小半徑曲線段鋼軌短波波磨的影響因素分析

任 彤，王安斌，王志強(qiáng)，王金朝，徐 寧

（中船重工集團(tuán)有限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）

鋼軌波浪形磨耗問題是一個(gè)多世紀(jì)以來鐵路行業(yè)中一直難以解決的技術(shù)難題。由于其產(chǎn)生機(jī)理極其復(fù)雜，研究涉及到諸多學(xué)科[1-2]，如彈塑性滾動(dòng)接觸力學(xué)、軌道耦合動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)、材料摩擦磨損、數(shù)值分析等。各國(guó)學(xué)者對(duì)鋼軌波磨問題進(jìn)行了大量的研究，提出了多種鋼軌波磨的產(chǎn)生機(jī)理，但是，到目前為止仍沒有一個(gè)被人們普遍接受的理論。近年來，由于城市軌道交通的迅速發(fā)展，多個(gè)城市的地鐵線路出現(xiàn)了不同程度的波磨問題，其中以小半徑曲線段出現(xiàn)的短波波磨最為嚴(yán)重[3-5]。

世界各國(guó)鐵路研究者對(duì)鋼軌波磨做過了大量的研究，提出了很多重要的研究理論和波磨的相關(guān)治理措施。GRASSIE教授分別于1993年和2009年發(fā)表了2篇綜述論文[6-7]，對(duì)鋼軌波磨的研究成果進(jìn)行了整理與分析。在文章中，作者將波磨按其損傷機(jī)理和固定波長(zhǎng)機(jī)理分為6類，分別為重載波磨、輕軌波磨、彈性/套靴軌枕波磨、接觸疲勞波磨、車轍型波磨和響軌波磨，并詳細(xì)分析了其產(chǎn)生原因與對(duì)應(yīng)的治理措施。荷蘭學(xué)者Oostermeijer[8-9]對(duì)不同時(shí)期世界各國(guó)直線上短波長(zhǎng)波磨進(jìn)行了詳細(xì)的描述?？偨Y(jié)出以下結(jié)論：鋼軌的材質(zhì)對(duì)波磨影響較大，其中提高碳素鋼中錳的含量可以緩解波磨；連續(xù)支承的軌道結(jié)構(gòu)有利于減緩波磨的發(fā)展；埋入式軌道只能延緩波磨的形成和發(fā)展，并不能消除鋼軌波磨等。TASSILLY[10]等通過對(duì)法國(guó)地鐵波磨的深入研究，發(fā)現(xiàn)波磨的特征頻率與軌道的一些共振頻率有關(guān)。由于不同扣件系統(tǒng)軌道出現(xiàn)的波磨特性也不相同，所以對(duì)不同扣件系統(tǒng)的軌道特性與鋼軌波磨進(jìn)行深入研究也是十分必要的。

在國(guó)內(nèi)某地鐵線路段運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，在半徑為350 m和400 m的小半徑曲線段出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的鋼軌波磨現(xiàn)象。且在不同扣件系統(tǒng)下，鋼軌波磨的波磨特性也不相同。在GRASSIE教授的論文中，此類波磨屬于響軌波磨，并且在2009年發(fā)表的論文中提出了其主要原因是軌道結(jié)構(gòu)的“pinned-pinned”共振所致?！皃inned-pinned”共振是由鋼軌離散支撐引起的一種特殊振動(dòng)現(xiàn)象[7]。其主要是指在一定的頻率范圍內(nèi)，當(dāng)激振點(diǎn)位于軌枕跨中時(shí)，跨中位置出現(xiàn)共振現(xiàn)象；當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)移到軌枕上方時(shí)，軌枕上方出現(xiàn)反共振現(xiàn)象。如圖1所示。

圖1 pinned-pinned共振

本文對(duì)某地鐵線路曲線段出現(xiàn)的短波波磨進(jìn)行調(diào)查研究，通過對(duì)不同扣件系統(tǒng)軌道特性的測(cè)試，結(jié)合波磨情況，對(duì)小半徑曲線段減振型扣件對(duì)鋼軌波磨的影響因素進(jìn)行分析。

1 小半徑曲線段的波磨特征分析

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的某地鐵小半徑曲線段為了滿足環(huán)境振動(dòng)控制要求，在曲線路段上安裝了若干種減振型扣件，主要包括科隆蛋扣件、潘得路先鋒扣件與GJ-32型上部鎖緊式雙層非線性減振扣件。在地鐵開通運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，分別在曲線半徑為350 m與400 m的路段出現(xiàn)了不同程度的波磨，且在鋼軌打磨后兩個(gè)月內(nèi)，波磨又迅速出現(xiàn)。如圖2所示鋼軌上出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的波磨。采用鋼軌波磨測(cè)量?jī)xCAT對(duì)鋼軌波浪形磨耗狀況測(cè)試，測(cè)量?jī)x器見圖3。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)波磨照片

