輪軌振動(dòng)對(duì)高鐵扣件傷損的影響分析

肖俊恒，閆子權(quán)，涂英輝，李偉，郝有生，方杭瑋，孫林林

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081）

輪軌振動(dòng)對(duì)高鐵扣件傷損的影響分析

肖俊恒，閆子權(quán)，涂英輝，李偉，郝有生，方杭瑋，孫林林

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081）

高速鐵路在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中會(huì)出現(xiàn)鋼軌波浪形周期性磨耗和動(dòng)車組車輪多邊形周期性磨耗，輪軌發(fā)生周期性磨耗后，輪軌間動(dòng)力作用增大，且產(chǎn)生高頻激勵(lì)。分析高速鐵路鋼軌波磨和動(dòng)車組車輪多邊形磨耗引起的輪軌間高頻激勵(lì)，揭示了輪軌高頻激勵(lì)與扣件彈條固有頻率接近時(shí)導(dǎo)致彈條產(chǎn)生共振，從而造成彈條傷損的重要機(jī)理，并在多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)案例中得到驗(yàn)證。

輪軌周期性磨耗；高頻振動(dòng)；鋼軌波磨；車輪多邊形；鋼軌扣件

0 引言

隨著高速鐵路的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，部分動(dòng)車組和部分區(qū)段軌道會(huì)出現(xiàn)各類傷損問題，動(dòng)車組車輪多邊形磨耗和鋼軌波浪形磨耗（簡(jiǎn)稱鋼軌波磨）是輪軌周期性磨耗的表現(xiàn)形式，也是輪軌傷損的一種特殊類型[1-2]。輪軌周期性磨耗會(huì)引起車輛軌道系統(tǒng)間劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致輪軌垂向作用力增大，對(duì)軌道部件如鋼軌、扣件、無砟軌道道床等產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成部件損傷，縮短部件使用壽命，破壞嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及高速列車行車安全，還會(huì)產(chǎn)生較大沖擊和滾動(dòng)噪聲，降低舒適性[3-6]。

近年的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，個(gè)別出現(xiàn)輪軌周期性磨耗的區(qū)段，由于輪軌間的高頻振動(dòng)，造成個(gè)別高鐵扣件彈條發(fā)生斷裂傷損[7-8]。研究表明，這些地段扣件彈條的傷損與制造質(zhì)量、鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)維修等沒有明顯的直接關(guān)系。從輪軌振動(dòng)角度出發(fā)，分析輪軌高頻激勵(lì)對(duì)高鐵扣件彈條受力狀態(tài)的影響，揭示高鐵扣件彈條斷裂傷損的機(jī)理，為高速鐵路的輪軌匹配優(yōu)化和扣件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，同時(shí)可為高速鐵路的養(yǎng)護(hù)維修提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 輪軌周期性磨耗引起輪軌間高頻激勵(lì)

1.1 鋼軌波磨

高速鐵路無砟軌道區(qū)段曾多次出現(xiàn)鋼軌波磨，典型的鋼軌波磨形態(tài)見圖1。調(diào)研表明，鋼軌波磨的波長(zhǎng)范圍一般為40～160 mm，谷深一般小于0.08 mm，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)0.15 mm。

鋼軌產(chǎn)生波磨后將造成輪軌作用力增大。同時(shí)，動(dòng)車組車輪高速通過鋼軌波磨區(qū)段時(shí)，其輪軌間將產(chǎn)生高頻激勵(lì)，其激勵(lì)頻率可按式（1）計(jì)算：

式中：f為激勵(lì)頻率，Hz；v為行車速度，km/h；λ為波磨波長(zhǎng)，mm。

圖1 鋼軌波磨

不同速度條件下，鋼軌波磨波長(zhǎng)與輪軌間的高頻激勵(lì)關(guān)系見圖2。當(dāng)行車速度為300 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)鋼軌波磨波長(zhǎng)為40～160 mm，其輪軌力激勵(lì)頻率為521～2 083 Hz。

圖2 不同速度下輪軌激勵(lì)頻率與鋼軌波磨波長(zhǎng)的關(guān)系

1.2 動(dòng)車組車輪多邊形磨耗

列車車輪多邊形磨耗指沿車輪踏面圓周方向的波浪形磨耗。高速鐵路動(dòng)車組車輪曾多次出現(xiàn)多邊形磨耗，典型的動(dòng)車組多邊形磨耗見圖3。調(diào)研表明，動(dòng)車組車輪多邊形磨耗階數(shù)一般為16～24階。

