對和鋼軌動態(tài)橫移測量，發(fā)現(xiàn)以下情況：

（1）輪對在運行時動態(tài)橫移發(fā)生方向上的明顯變化；

（2）鋼軌在輪對作用下橫移方向由向線路內(nèi)側(cè)變?yōu)橄蚓€路外側(cè)，且受同一轉(zhuǎn)向架前、后輪對的影響發(fā)生動態(tài)扭轉(zhuǎn)。

這樣的情況下使得鋼軌表面光帶異常、車輛晃動。通過測試分析認為，應對該線路的鋼軌、扣件、基礎狀態(tài)進行檢查，對異常軌道部件及時修理和更換，同時加強車輛車輪踏面的檢查和養(yǎng)護維修工作。應跟蹤觀測鋼軌表面光帶的變化情況，進一步發(fā)現(xiàn)和消除可能存在的導致鋼軌表面光帶異常的因素，從而改善列車運行的平穩(wěn)性和舒適性。

［1］ 左玉良.從鋼軌光帶異常看高速鐵路軌道不平順性［J］.鐵道標準設計，2009（4）：13.

［2］ 胡怡東.廣州地鐵1號線曲線鋼軌軌底坡的調(diào)整［J］.城市軌道交通研究，2006，9（8）：65.

［3］ 張海洋.高速道岔區(qū)輪對橫移理論分析與試驗研究［D］.成都：西南交通大學，2009.

［4］ TB／T 449—2003機車車輛車輪輪緣踏面外形［S］.

［5］ GB／T 7928—2003地鐵車輛通用技術條件［S］.