用CAT波磨測(cè)試儀分別測(cè)試該軌道350 m與400 m曲線上內(nèi)外軌的鋼軌不平順。測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖3 CAT波磨測(cè)試儀

圖4 350 m半徑處波磨情況

圖5 400 m半徑處波磨情況

由圖中可以看出，曲線段低軌的波磨比高軌的波磨要嚴(yán)重，350 m半徑處的磨耗情況比400 m處的磨耗嚴(yán)重。

圖6為鋼軌的兩個(gè)典型不平順波長(zhǎng)信息，可以看出鋼軌波磨的突出波長(zhǎng)主要表現(xiàn)在80 mm和20 mm附近。

圖6 3種扣件的鋼軌不平順?biāo)?/p>

2 軌道動(dòng)態(tài)特性測(cè)試

地鐵在正常運(yùn)行時(shí)，由于輪軌之間的不平順激勵(lì)會(huì)使鋼軌受到周期性的沖擊力，從而引起鋼軌的周期性振動(dòng)。本文通過沖擊激勵(lì)錘激勵(lì)鋼軌并測(cè)量FRFS（頻率響應(yīng)特性函數(shù)）,通過分析鋼軌的FRFS，對(duì)軌道的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)鋼軌短波波磨與軌道動(dòng)態(tài)特性的關(guān)系?，F(xiàn)場(chǎng)錘擊測(cè)試如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)錘擊實(shí)驗(yàn)照片

2.1 現(xiàn)場(chǎng)工況與軌道參數(shù)

試驗(yàn)段選取國(guó)內(nèi)某地鐵公司波磨發(fā)生比較嚴(yán)重的兩個(gè)小半徑曲線段，其曲線半徑分別為350 m和400 m，道床采用整體式道床。在400 m曲線段線路上安裝有先鋒扣件，350 m曲線段上安裝著GJ-32型上部鎖緊雙層非線性扣件和科隆蛋扣件。本文在安裝這3種扣件的鋼軌上進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析。

2.2 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)流程

本次試驗(yàn)的激勵(lì)力錘選取型號(hào)為PCB公司的086D05小型力錘。錘頭為了防止連擊，采用尼龍錘頭。激勵(lì)錘力傳感器的靈敏度為0.239 9 mv/N，鋼軌振動(dòng)信號(hào)測(cè)試采用50 g量程的傳感器。

分別在半徑為400 m和350 m的試驗(yàn)段選擇安裝有先鋒扣件系統(tǒng)、科隆蛋扣件與GJ-32扣件的鋼軌進(jìn)行錘擊試驗(yàn)。分別在扣件上方和軌枕中間的兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)鋼軌進(jìn)行垂向與橫向錘擊試驗(yàn)，為避免扣件本身隨機(jī)選取的誤差，每組試驗(yàn)分別選3組扣件進(jìn)行可重復(fù)性試驗(yàn)，測(cè)試點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)不同扣件系統(tǒng)型式下軌道的動(dòng)態(tài)特性與鋼軌短波波磨的內(nèi)在關(guān)系，分別對(duì)3種扣件進(jìn)行錘擊試驗(yàn)，得到圖9至圖11所示3種扣件的頻率響應(yīng)圖。

圖9 先鋒扣件的垂向頻率響應(yīng)

圖10 科隆蛋扣件垂向頻率響應(yīng)

圖11 GJ-32型扣件垂向頻率響應(yīng)

從圖中可以看出先鋒扣件、科隆蛋扣件和GJ-32扣件這3種扣件的1階垂向固有頻率分別為105 Hz、90 Hz和116 Hz，“pinned-pinned”共振頻率分別為1 173 Hz、1 041 Hz和1 025 Hz。

列車在先鋒扣件和另外兩種扣件路段運(yùn)行的速度分別為45 km/h和65 km/h，先鋒扣件對(duì)應(yīng)的主要波長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量為17 mm～25 mm，科隆蛋對(duì)應(yīng)的測(cè)量波長(zhǎng)為78 mm～85 mm，GJ-32型扣件的波磨波長(zhǎng)表現(xiàn)不明顯，見圖12?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果與CAT波磨儀的測(cè)試結(jié)果相符。根據(jù)式（1），可以算出其對(duì)應(yīng)的頻率范圍分別為500 Hz～735 Hz和212 Hz～232 Hz。由圖9至圖11可以發(fā)現(xiàn)在3種扣件的垂向頻率響應(yīng)函數(shù)中在上述頻率段都沒有出現(xiàn)明顯的共振峰。由此可知，扣件系統(tǒng)的垂向1階彎曲共振與“pinned-pinned”共振不是曲線段鋼軌短波波磨的主要原因。

