地铁曲线段不规则磨耗引起的钢轨波磨监测

P.T.Torstensson J.C.O.Nielsen

(查尔姆斯理工大学 瑞典 哥德堡)

马蒙译

(北京交通大学 北京 100044)

1 研究背景

在新建或近期建设的铁路钢轨运行表面,存在着小幅值的粗糙度(不平顺)以及较宽的波长。当承受车轮碾压时,这种粗糙度会由于不规则的磨耗发展成为幅值较大、具有明显波长的周期性不平顺,就是所谓的钢轨波浪型波耗或“波磨”。波磨会导致振动和滚动噪声级的加剧,并会损害铁路轨道和车辆。世界上大部分铁路路网都曾出现过钢轨波磨问题,但波磨发展的特性却因地而异。Grassie和Kalousek研究认为,是主要因素的波长固定机制和不同的破坏机制可以解释这种差异[1]。20世纪初,波磨问题首次见诸于报端,此后这方面的文献不断出现[2]。要了解更多的发生在地铁极小半径曲线(锐曲线)上的钢轨短波波磨特殊问题,可以找到大量的参考文献。这种类型波磨的共同特点是:波磨最初出现在内轨,并随着曲线半径的减小而恶化。

近期日本学者做过一些研究,Suda等在东京地铁山手线进行了全面测试,并宣称在半径R＜300m的曲线段上观测到了50～150mm波长范围内的波磨加剧。这种波长固定机制被认为是由于法向接触压力波动造成的黏滑行为。

由于观察到波磨槽产生横向塑性流动,通常假定波磨的发展主要由横向蠕变力和主要轮对的横向蠕动引起[3]。Matsumoto等进行了数值模拟,可以支持波长固定机制的猜想[4]。负摩擦特性(如摩擦随滑动增加而降低)可以在轮轨接触处产生黏滑摆动,是推断范库弗峰快轨系统开通不久即产生波磨问题的重要原因[5]。在锐曲线,即使是无动力轮对的蠕变力,也能够超过有效摩擦的饱和极限[6]。尤其是当轮对中的一个车轮完全滑动而另一个车轮保持不动时,微小牵引引起的黏滑行为也会加剧波磨的形成[7]。

一项对美国5条不同地铁出现短波波磨的调查表明,波长固定机制与传动机构在反相位旋转处驱动轮对的第二扭转模态相关。文献中提到的波磨主要存在于锐曲线内轨一侧,并位于列车加速或制动的区段[8]。

在多数情况下,控制波磨的原则性方法是打磨钢轨。然而,通过润滑和将摩擦力调整为较小的最大蠕变力,可以成功地处理波磨并抵消黏滑作用[3-4,9]。此外,在许多情况下,当轮对的扭转动力形成波长固定机制时,改变轮对的扭转特性可能会缓解波磨的发展[8]。

本研究基于现场测试,属于“预测曲线段轨道波磨加剧的数值工具”项目的一部分,结合了高频轮轨相互作用模型和Archard磨损模型。在短波波磨情况严重的斯德哥尔摩地铁上,选取一条半径为120 m的曲线,重复测试钢轨粗糙度和列车通过时的噪声。在这里,较高的噪声级使乘客有不适感,造成地铁沿线的居民向斯德哥尔摩城市交通局投诉,每年用于地铁轨道打磨的费用(包括除轨道波磨外的其他打磨)高达120万美元(以2008年货币值计算)。在斯德哥尔摩,交通局所属的地铁轨道网总长度达到465 km。

2 测试地点

2.1 交通状况及轮轨系统特性

轨道由连续焊接的BV50无缝钢轨组成,钢轨采用350HT级钢、单位质量50 kg/m,道砟路基倾斜度1∶40。在间隔60 cm的整体混凝土轨枕上,安置潘得路垫板和先锋扣件(Pandrol fastening)。轨道规格为1435 mm,曲线段无轨距加宽。在南、北两段边界处,两条轨道铺设在同一路基上。为减少外轨面磨耗,在进入曲线时,运用了低黏性油和被动润滑物。

该处轨道的几何布置很复杂,有几条彼此近距离连接的锐曲线。在曲线北面约300 m,有一座地铁车站;在被测曲线南边,有一条20 m长的反向曲线,其半径为110 m,由南向北爬坡坡度约为30.0‰。被测曲线长为120 m,圆半径为120 m,由南向北的爬坡坡度约为5.5‰,外轨超高为9 cm。缓和曲线的曲率和坡度线性变化,测试轨道在地表以上。

斯德哥尔摩地铁交通主要使用的是Bombardier运输公司生产的 C20车辆。一列C20小型列车由2～3个47 m长的车组组成,每一个车组都是半拖车,由配备两个转向架的中间车和配备一个转向架的双铰链端车组成,估算轴重低于12.5 t。所有的轮对和牵引发动机连接,电动力牵引发动机同时作为动力制动装置。从车速约10 km/h到停止,踏面制动提供额外制动力。采用S1002型号、带有31.5 mm轮缘厚度的车轮,轮对钢材型号为B88,这与EN13262标准列出的EN R8T材料相似。在关注的曲线段上,车速约为30 km/h,每年列车单向通过次数约为8万次。

