城市轨道交通钢轨波纹磨耗成因的探讨

1城市轨道交通钢轨波纹磨耗成因的探讨DiscussionontheCauseofRailCorrugationinUrbanRailTransit1引言随着我国城市轨道交通建设的飞速发展，城市轨道交通已逐步成为城市中振动及噪声的主要污染源。由于轨道结构是振动传播的重要环节，因此环境影响评价中对于振动及噪声超标的敏感点，一般均要求在轨道结构上采取减振措施，以谋求线路开通后周边建筑物的振动及噪声满足要求。在各类减振轨道结构中，扣件减振是最经济、最方便施工、最便于养护维修及更换的减振措施，国内外城市轨道交通中均有采用。然而在对我国新开通的城市轨道交通线路调研中，发现采用减振扣件的一些区段出现了类似高铁线路上的钢轨波纹磨耗问题（以下称为钢轨异常波磨问题），波长为60mm左右，并伴随有轮轨啸叫声。城市轨道交通中因减振带来的异常波磨问题已逐渐成为当前轨道结构领域亟待解决的问题及研究热点。2钢轨波纹磨耗的定性分析为全面掌握北京地铁钢轨异常波磨的情况及分布规律，课题组对钢轨波磨情况进行了系统、深入调研，并对发生波磨地段的长度、波磨特征、里程、车辆速度、线路条件、减振扣件类型等进行了详细统计，整理了详实的基础数据资料，并在此基础上对波磨的分布规律进行深入的总结分析[1]。2.1异常波磨的主要特点及定性分析纵观国内外钢轨波磨成因的理论，大体分为动力类成因和非动力类成因两大类，动力类成因指钢轨波磨是轮轨系统动力作用的结果，非动力类成因主要从钢轨材质、冶炼、加工工艺等方面解释波磨的成因。对于五号线钢轨异常波磨的成因，主要就以下几方面的特点进行定性分析,见表1。此外，对于扣件刚度对波磨的影响问题，从既有文献来看，一般认为降低轨道刚度对于减缓波磨有利[5，6]，但地铁工程的实践表明，扣件刚度的降低虽增加了轨道弹性，但反而更易引起钢轨波磨。扣件刚度对波磨的影响，有以下几方面。一方面，扣件刚度的降低使得轨道变形加大，轮轨接触面积随着增大，因此轮轨接触应力有所降低，有利于减缓钢轨波磨；另一方面，扣件刚度的降低将导致在动荷载作用下钢轨更易发生弯曲振动，故易导致钢轨异常波磨产生；再者，为降低扣件刚度，需对垫板的材料配方、几何参数等进行设计，刚度调整的同时将使得扣件系统的阻尼特性发生改变。相关测试结果表明，扣件刚度的降低可能导致其高频下的阻尼值降低较多，导致轮轨接触界面振动加剧，加速异常波磨的产生[1]。这可能是目前已开通线路上各种减振扣件地段的波磨程度差异较大的主要原因之一。因此，扣件刚度调整是否会导致波磨的产生是各种因素综合作用的结果，不能仅从扣件刚度的大小直接判定是否易导致钢轨异常波磨产生。3动力仿真分析在以上定性分析的基础上，通过建立车辆/轨道系统动力仿真模型，从轮轨垂向振动理论的角度，通过对轮轨系统的随机响应振动特性进行动力仿真计算，以对钢轨异常波磨的成因进行理论分析。目前在诸多钢轨波磨成因理论中，轮轨垂向振动理论认为轮轨接触频率与钢轨波磨有直接关系[5]。因此动力仿真分析主要通过计算能反映轮轨相互作用状况的轮对加速度频谱特性来评估轮轨接触作用与钢轨波磨形成的相互关系问题。影响因素主要考虑扣件刚度、扣件阻尼及车辆速度。仿真分析中车辆采用B型车，轨道不平顺采用随机不平顺激扰，钢轨为60kg/m钢轨。车辆速度除有特别说明之外均为70km/h。3.1.1扣件刚度的影响摘要本文在对北京地铁部分线路钢轨波纹磨耗问题进行系统调研及定性分析的基础上，通过建立车轨动力仿真模型，对扣件刚度、阻尼及车速与钢轨波纹磨耗的关系进行了动力仿真分析，并提出相关建议，为既有线整治及新线预防提供参考。