動(dòng)車組車輪產(chǎn)生多邊形磨耗后，將引起輪軌作用力增大。同時(shí)，產(chǎn)生多邊形磨耗的動(dòng)車組車輪高速通過線路時(shí)，其輪軌間將產(chǎn)生高頻激勵(lì)，其輪軌力激勵(lì)頻率可按式（2）計(jì)算：

式中：f為輪軌力激勵(lì)頻率，Hz；v為行車速度，km/h；D為車輪直徑，mm；n為車輪多邊形磨耗階數(shù)。

圖3 動(dòng)車組車輪多邊形磨耗

不同速度條件下，輪軌間激勵(lì)頻率與車輪多邊形磨耗階數(shù)的關(guān)系見圖4。行車速度為300 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)車輪多邊形磨耗階數(shù)范圍為16～24階，其輪軌力激勵(lì)頻率為499～749 Hz。

圖4 不同速度下輪軌激勵(lì)頻率與車輪多邊形磨耗階數(shù)的關(guān)系

2 高頻激勵(lì)引起扣件彈條傷損機(jī)理

2.1 高鐵扣件彈條固有頻率

W300-1型扣件是高速鐵路無砟軌道所用扣件型式之一，也是高鐵扣件彈條傷損的主要型式。為分析彈條的振動(dòng)傷損機(jī)理，對(duì)W300-1型扣件彈條的固有振動(dòng)特性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型充分考慮彈條的彎曲和扭轉(zhuǎn)等特性，采用鐵木辛柯梁進(jìn)行計(jì)算分析，有限元分析模型見圖5，標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)時(shí)彈條固有振動(dòng)特性的計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖5 W300-1型扣件彈條有限元分析模型

圖6 扣件彈條固有振動(dòng)特性計(jì)算結(jié)果

考慮到彈條安裝狀態(tài)對(duì)其固有振動(dòng)特性的影響，計(jì)算了彈條在不同安裝扭矩下的固有振動(dòng)特性，不同安裝扭矩對(duì)彈條第3階模態(tài)的影響見圖7?？梢婋S著安裝扭矩的增大，第3階固有頻率從540 Hz變化到650 Hz。

圖7 安裝扭矩對(duì)彈條固有振動(dòng)特性的影響

對(duì)W300-1型扣件彈條的模態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究（見圖8）。試驗(yàn)采用錘擊法，為了避免附加質(zhì)量對(duì)彈條模態(tài)的影響，利用聲壓計(jì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析。同時(shí)測(cè)試彈條在不同緊固扭矩狀態(tài)下的固有頻率，其測(cè)試結(jié)果與理論分析結(jié)果見表1，結(jié)果表明理論計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合。

圖8 W300-1型扣件彈條模態(tài)試驗(yàn)

表1 不同緊固扭矩時(shí)彈條的固有頻率 Hz

綜合以上理論計(jì)算和試驗(yàn)分析，同時(shí)考慮彈條的加工誤差和現(xiàn)場(chǎng)安裝狀態(tài)，可得出W300-1型扣件彈條的第3階固有頻率為500～650 Hz。

2.2 振動(dòng)傷損機(jī)理

W300-1型扣件彈條在第3階模態(tài)的模態(tài)振型見圖9。彈條在該模態(tài)時(shí)，其根部一方面承受垂向激振造成的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，另一方面還承受縱向激振造成的拉彎應(yīng)力，使得彈條根部應(yīng)力最大。

在鋼軌波磨和動(dòng)車組車輪多邊形磨耗等周期性磨耗下，輪軌間均會(huì)產(chǎn)生高頻激勵(lì)。若激勵(lì)頻率與彈條固有頻率相同或接近，彈條將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，同時(shí)如果鋼軌波磨或車輪多邊形磨耗嚴(yán)重，輪軌激勵(lì)能量大，彈條在激振的長(zhǎng)期作用下，彈條根部應(yīng)力較大，進(jìn)而出現(xiàn)彈條斷裂，且斷口方向與斷面平行，與現(xiàn)場(chǎng)彈條傷損特征一致。

圖9 W300-1型扣件彈條第3階模態(tài)振型

3 傷損案例驗(yàn)證

3.1 鋼軌波磨引起彈條傷損

2011年8月，某高鐵線路發(fā)現(xiàn)彈條斷裂現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研98%以上的斷裂彈條位于鋼軌波磨區(qū)段，鋼軌波磨波長(zhǎng)為120～150 mm，谷深0.05～0.11 mm，行車速度為300 km/h。動(dòng)車組通過時(shí)，計(jì)算輪軌激勵(lì)頻率為556～694 Hz，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力學(xué)測(cè)試輪軌激勵(lì)頻率實(shí)測(cè)為584 Hz，激勵(lì)頻率在彈條500～650 Hz固有頻率范圍內(nèi)，彈條發(fā)生共振，產(chǎn)生斷裂。