2.2 测试安排

图1为轨道几何示意图,并标注有测点的位置。在100 m长的轨道范围内,同时测试了内轨和外轨的粗糙度和钢轨断面。其中,钢轨断面测试位置选取6个等距点(P0～P5)。为了获得足够的测试结果,在内轨选取5 mm横向分割的7条纵向线段测试其粗糙度。由于外轨没有出现波磨,仅选取15 mm横向分割的3条纵向线段测试其粗糙度。在车辆北向行驶的轨道处测试噪声,并尽可能与ISO 3095标准保持一致[10]。传声器的位置距离轨道中心线7.5 m,高于轨顶面标高约1.2 m。选取与噪声测点纵向位置相近的测点(P2)来测试车速和摩擦,摩擦同时在轨顶面和内侧表面上进行。另外,还在轨面测点位置测试温度和湿度(见表1)。

图1 测点及轨道几何示意图

为了测试波磨发展的不同状态,在钢轨打磨后(2007年12月)即实施测试,并持续到下一次钢轨打磨的前几天(2008年12月)。用切向打磨石进行例行打磨,消除最大幅值为0.15 mm(峰- 峰值)的短波波磨,并让7个粗糙度测试段的打磨间隔为1年。在钢轨打磨后的下列月份进行测试 ,0- 、0+、1、2 、4 、6、9 、12(0- 和0+分别代表直接打磨前后的测试);在钢轨打磨后的第4、6、9个月,进行噪声测试。

表1 测点位置

3 测试仪器

用波磨分析台车(CAT,corrugation analysis trolley)测试粗糙度[11],这是一套手动操作的测试纵向钢轨不平顺的装置,可测波长范围10～3000 mm。用竖向加速度计进行信号积分获取钢轨不平顺,其中加速度计安置在轨上滚动的硬钢珠球上。另一个涂胶的车轮用于确定台车的纵向位置,并触发采样;采样距离设为1 mm,通过USB接口将数据与电脑相连;测试数据的后处理由Matlab软件完成。

噪声测试采用Brüel＆Kjaer 4190型号扩音器,并经Brüel＆Kjaer4231型校准器(1 kHz时 94 dB)校核进行 。在钢轨上,安置相互距离约3 m的两个感应器来测试车速。在笔记本电脑上,运行Audacity软件来进行多通道噪声和速度记录。另外,运用摩擦计Tribometer[12]测试摩擦,运用微型断面测试工具Miniprof[13]测试钢轨横断面。

4 测试结果

4.1 波磨的逐渐发展

根据CAT在前一次轨道打磨前的测试(完全排除既有波磨的影响),曲线段上早期波磨波长在4～14 cm之间。产生的噪声频率与粗糙度波长关系为f=v/λ(v是列车车速,m/s;λ是波长,m)。当曲线段上车速约为30 km/h时,产生的相应滚动噪声频段为60～200 Hz。为了说明粗糙度增长率随时间的变化,图2(a)绘制了单位波磨波长段的粗糙度均方根值(RMS),而图2(b)显示了噪声测试时对应频段的声压级。其中,(a)为带通滤波波长4～14 cm、100 m轨道上内轨的粗糙度均方根值与钢轨打磨后天数,(b)为带通滤波频率60～200 Hz时距离北向行驶轨道中心线7.5 m处的声压级与钢轨打磨后天数。

可以看出,北向行驶轨道的粗糙度超过了南向行驶轨道的粗糙度。两条内轨的粗糙度均方根值在打磨后40天之内都保持一致,此后的发展有所不同。两条内轨的粗糙度增长率都随时间增加,直到打磨300天之后仅有有限的附加粗糙度值增加。可惜由于第二次打磨在2008年12月进行,因此无法追踪此后的变化趋势。在图2(b)中值得注意的一点是,在打磨后139～300天期间,滚动噪声增加了4.9 dB。

轮轨接触条件很大程度上受轮轨接触面匹配的影响,图3显示了在120 m被测轨道上采用Miniprof系统测试出的内轨、外轨磨损(以及可能出现的塑性变形)程度和位置。这里,采用BV50标准轨(50 kg/m),倾斜1∶40,钢材等级350HT,外轨使用润滑油。

图2 粗糙度增长率随时间的变化

图3 打磨前后钢轨断面测试结果

由图3(a)可以看出,内轨在打磨后恢复到与标准断面吻合良好的状态。为了减少滚动接触疲劳,将外轨打磨成偏离标准断面的形式,减少轮轨接触应力(减少角部尺寸),见图3(b)。对比打磨后7天和194天的内轨断面,钢轨顶部磨损带的发展十分明显。在打磨前,磨损带宽度超过3 cm。在本次测试过程中,没有监控车轮轮廓的磨损状况。