关键词城市轨道交通钢轨波纹磨耗成因分析动力学Abstract:Thispaperhasmadeadynamicsimulationanalysisbasedonthecorrugationprobleminsomemetrolinestomakeasystemresearchandanalysis,throughestablishingvehicleraildynamicsimulationmodeltoanalysisfasterstiffness,dampingandrelationbetweentrainvelocityandrailcorrugationtoproposeadvicesforthereferencesoftheexistingmetrolineandnewconstructionline.Keywords:UrbanRailTransit;RailCorrugation;CauseAnalysis;Dynamics2表1北京地铁部分线路钢轨异常波磨成因的定性分析图1不同垂向扣件刚度下垂向轮对加速度功率谱密度比较图2不同横向扣件刚度下横向轮对加速度功率谱密度比较由图1、图2可见：（1）本刚度计算范围内，不同扣件刚度下轮对垂向加速度在300Hz附近均存在轮轨接触共振峰值。表明无论在一定的车辆速度条件下（本计算中车辆速度为70km/h），轮轨接触界面可能激起在300Hz附近垂向振动的峰值，且扣件刚度为10kN/mm时300Hz附近突起较大，表明扣件刚度较低时对于300Hz的高频振动更为敏感，与相关文献一致[4]。另就幅值大小而言，扣件垂向刚度为50kN/mm时的轮对加速度较大，主要原因是轨道刚度较大，导致轮轨接触力较大，这与相关文献的结论一致[7]。（2）不同横向扣件刚度下加速度功率谱密度基本一致，表明横向轮轨力主要集中在较低频段范围内，与相关文献一致[4]。这进一步验证了轮轨在200~300Hz附近共振的成因主要应从轮轨垂向振动理论的角度予以解释。（3）车辆速度为70km/h条件下，若此共振频率引发钢轨波纹磨耗的产生，则对应的钢轨波长应为63mm，这与目前减振扣件地段发生的异常波磨波长基本一致，表明减振扣件地段钢轨异常波磨的产生与轮轨接触共振有密切关系。另需说明，本文建立的模型未考虑轮对的弹性变形，相关车辆厂反馈的车辆参数中，轮对的二阶弯曲及扭转振动一般在200～350Hz，与此振动频率较为接近，易产生共振问题，这进一步加剧了200~300Hz附近的振动。3.1.2扣件阻尼的影响图3不同扣件阻尼系数下垂向轮对加速度功率谱密度比较由图3可知：（1）在同等速度条件下，扣件阻尼的改变虽对轮轨接触高频振动的频率值无影响，但阻尼的提高特点定性分析地下线采用DTⅥ2型扣件及高架线采用DTⅦ2型扣件的地段无波磨产生，产生波磨的地段几乎位于减振扣件地段。波磨主要与轨道结构形式有关，与钢轨材质关系不大，因此五号线波磨的成因应着重从动力类成因方面予以解释，也即与减振扣件地段的轮轨相互作用特性密切相关，钢轨的材质不应是主要原因。发生异常波磨的减振扣件地段中，直线及曲线均有，调研结果中为发生波磨的比例从高到低依次为：R＞800m曲线（35%）、400＜R≤800曲线（32%）、R≤400m曲线（28%）、直线（12%）波磨的发生与直线或曲线并无对应关系。钢轨波磨主要与垂向振动有关，即应采用轮轨系统垂向振动理论予以解释，而轮对横向及扭转振动主要是曲线地段波磨更为严重的原因。垂向振动理论强调波磨波长与轮轨垂向振动频率存在对应关系，因此与车速也密切相关【2】。钢轨波磨基本发生在列车以60～70km/h速度匀速运行的区段，制动及加减速地段基本无波磨，且尚未发生钢轨波磨的减振扣件地段，轮轨作用主频测试结果在200~300Hz附近。列车以相同速度通过某一区段时，将产生与轮轨振动频率相一致的波长。另外，研究表明列车速度越高，越容易激起轮轨系统的高频振动（可称为赫兹接触高频振动），导致钢轨波纹磨耗的产生【3,4】。减振扣件地段的模态阻尼测试结果表明高频振动下（150Hz以上）的扣件阻尼偏低。阻尼主要的作用在于“削峰”，较大的阻尼可降低轮轨动载，延缓波磨的发生及发展，因此阻尼较小可能加速波磨的形成【5】。3对幅值有“削峰”作用，中主要体现在在低频（本计算在25Hz以下）及较高频段（300Hz以上）。