式中：V為列車運(yùn)行速度/（m?s-1）；l為鋼軌上的波長(zhǎng)/m；f為振動(dòng)頻率/Hz。

圖12 波磨現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

圖13至圖15分別是3種扣件的橫向頻率響應(yīng)圖。從圖中可以看出：先鋒扣件的橫向1階固有頻率為146 Hz，且在551 Hz處出現(xiàn)了橫向“pinnedpinned”共振頻率；科隆蛋扣件的1階共振頻率為67.5 Hz，橫向“pinned-pinned”共振頻率為472 Hz；GJ-32型扣件的1階固有頻率為71.25 Hz，橫向“pinned-pinned”共振頻率為468 Hz。

科隆蛋扣件與GJ-32型扣件的1階固有頻率與橫向“pinned-pinned”共振頻率都非常接近，但是科隆蛋扣件對(duì)應(yīng)的波磨情況較GJ-32卻嚴(yán)重很多，且與其典型波長(zhǎng)的波磨頻率明顯不符。這種現(xiàn)象可能與其扣件本身特定的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，具體原因仍在探索中。

圖13 先鋒扣件橫向頻率響應(yīng)

圖14 科隆蛋扣件橫向頻率響應(yīng)

圖15 GJ-32型扣件橫向頻率響應(yīng)

與科隆蛋扣件系統(tǒng)和GJ-32型扣件系統(tǒng)不同，先鋒扣件系統(tǒng)軌道結(jié)構(gòu)的橫向“pinned-pinned”共振頻率與其典型波長(zhǎng)的波磨頻率高度吻合，表明了先鋒扣件系統(tǒng)軌道結(jié)構(gòu)型式下鋼軌的橫向“pinnedpinned”共振頻率是17 mm～25 mm波長(zhǎng)出現(xiàn)的主要原因之一。當(dāng)鋼軌在此頻率內(nèi)受到外力激擾作用時(shí)，鋼軌在共振點(diǎn)處產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，從而受到劇烈的輪軌力相互作用，從而導(dǎo)致了相應(yīng)波長(zhǎng)的波磨。

從以上數(shù)據(jù)分析可以得出，不同扣件系統(tǒng)軌道結(jié)構(gòu)的垂向彎曲共振不是鋼軌短波波磨出現(xiàn)的主要原因，其波磨的出現(xiàn)可能與其軌道結(jié)構(gòu)型式的橫向“pinned-pinned”共振有關(guān)。同時(shí)短波波磨的出現(xiàn)還與車輛運(yùn)行速度有很大關(guān)系。只有當(dāng)列車在一定的運(yùn)行速度下，當(dāng)鋼軌振動(dòng)頻率與扣件系統(tǒng)本身的共振頻率吻合時(shí)，才能導(dǎo)致波磨的發(fā)生。因此，可以通過改變車輛速度與軌道系統(tǒng)本身的固有動(dòng)態(tài)特性來避免輪軌之間的劇烈共振，從而避免波磨的發(fā)生。

4 結(jié)語

本文通過某地鐵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用錘擊法分別測(cè)量了半徑為350 m和400 m兩個(gè)小曲線半徑路段上安裝先鋒扣件、科隆蛋扣件與GJ-32型扣件的鋼軌動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)用CAT鋼軌波磨測(cè)試儀測(cè)試了其鋼軌波磨情況。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到如下結(jié)論：

（1）先鋒扣件軌道結(jié)構(gòu)型式下鋼軌的橫向“pinned-pinned”共振頻率為551 Hz和708 Hz，與其典型波長(zhǎng)17 mm～25 mm對(duì)應(yīng)的波磨頻率基本吻合，說明在400 m半徑的小曲線路段出現(xiàn)的典型波長(zhǎng)為17 mm～25 mm的短波波磨主要與其軌道結(jié)構(gòu)型式的橫向“pinned-pinned”共振有關(guān)。

（2）小半徑曲線路段上不同扣件結(jié)構(gòu)下鋼軌的垂向彎曲共振不是曲線段出現(xiàn)波磨的主要原因。

（3）先鋒扣件作為高等減振扣件雖然對(duì)鋼軌整體磨耗控制比較好，但是會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)典型波長(zhǎng)的鋼軌波浪形磨耗。GJ-32扣件作為中等減振扣件對(duì)抑制固定波長(zhǎng)的波磨有比較良好的效果。