通过肉眼观察测点,可以清晰地看到短波波磨沿曲线在不同区段处的变化。为跟踪观测,CAT测试数据加1 m的窗,对粗糙度级进行带通滤波,被评估的波长范围为4～14 cm,见图4。在FFT分析中,运用采样长度为512的不重叠汉宁窗。其中,(a)为P2点记录的北向行驶列车车速,(b)为4～14 cm波长范围内粗糙度级与打磨前(蓝色线)、打磨后40天(绿色线)、打磨后194天(红色线)、打磨后363天(黄色线)北向行驶的轨道纵坐标。

图4 粗糙度测试结果

如图4(a)所示,北向行驶的大部分列车在通过该区段时加速运行,且纵向牵引级别较高。如图4(b)所示,粗糙度级沿测试曲线变化很大。打磨后40天沿钢轨的粗糙度相对一致,且粗糙度级较低。打磨后194天的粗糙度级明显增加,尤其体现在曲线末端(纵坐标＞50 m)。打磨后363天沿曲线的粗糙度级变化与打磨后194天相似,主要体现在增加的幅度上。对比打磨前和打磨后363天(约1年)的情况,发现沿曲线的粗糙度级并不一致。因此,测试钢轨打磨前后的波磨型式并非完全相关。

4.2 波磨特性

图5是南向和北向行驶的、内轨所测所有曲线平均1/3倍频程谱的粗糙度级。

图5 内轨测试的1/3倍频程谱粗糙度级

从图5中可以观察到,粗糙度级随时间快速增加,直至打磨300天后停滞。打磨痕迹外观在波长小于2 cm时具有明显的峰值,然而这些痕迹逐渐消失,可以从波长随时间的减小看出。两条轨上4～14 cm波长范围内的短波波磨都进一步发展,波长约5和8 cm处可以识别出两个峰值,尽管南北向行驶的两轨峰值有明显区别。

图6的三视图和平面图说明了波磨型式的方向性,此处粗糙度的带通滤波的波长范围是3～9 cm,图中显示了发展的波磨只在纵向有方向性。

图6 北向行驶轨道上的粗糙度测试数据

4.3 车辆通过噪声

轨道不平顺是造成滚动噪声的重要激发因素。当被测车速约为30 km/h时,粗糙度级谱在5和8 cm处(见图5)的峰值被认为与被测噪声谱在167和104 Hz时的峰值分别相一致。在外轨轮廓面上,使用润滑油来减少磨损的产生。为了研究润滑剂在产生噪声处的影响,分别在润滑过和未润滑的钢轨上进行测试。然而,比较噪声谱,没有观察到明显的影响。图7为7辆列车1/3倍频程带宽上的声压级谱。

大约与两个不同的短波波磨波长相对应,峰值近似位于80和200 Hz(见图7(a))。此外,可以观察到不同车辆的声谱在约1 kHz的范围内相似。因此可以看出,运行车辆的个体差异(包括车轮磨损、乘客荷载、车速等)在中低频段范围内并不影响噪声的产生。在频率约大于1 kHz时,不同车辆间的噪声谱开始不同。由于啸鸣噪声在8 kHz时有明显的峰值,因此上述结论在干燥测试时尤其明显(见图7(a))。在高频范围内(1 kHz以上)比较两谱,可以观察到在产生啸鸣噪声(轮轨接触面)处湿度有较大影响。与干燥条件相比,测试的声压级非常低。

图7 列车的1/3倍频程声压级谱

5 结语

在斯德哥尔摩地铁一条半径120 m的锐曲线(位于地面上)上,笔者监测了钢轨粗糙度的发展,以及车辆经过时噪声的产生。曲线上车速约为30 km/h,波磨在内轨发展。

基于测试数据的谱分析发现,在4～14 cm波长范围内,北向、南向行驶轨道上粗糙度级均很大,峰值约在5和8 cm处,短波波磨形成的方向单纯沿曲线纵向。通过分析4～14 cm波长范围内的粗糙度级随时间的变化,发现粗糙度增长率随打磨后天数的增加而增加,直到打磨后的300天,此后仅有少量附加粗糙度增长。在测试打磨后的4.5～10个月之间,波长范围在4～14 cm的粗糙度级从16.8 dB增长到26.9 dB(基准粗糙度为1μm),而相应的滚动噪声级从85.7 dB增加到90.6 dB(基准声压为20 μPa)。

短波波磨发展的幅值沿曲线变化。一个有趣的现象是:在曲线上相同部分,打磨前波磨并不是始终表现出幅值的单调增长。很明显,这些现场测试需要与数值研究相结合,才能够对主要的波长固定机制下结论。

在湿润天气条件下,观察到啸鸣噪声的产生显著减少。由于车速低,由钢轨波磨产生的滚动噪声限于低频范围(约低于200 Hz)。在干燥天气条件下,曲线段直接影响环境中的人们,乘客感到的不适更多的是啸鸣噪声而非滚动噪声。在低于1 kHz范围内,不同车辆的噪声级谱近乎一致,这个频段内噪声的产生与车辆的个体差异无关。

(译自 Wear,2009,267:556-561)

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