（2）扣件阻尼的降低将导致轮轨振动加剧，本计算中表现为低阻尼条件下的功率谱密度曲线与高阻尼相比，在17Hz及100Hz附近出现了较为明显的尖峰，不如高阻尼条件下的功率谱密度曲线平滑。目前对于不同扣件模态阻尼对比测试的结果表明，减振扣件在150Hz以上的阻尼值偏小，此结论也说明阻尼值偏小将导致钢轨振动加剧，这可能是导致钢轨波磨的主要原因。因此，在今后扣件的设计及使用中，对于扣件阻尼的测试应引起重视，并需研究制定相关技术标准。3.1.3车辆速度的影响图4不同车辆速度下垂向轮对加速度功率谱密度比较由图4可见：（1）不同速度条件下，轮轨接触共振频率的数值有明显变化，车辆速度为70km/h时在300Hz附近，50km/h时在200Hz附近，30km/h时在120Hz附近（此处的尖峰已不明显）。（2）随着车辆速度的降低，轮轨赫兹接触高频振动的功率谱密度幅值有所降低，表明车辆速度的降低将使得轮轨相互作用程度有较大减缓。本计算中当车辆速度由70km/h降低至50km/h及30km/h时，轮轨共振处的功率谱密度幅值分别降低了60%及69%。由此可见，车辆降速运行或将区间行车速度离散化对于延缓钢轨异常波磨的产生将起到良好效果，既有相关文献也持此观点[6]。4结语轮轨接触共振导致的钢轨波纹磨耗，应从车辆、轨道的动力性能、轮轨频率规划等方面综合分析。本文是在假定车辆参数不变条件下，从轨道设计参数的角度进行的研究。本文在对减振扣件地段钢轨异常波磨进行系统、深入调研基础上，结合目前既有的钢轨波磨研究成果，对钢轨波磨的成因进行了定性分析，并在此基础上通过建立车轨动力仿真模型，对钢轨异常波磨的成因进行了理论分析。主要结论为：（1）北京地铁钢轨异常波磨主要与轮轨接触共振有关，轮轨接触共振将导致钢轨波纹磨耗产生。车辆在较高速度下匀速运行时将激起轮轨接触的高频振动，车辆速度为70km/h下的振动频率为300Hz，对应波长为63mm，与减振扣件地段的波长基本一致。此外，轮对的二阶弯曲及扭转振动一般在200～350Hz，与轮轨接触高频振动频率较为接近，易产生共振现象，进一步加剧300Hz附近的高频振动，加速波磨的形成。（2）扣件刚度的适当调整对于轮轨接触共振的频率值影响较小，低刚度扣件更易激起轮轨接触共振。扣件刚度调整的同时将引起扣件阻尼特性的变化，进而对波磨的形成有所影响。因此在今后减振扣件设计中应重视对扣件阻尼设计与测试，并研究制定相关技术标准。（3）车辆速度的降低不仅可有效改变轮轨接触共振的频率值（也即避开目前钢轨异常波磨对应的300Hz频率），同时将有效较低轮轨相互作用，有利于延缓异常波磨的发生，但是对于地铁运营没有的可实施性。此外，基于此结论，区间行车速度离散化或分时段、分地段不采用均一速度运行对于防止钢轨波磨的产生可起到良好效果。钢轨波磨的成因复杂，理论繁多，是一个世界难题。本文仅是针对目前北京地铁钢轨异常波磨问题做了一些探索性研究。钢轨异常波磨的成因问题需通过进一步开展多方面工作进行研究，如理论研究的深化（如轮对系统动力分析模型的细化，非动力类成因研究的开展等），在多条既有线上开展广泛深入的现场测试及统计分析，有针对性地建立试验平台进行室内测试（如针对对各种扣件的模态阻尼测试等）等。参考文献[1]北京城建设计研究总院有限责任公司.北京地铁5号线钢轨波磨调研报告[R],2010[2]AhlberkDR,DanieslLE.InvestigationofRailCorrugaionontheBaltimoreMetroWear,1991,144:197-210[3]范钦海.轮轨中低频相互作用与钢轨波浪形磨耗[J],中国铁道科学,1997,18(3):55-65[4]翟婉明.车辆－轨道耦合动力学（第二版）[M].中国铁道出版社,北京,2001[5]刘启跃,刘钟华,王夏鍫.沪杭线钢轨波磨成因分析[J],西南交通大学学报,1990,(3):23-29[6]刘学毅,印洪.钢轨波形磨耗的影响因素及减缓措施[J],西南交通大学学报,2002,3