鋼軌粗糙度間接測試分析方法的研究與應(yīng)用*

董孝卿， 高 攀， 徐俊杰， 陳 彪， 蔣成成， 田朋溢,李秋澤

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所, 北京 100081； 2 華東交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院, 南昌 330013； 3 中車長春軌道客車股份有限公司 轉(zhuǎn)向架部， 長春 130062)

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，高鐵出行的人數(shù)逐年增加，噪聲問題成為群眾日益關(guān)注的焦點(diǎn)?，F(xiàn)有研究表明，當(dāng)列車運(yùn)營速度達(dá)到300 km/h時，輪軌激勵產(chǎn)生的振動噪聲是車內(nèi)外振動噪聲增大的主要原因[1]。

鋼軌短波不平順是指鋼軌頂面波長為1 m以下的不平順，主要包括軌面不均勻磨耗、軌面擦傷、焊縫不平順等[2]。鋼軌軌面短波不平順會引起輪軌高頻振動，導(dǎo)致車輛及軌道損傷和壽命降低。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)輪軌表面不平順與輪軌滾動噪聲直接相關(guān)，500～2 500 Hz頻率范圍內(nèi)，輪軌滾動噪聲與輪軌表面短波不平順幅值之間存在線性關(guān)系[3]。對鋼軌軌面短波不平順進(jìn)行分析研究，是合理進(jìn)行鋼軌養(yǎng)護(hù)維修、延長鋼軌使用壽命、控制輪軌振動和噪聲、提高列車運(yùn)行品質(zhì)的重要基礎(chǔ)。因此有必要對鋼軌短波不平順展開研究。目前常用方法為鋼軌直接測量法，其測量原理主要有弦測法和慣性基準(zhǔn)法兩類。弦測法測量原理是在軌道上面固定一根基準(zhǔn)梁，然后使位移傳感器沿著基準(zhǔn)梁移動并測量鋼軌表面相對于基準(zhǔn)梁的高度，從而得到軌面不平順；慣性基準(zhǔn)法測量原理是利用加速度傳感器組成的測量裝置固定在小車上，小車由手推或電動馬達(dá)驅(qū)動沿著軌道移動，在移動過程中測量軌面不平順。直接測量法雖具測試精度高的特點(diǎn)，但其測量距離短，作業(yè)效率低。

為彌補(bǔ)直接測量法的缺點(diǎn)，快速實(shí)現(xiàn)全線路鋼軌不平順普查測試的目的。文中利用武廣線運(yùn)行的CRH3C型動車組開展了基于輪軌噪聲測試的間接測量方法研究和試驗(yàn)，其主要內(nèi)容是結(jié)合輪軌粗糙度試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，研究鋼軌表面聲學(xué)粗糙度間接式測量方法，普查武廣線鋼軌粗糙度水平。

1 鋼軌短波不平順間接式測試原理

在輪軌滾動噪聲的研究中發(fā)現(xiàn)車輪與鋼軌粗糙度之間存在著直接的頻譜關(guān)系[4-6]，如式(1)所示

ΔLp，grinding-average,i=(Lr,track,grinding,i⊕Lr,vehicle,i)-

(Lr,track,average,i⊕Lr,vehicle,i)

(1)

其中，ΔLp,grinding-average,i為軌道平均粗糙度譜(用average表示)與磨耗后粗糙度譜(用grinding表示)的差值引起的輻射噪聲變化量，Lr,vehicle為車輪粗糙度水平；Lr,track為鋼軌粗糙度水平；符號i為某一定的頻帶；對于給定的車輪粗糙度和平均軌道粗糙度水平，利用直接測量法得到磨耗后的特定區(qū)段軌道粗糙度水平，并將其代入式(1)中，即可得到磨耗后特定區(qū)段與軌道平均粗糙度的噪聲差值ΔLp,grinding-average,i，因此輪軌噪聲的變化量與鋼軌表面粗糙度的變化存在著直接的關(guān)系。基于上述理論，假定知道同一軌道的A和B段之間的噪聲頻譜差異，則可得式(2)：

[ΔLp,A-B,i]indirect=(Lr,track,section A,i⊕Lr,vehicle,i)-

(Lr,track,section B⊕Lr,vehicle,i)

(2)

然后，將等式(2)代入等式(1)可得：

ΔLp,section A-average,i=[Lp,A,i-Lp,B,i]indirect+

[ΔLp,section B-average,i]direct

(3)

該方程給出了A區(qū)域輪軌滾動噪聲水平與參考點(diǎn)處平均鋼軌粗糙度的直接關(guān)系。在實(shí)際中，通常采用多個參考區(qū)間來衡量所測量的滾動噪聲水平的頻譜關(guān)系。利用最小二乘擬合變換，可以得到間接式測量噪聲水平。再用參考點(diǎn)上直接測得的粗糙度譜計算噪聲水平的關(guān)系如式(4)：

