地鐵線路鋼軌波磨對車輛振動特性的影響

劉毅

摘要：近年來，我國的地鐵工程建設的發(fā)展迅速，隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，各城市的地鐵線路不可避免地出現(xiàn)了不同程度的鋼軌波磨。鋼軌波?磨的存在會導致車輛軌道結構劇烈振動，產生噪聲，影響車輛和軌道結構的使用壽命。通過對高速動車組進行現(xiàn)場振動測試，研究了高速動車組各部件間?的頻域響應特征和動車組車輛系統(tǒng)振動傳遞特性。表明在剪切型減振器扣件內增設橡膠墊塊可有效地控制鋼軌波磨發(fā)展，并起到部分消減鋼軌波磨的作用。通過測試地鐵車輛通過波磨軌道時的車輛各部件的振動特性，分析了鋼軌波磨對車輛動態(tài)行為的影響。

關鍵詞：地鐵線路鋼軌波磨;車輛振動特性;影響

引言

鋼軌波磨是指鋼軌表面沿縱向出現(xiàn)周期性、類似波浪形狀的不平順現(xiàn) 象 ，是 出現(xiàn)在軌面 的一種表面缺陷 。按 照波長 區(qū)分 ，波磨可以分為 25mm～80mm 的短波長波磨和 100mm 以上的長波長波磨。重載鐵路出現(xiàn)的 波磨一般為長波長波磨。按照磨耗類型區(qū)分，波磨可以分為磨損型波磨、 塑流型波磨和混合型波磨等。

1 典型軌道上的車輛振動特性

普通短軌枕軌道結構是鋪設地鐵線路時常用的軌道結構，為研究普通 短軌枕上鋼軌波磨對車輛振動特性的影響，對車輛通過普通短軌枕軌道時?車輛各部件的垂向振動加速度數(shù)據進行分析。振動從軸箱向車體地板傳遞?的過程中，垂向振動加速度有效值呈先增大后減小的趨勢。振動能量由彈?簧座經一系懸掛彈簧系統(tǒng)傳遞到構架，數(shù)值衰減了 58.96%。由一系彈簧上 方構架左經過二系懸掛彈簧系統(tǒng)傳遞到車體地板，振動能量衰減了 92.54%。由此可見輪軌系統(tǒng)振動在向車輛各部件傳遞的過程中，二系懸掛系統(tǒng)起到?了較大的衰減振動能量的作用。車輛通過 400mm 波長的波磨區(qū)域時，軸箱 在 40～80Hz 附近的振動明顯，振動能量從軸箱、彈簧下方座經由一系懸掛?系統(tǒng)傳遞至構架，導致構架在該頻率附近振動顯著，隨后振動能量進一步?通過二系懸掛系統(tǒng)傳遞至車體地板，導致車體地板在 40～80Hz 頻段振動略?大。而車體地板在 110～200Hz 的垂向振動水平最明顯，該頻段與輪軌不平?順激勵的頻率不相關。

2 鋼軌波磨發(fā)展機理

鋼軌波磨的發(fā)展機理可分別從固定波長機理和損傷機理 2 方面闡述。對于固定波長機理而言，小半徑曲線地段設置超高和列車實際運行速度的?不匹配，將更加容易導致輪軌系統(tǒng)的自激振動，進而使鋼軌在自激振動作?用導致的額外載荷作用下形成波浪狀不平順。對于重載線路的波磨損傷機?理而言，在波磨形成過程中，同時具有塑性流動與磨耗。在鋼軌材質及屈?服強度等不變的條件下，更大的外載荷作用將使鋼軌表面更容易發(fā)生塑性?流動與磨耗，更大的垂向力、橫向力及蠕滑率將導致磨耗現(xiàn)象的加劇。因?此，在重載列車通過小半徑曲線波磨地段并激發(fā)摩擦自激振動時，更大的?垂向力、橫向力及蠕滑率將使鋼軌波磨發(fā)展更加快速，并且在額外的載荷?作用下，鋼軌表面更容易出現(xiàn)裂紋和剝離掉塊現(xiàn)象。這將進一步降低鋼軌?的力學性能，使鋼軌塑性流動現(xiàn)象更容易發(fā)生，并且進一步加劇塑流型波?磨的發(fā)展。以上計算結果表明，目前線路普遍存在的過超高現(xiàn)象增加了曲?線內軌垂向力、橫向力、橫向蠕滑率和沖角，是線路小半徑曲線地段波磨?病害發(fā)展周期較短的原因之一。在現(xiàn)場，當鋼軌波磨現(xiàn)象較為嚴重時，為?了保障線路運輸安全，采用了降速運輸?shù)炔呗浴６F(xiàn)場的線路超高均是按?照線路設計速度而計算設置的，較低的車輛速度反而導致過超高更為嚴重。傷損相對嚴重的曲線內側鋼軌受力明顯大于外側鋼軌，并處于一種惡性循?環(huán)狀態(tài)中。這樣，進一步加速曲線內軌表面鋼軌波磨、疲勞裂紋、塑性流?動等病害產生，并加速諸如鋼軌扣件、軌枕及道床等相關病害的產生。