2012年11月，另有某高鐵線路發(fā)現(xiàn)彈條斷裂現(xiàn)象。斷裂彈條同樣位于鋼軌波磨區(qū)段，鋼軌波磨波長(zhǎng)為60～80 mm，谷深約0.1 mm，行車速度為150 km/h。動(dòng)車組通過時(shí)，計(jì)算輪軌激勵(lì)頻率為521～694 Hz，實(shí)測(cè)輪軌激勵(lì)頻率為576 Hz，激勵(lì)頻率也在彈條固有頻率500～650 Hz范圍內(nèi)，彈條發(fā)生共振，產(chǎn)生斷裂。

3.2 動(dòng)車組車輪多邊形磨耗引起彈條傷損

2015—2016年，某高鐵線路發(fā)現(xiàn)彈條斷裂現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)部分動(dòng)車組車輪存在18階多邊形磨耗，行車速度為300 km/h。

動(dòng)車組通過時(shí)，計(jì)算輪軌激勵(lì)頻率為562 Hz，實(shí)測(cè)輪軌激勵(lì)頻率為564 Hz，激勵(lì)頻率在彈條固有頻率500～650 Hz范圍內(nèi)，彈條發(fā)生共振，產(chǎn)生斷裂。

3.3 反方面案例

2015年8月，某高鐵線路發(fā)現(xiàn)鋼軌出現(xiàn)波磨，鋼軌波磨波長(zhǎng)為120～140 mm，谷深約0.10 mm，行車速度為245 km/h。動(dòng)車組通過時(shí)，計(jì)算輪軌激勵(lì)頻率為486～567 Hz，實(shí)測(cè)輪軌激勵(lì)頻率為527 Hz，該線路采用WJ-8型扣件，彈條固有頻率為680～780 Hz，激勵(lì)頻率不在彈條固有頻率范圍內(nèi)，彈條不會(huì)共振，現(xiàn)場(chǎng)無彈條斷裂現(xiàn)象。

同時(shí)該線路運(yùn)營(yíng)的動(dòng)車組車輪存在24階多邊形磨耗，行車速度為245 km/h，動(dòng)車組通過時(shí)，計(jì)算輪軌激勵(lì)頻率為612 Hz，激勵(lì)頻率也不在彈條固有頻率范圍內(nèi)，彈條不會(huì)共振，現(xiàn)場(chǎng)無彈條斷裂現(xiàn)象。

4 結(jié)論與建議

鋼軌波磨或動(dòng)車組車輪多邊形磨耗引起高鐵扣件彈條傷損的機(jī)理為：高速鐵路在鋼軌產(chǎn)生波磨或動(dòng)車組車輪產(chǎn)生多邊形磨耗的周期性磨耗時(shí)，輪軌間會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，對(duì)軌道產(chǎn)生高頻激勵(lì)。當(dāng)輪軌激勵(lì)頻率與彈條固有頻率相同或接近時(shí)，彈條將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，磨耗嚴(yán)重時(shí)輪軌激勵(lì)能量較大，導(dǎo)致彈條共振應(yīng)力過大而發(fā)生斷裂傷損。因此，建議高速鐵路運(yùn)營(yíng)期間，發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的鋼軌波磨或動(dòng)車組車輪多邊形磨耗時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨，對(duì)車輪進(jìn)行鏇修處理。

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On Impact of Wheel-rail Vibration on HSR Fastener Damage

XIAO Junheng，YAN Ziquan，TU Yinghui，LI Wei，HAO Yousheng，F(xiàn)ANG Hangwei，SUN Linlin
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

During the long-term operation of high-speed railways, periodic corrugation of rails and periodic polygonal wears of EMU wheelsets might occur. These periodic wears of wheels and rails lead to increased dynamic interaction between the two increases and high frequency excitation occurs. This paper looks into the high-frequency excitation between wheels and rails caused by rail corrugation of and polygonal wears of EMU wheels, finds out that resonance occurs when the high-frequency wheel-rail excitation and the natural frequencies of fasteners and clips are close to each other and thus damages clips. This important mechanism is validated in several on-site cases.

periodic wheel-rail wear；high-frequency vibration；rail corrugation；wheel polygonal；rail fastener

U213.5；U211.3

A

1001-683X（2017）11-0010-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.010

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017G011-A）

肖俊恒（1965—），男，研究員。E-mail：xiaojunheng@126.com

責(zé)任編輯 盧敏

2017-10-23