(4)

[ΔLp,reference m-average,i]direct)

(5)

2 輪軌粗糙度測量及結(jié)果分析

輪軌噪聲測試前需先對試驗(yàn)列車車輪粗糙度進(jìn)行測試，避免因?yàn)檐囕喐唠A多邊形等原因造成的測試誤差。車輪粗糙度測試采用接觸式測量方法，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 車輪粗糙度1/3倍頻程波長圖

輪軌噪聲測試前后需要對線路某一區(qū)段的鋼軌粗糙度進(jìn)行直接接觸式測量，實(shí)測的鋼軌表面粗糙度可用于間接式測試方法的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。本研究對武廣線下行線A區(qū)段的鋼軌表面粗糙度進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，測試分析結(jié)果如圖2所示。

3 鋼軌粗糙度間接測量法結(jié)果分析

3.1 鋼軌粗糙度測試結(jié)果有效性驗(yàn)證

輪軌噪聲測試完成后，通過對輪軌噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將A區(qū)段的鋼軌(左軌)表面粗糙度直接測量結(jié)果與間接式測量結(jié)果進(jìn)行對比，如圖3所示。測試結(jié)果表明：直接式和間接式測量結(jié)果在主要的波長處具有很好的一致性，部分波長的幅值約2 dB的差異，間接式測量在一定程度上能夠?qū)€路鋼軌粗糙度特征進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述。

圖2 鋼軌粗糙度1/3倍頻程波長圖

圖3 左軌粗糙度直接法與間接法對比圖

3.2 武廣線粗糙度地圖的繪制及分析

基于上述方法，利用CRH3C型動車組對武廣線上行區(qū)段進(jìn)行了全線路軌道狀態(tài)測量。采用LλCA值來表征軌道粗糙度變化對輪軌輻射噪聲的影響，該值與輪軌噪聲水平成正比。在給定列車速度和軌道粗糙度譜的前提下，LλCA值[7]計算方法如下：

其中：R(λ)為軌道粗糙度譜；

Λ(λ)=-alog(λ/λ0),λ0=5 cm,a=2.5 cm;

C(λ)為接觸濾波函數(shù)，如下：

通過對輪軌噪聲的初步分析，結(jié)合線路公里標(biāo)和GPS位置信息，在線路地圖上用不同顏色來直觀的表征上行線的鋼軌粗糙度狀況，廣州南至長沙區(qū)段如圖4所示。

從圖中可以看出顏色較深的區(qū)域表示鋼軌粗糙度引起的輪軌滾動噪聲輻射較大，此區(qū)間鋼軌表面粗糙度較大，相反顏色稍淺區(qū)域鋼軌粗糙度引起的輪軌滾動噪聲輻射小，此區(qū)間鋼軌表面粗糙度較小。從圖4中可以看出公里標(biāo)K1818附近區(qū)間的鋼軌粗糙度幅值偏大，最大值為88.9 dB，全線路的LλCA變化情況如圖5所示。

圖4 武廣線粗糙度地圖

圖5 廣州至長沙區(qū)段 指標(biāo)變化圖

圖6 K1818附近鋼軌粗糙度的1/3倍頻程

K1818附近鋼軌粗糙度譜如圖6所示，此區(qū)間鋼軌粗糙度水平與ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)軌面粗糙度水平標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行比較分析表明：此區(qū)間鋼軌軌面短波不平順的主要波長集中在160，80，25 mm左右范圍內(nèi)，各波長粗糙度水平均超出限值較多。

4 結(jié) 論

本研究搭載武廣線CRH3C型動車組，開展線路輪軌噪聲試驗(yàn)，然后對輪軌粗糙度進(jìn)行測試分析，運(yùn)用間接式測量方法對全線路鋼軌表面粗糙度進(jìn)行普查測試，分析武廣線鋼軌粗糙度譜。通過分析，得到如下結(jié)論和建議：

(1)直接式和間接式測量結(jié)果在主要的波長處具有很好的一致性，部分波長的幅值約2 dB的差異，在一定程度上能夠?qū)€路鋼軌粗糙度特征進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述。

(2)運(yùn)用間接測量方法對武廣線(廣州至長沙區(qū)間)進(jìn)行分析，LλCA指標(biāo)最大處為K1818附近，此區(qū)間鋼軌粗糙度譜與ISO 3095限值偏差較大，鋼軌軌面短波不平順的主要波長集中在160，80，25 mm左右范圍內(nèi)。

(3)間接式鋼軌粗糙度快速測量方法具有效率高、普查線路范圍長等特點(diǎn)，測量精度相較直接測量方法略低。通過對間接式測量和現(xiàn)場實(shí)測鋼軌粗糙度進(jìn)行對比，能夠更準(zhǔn)確的定位鋼軌粗糙度異常區(qū)段，對線路維護(hù)保養(yǎng)具有一定的意義。