3 整體道床軌道導納特性與波磨關系

3.1 整體道床軌道模態(tài)分析

由此可知，整體道床無砟軌道的軌下基礎幾乎不參與振動，前 12 階振 型為鋼軌的橫向彎曲變形，從第 13 階開始以鋼軌的垂向彎曲變形為主，其 中第 16 階振型伴有鋼軌的橫向彎曲。

3.1.2 輪對模態(tài)分析

對城市軌道交通 B 型車的輪對進行自由模態(tài)分析，即不加任何外部約 束，使其具有與動力學模型相同的自由度。與軌道系統(tǒng)模態(tài)分析方法相同，最終得到輪對在 0～2000Hz 范圍內的固有頻率及其對應的振型。輪對的振動形式有徑向振動、軸向振動、徑向彎曲和軸向彎曲等。

3.2 整體道床軌道導納特性分析

為全面反映鋼軌的振動特性，計算 0～10000Hz 頻率范圍內的垂向和橫?向鋼軌位移導納，計算步長為 1Hz。對于整體式道床軌道系統(tǒng)。鋼軌在不?同頻率下均會產生振動，其中有 2 種典型的振動形式，對應各個導納峰值：鋼軌共振和 pinned-pinned 共振。鋼軌共振頻率即導納圖中的第一個峰值對?應頻率 180Hz。鋼軌 pinned-pinned 振動是指支撐于兩根軌枕之間的鋼軌受?到激勵后產生的縱向機械波，其駐波節(jié)點剛好在軌枕處。第一個峰值之后?的各個峰值均屬于 pinned-pinned 振動，其頻率主要有 1100、3160、5138?和 7800Hz。其振動特性與重型鋼彈簧軌道結構的鋼軌類似，有 2 種典型的?振動形式：橫向鋼軌共振和橫向 pinned-pinned 共振，并且在 190～508Hz?頻率范圍內持續(xù)震蕩，存在一系列導納峰值，此頻段的振動與線路的短波?長波磨關系密切。在列車運行過程中，整體式道床軌道系統(tǒng)的鋼軌振動響?應峰值頻率主要有 104、180、190、212、238、263、294、326、360、405、 434、471、508、684、842 和 1100Hz 等，在這些頻率下，鋼軌的動力響應?更加劇烈，可能由此產生更加嚴重的鋼軌磨耗。結合軌道系統(tǒng)和輪對模態(tài)?分析結果，在列車運行過程中容易發(fā)生劇烈的輪軌共振而造成嚴重磨耗的?頻率主要有 263、358、405 和 471Hz。進一步結合城市軌道交通的波磨現(xiàn)?場實測數(shù)據，在線路區(qū)段處，其現(xiàn)場工程情況條件與所建立的整體道床軌?道三維實體有限元模型相同，經過現(xiàn)場測試數(shù)據處理和分析，得到其波磨?特征波長為 40 和 200mm。此區(qū)段列車的實際運營車速為 50km/h，短波波?磨的特征波長 40mm 對應頻率約為 347Hz?？紤]到實際運營過程中的車輪?輪對的附加質量，相同振動形態(tài)下輪軌系統(tǒng)的動力響應頻率應略低于軌道?系統(tǒng)本身在外界單獨激勵下的振動頻率，因此該線路的短波波磨對應的鋼?軌振動頻率應約為 358Hz。此頻率下鋼軌和輪對的振動形態(tài)以橫向振動為?主，也就是說，鋼軌在 358Hz 下的橫向彎曲變形是此區(qū)段線路產生特征波?長為 40mm 波磨的主要原因。通過采取減振措施，重點抑制輪軌系統(tǒng)在?358Hz 處的橫向振動響應，降低鋼軌在此頻率的振幅，可以降低對應波長?的周期性鋼軌磨耗，進而抑制波磨的產生和發(fā)展。

結語

由于鋼軌打磨沒有完全消除波磨，因此打磨前后車輛軸箱和構架的垂 向振動峰值頻率與對應的波磨通過頻率一致;鋼軌打磨后兩者的垂向振動 水平明顯小于鋼軌打磨前;在鋼軌波磨沒有消除的情況下，鋼軌打磨對車 體振動特性的影響不明顯。

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