基于實測數(shù)據(jù)的地鐵鋼軌波磨與振動相關性分析

方 家

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安 710043）

0 引言

鋼軌波磨是指鋼軌沿縱向表面出現(xiàn)周期性的、類似波浪形狀的不平順現(xiàn)象，是軌道線路上出現(xiàn)的一種軌頭表面缺陷[1]。鋼軌波磨的出現(xiàn)會改變輪軌之間原有良好的接觸狀態(tài)，從而加劇輪軌之間的作用力，這不僅會縮短鋼軌的使用壽命，還會對列車運行的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。所以早在1895 年[2]，人們就發(fā)現(xiàn)了這一問題，提出了鋼軌波浪形磨耗的概念，并對其產(chǎn)生的機理以及整治預防措施進行了相應的研究。劉學毅[3]對鋼軌波磨的形成機理進行了歸納和分類，并以此為基礎建立了“輪對黏滑振動—鋼軌不均勻磨損”的鋼軌波磨成因理論。王步康[4]等基于有限元法建模，研究了鋼軌波磨的產(chǎn)生機理及其特性。李霞、姜子清[5-6]等分別研究了城市軌道交通和高速鐵路這兩種不同類型鐵路鋼軌波磨的形成發(fā)展影響因素及其對應的整治措施。鐘碩喬[7]等通過建立車輛和軌道的耦合動力學模型研究了鋼軌波磨對車輛和軌道的動力學影響。谷愛軍[8]等研究了軌道扣件參數(shù)對鋼軌波磨的影響，并提出了相應的防控措施。金學松[9]等對多種線路類型鋼軌波磨的成因及整治措施等進行了總結歸納，并展望了該領域未來的發(fā)展方向。

從上述的研究現(xiàn)狀可以看出，鋼軌波磨是一個極為普遍且難以根治的軌道結構病害，無論是哪種類型的線路，都有產(chǎn)生鋼軌波磨的可能。但由于鋼軌波磨產(chǎn)生機理十分復雜、影響因素繁多，人們至今仍未對其成因機理及根治方案研究透徹。雖然人們未能完全攻克根治鋼軌波磨的難題，但近年來鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展，關于鋼軌波磨的研究也在不斷深入，不同類型鋼軌波磨的成因機理在逐漸被挖掘，在線路運維過程中也形成一些能夠較好預防并延緩鋼軌波磨產(chǎn)生的措施。在眾多養(yǎng)護維修技術中，鋼軌打磨作為鐵路工務部門應用極為廣泛的一種日常養(yǎng)護維修措施，能夠有效消除鋼軌波磨并預防延緩其產(chǎn)生、提升軌道結構的平順性、增強行車的穩(wěn)定性與安全性、延長鋼軌的使用壽命、降低振動和噪聲等[10]?；诖耍撐囊阅车罔F的實測數(shù)據(jù)為基礎，開展鋼軌波磨與地鐵列車經(jīng)過波磨區(qū)段的鋼軌振動相關性分析及研究，提出對于該條線路區(qū)間鋼軌波磨情況的評價方法和評價標準，為鋼軌打磨作業(yè)提供參考依據(jù)。

1 鋼軌波磨及振動加速度測試結果

選取某地鐵線路下行區(qū)段（K32+973~K33+625）為測試區(qū)段進行鋼軌波磨合鋼軌振動的相關性分析，該測試區(qū)段線路曲線半徑為650 m，軌道結構類型為梯形軌枕。首先對鋼軌波磨測試數(shù)據(jù)進行分析，圖1 為該測試區(qū)段的鋼軌表面不平順粗糙度級曲線，可以看出該測試區(qū)段的鋼軌波磨較為嚴重，其中曲線內(nèi)軌的鋼軌波磨較外軌更為嚴重，內(nèi)外軌波磨的特征波長均為63 mm，且內(nèi)外軌波磨的粗糙度級在特征波長63 mm 處超出ISO3095 標準限值20 dB 左右。

圖1 某地鐵下行區(qū)段K32+973~K33+625 鋼軌表面粗糙度級

選擇該測試區(qū)段K33+300 位置處作為鋼軌振動加速的測試斷面，并對該測試斷面的鋼軌振動測試數(shù)據(jù)進行分析，曲線內(nèi)外軌垂向、橫向振動加速度有效值如表1所示：垂向振動最大值出現(xiàn)在內(nèi)軌測點，其鋼軌振動加速度有效值為206.8 m/s2；橫向振動最大值出現(xiàn)亦在內(nèi)軌測點，其鋼軌振動加速度有效值為83.3 m/s2。結合鋼軌波磨測試數(shù)據(jù)分析，曲線內(nèi)軌鋼軌波磨程度較外軌更為嚴重，而地鐵列車運行至該曲線地段時，輪軌相互作用所引起的鋼軌振動加速度亦是曲線內(nèi)軌較外軌更大，可見鋼軌波磨會顯著提升鋼軌振動水平，且鋼軌振動水平會隨著鋼軌波磨嚴重程度的增加而提升。

表1 測試斷面振動加速度有效值統(tǒng)計

將鋼軌波磨區(qū)段K33+300 位置鋼軌振動加速度頻譜曲線以及1/3 倍頻程譜曲線整理如圖2~3 所示，可以看出：

圖2 鋼軌振動加速度頻譜曲線

圖3 鋼軌振動加速度1/3 倍頻程譜曲線

（1）鋼軌垂向振動頻譜主峰值在440 Hz 左右，鋼軌橫向振動主峰值在430 Hz 和460 Hz 左右。

（2）鋼軌振動加速度1/3 倍頻程譜曲線峰值在400 Hz，這說明振動的能量主要聚集在400 Hz 頻段。

（3）內(nèi)外軌垂向振動量值相當，內(nèi)外軌橫向振動量值相當，內(nèi)外軌振動能量頻域分布類似，鋼軌垂向振動能量大于橫向振動。

2 相關性分析

由于鋼軌波磨為鋼軌踏面的垂向磨耗，對垂向振動的影響更為明顯，而且垂向振動加速度量值較大，因此僅對垂向振動加速度和波磨的相關性進行分析，分析包括頻譜分布和量值2 個部分。頻譜分布相關性方面，根據(jù)鋼軌波磨產(chǎn)生的固定波長機理，系統(tǒng)共振頻率、列車車速度和鋼軌波磨的特征波長具備以下數(shù)學關系：

式中，f——共振頻率；v為車速；λ——波磨特征波長。該曲線實際運行速度為90 km/h 左右，而鋼軌波磨特征波長為63 mm，經(jīng)過計算鋼軌波磨激發(fā)的共振頻率在400 Hz 左右，這與現(xiàn)場實測得到的鋼軌加速度頻譜主峰值一致，因此可以認為400 Hz 附近的頻譜主峰值是由于63 mm 的鋼軌波磨激發(fā)引起的。

量值相關性分析方面，根據(jù)其他無波磨區(qū)段的振動加速度測試結果可知，軌道狀態(tài)良好無波磨的鋼軌振動加速度量值在100 m/s2以下，該波磨區(qū)段鋼軌振動加速度量值已經(jīng)大于200 m/s2，認為目前需要進行鋼軌打磨。其主要原因是過大的鋼軌振動會加速軌道部件的疲勞和傷損，引起彈條斷裂等病害。因此，鋼軌振動加速度量值可以作為評價鋼軌波磨是否需要打磨治理的間接參量。

3 結論

某地鐵線路下行區(qū)段（K32+973~K33+625）鋼軌波磨情況較為嚴重，為此對該區(qū)段進行鋼軌波磨測試，并選取測點測試列車通過時的鋼軌振動情況，分析其相關性，得到如下結論：

（1）鋼軌振動加速度頻譜中400 Hz 附近的頻譜主峰值是由于特征波長為63 mm 的鋼軌波磨激發(fā)引起的。

（2）鋼軌波磨會顯著提升鋼軌振動水平，且鋼軌振動水平會隨著鋼軌波磨嚴重程度的增加而提升，可以將鋼軌振動加速度量值作為評價鋼軌波磨的間接參量，用以輔助確定是否需要進行鋼軌打磨作業(yè)。