轮轨振动对高铁扣件伤损的影响分析

肖俊恒，闫子权，涂英辉，李伟，郝有生，方杭玮，孙林林

（中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081）

轮轨振动对高铁扣件伤损的影响分析

肖俊恒，闫子权，涂英辉，李伟，郝有生，方杭玮，孙林林

（中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081）

高速铁路在长期运营中会出现钢轨波浪形周期性磨耗和动车组车轮多边形周期性磨耗，轮轨发生周期性磨耗后，轮轨间动力作用增大，且产生高频激励。分析高速铁路钢轨波磨和动车组车轮多边形磨耗引起的轮轨间高频激励，揭示了轮轨高频激励与扣件弹条固有频率接近时导致弹条产生共振，从而造成弹条伤损的重要机理，并在多个现场案例中得到验证。

轮轨周期性磨耗；高频振动；钢轨波磨；车轮多边形；钢轨扣件

0 引言

随着高速铁路的长期运营，部分动车组和部分区段轨道会出现各类伤损问题，动车组车轮多边形磨耗和钢轨波浪形磨耗（简称钢轨波磨）是轮轨周期性磨耗的表现形式，也是轮轨伤损的一种特殊类型[1-2]。轮轨周期性磨耗会引起车辆轨道系统间剧烈振动，导致轮轨垂向作用力增大，对轨道部件如钢轨、扣件、无砟轨道道床等产生影响，严重时会造成部件损伤，缩短部件使用寿命，破坏严重时会危及高速列车行车安全，还会产生较大冲击和滚动噪声，降低舒适性[3-6]。

近年的运营实践表明，个别出现轮轨周期性磨耗的区段，由于轮轨间的高频振动，造成个别高铁扣件弹条发生断裂伤损[7-8]。研究表明，这些地段扣件弹条的伤损与制造质量、铺设和养护维修等没有明显的直接关系。从轮轨振动角度出发，分析轮轨高频激励对高铁扣件弹条受力状态的影响，揭示高铁扣件弹条断裂伤损的机理，为高速铁路的轮轨匹配优化和扣件的优化设计提供参考依据，同时可为高速铁路的养护维修提供技术指导。

1 轮轨周期性磨耗引起轮轨间高频激励

1.1 钢轨波磨

高速铁路无砟轨道区段曾多次出现钢轨波磨，典型的钢轨波磨形态见图1。调研表明，钢轨波磨的波长范围一般为40～160 mm，谷深一般小于0.08 mm，严重时可达0.15 mm。

钢轨产生波磨后将造成轮轨作用力增大。同时，动车组车轮高速通过钢轨波磨区段时，其轮轨间将产生高频激励，其激励频率可按式（1）计算：

式中：f为激励频率，Hz；v为行车速度，km/h；λ为波磨波长，mm。

图1 钢轨波磨

不同速度条件下，钢轨波磨波长与轮轨间的高频激励关系见图2。当行车速度为300 km/h时，对应钢轨波磨波长为40～160 mm，其轮轨力激励频率为521～2 083 Hz。

图2 不同速度下轮轨激励频率与钢轨波磨波长的关系

1.2 动车组车轮多边形磨耗

列车车轮多边形磨耗指沿车轮踏面圆周方向的波浪形磨耗。高速铁路动车组车轮曾多次出现多边形磨耗，典型的动车组多边形磨耗见图3。调研表明，动车组车轮多边形磨耗阶数一般为16～24阶。

动车组车轮产生多边形磨耗后，将引起轮轨作用力增大。同时，产生多边形磨耗的动车组车轮高速通过线路时，其轮轨间将产生高频激励，其轮轨力激励频率可按式（2）计算：

式中：f为轮轨力激励频率，Hz；v为行车速度，km/h；D为车轮直径，mm；n为车轮多边形磨耗阶数。

图3 动车组车轮多边形磨耗

不同速度条件下，轮轨间激励频率与车轮多边形磨耗阶数的关系见图4。行车速度为300 km/h时，对应车轮多边形磨耗阶数范围为16～24阶，其轮轨力激励频率为499～749 Hz。

图4 不同速度下轮轨激励频率与车轮多边形磨耗阶数的关系

2 高频激励引起扣件弹条伤损机理

2.1 高铁扣件弹条固有频率

W300-1型扣件是高速铁路无砟轨道所用扣件型式之一，也是高铁扣件弹条伤损的主要型式。为分析弹条的振动伤损机理，对W300-1型扣件弹条的固有振动特性进行计算，计算模型充分考虑弹条的弯曲和扭转等特性，采用铁木辛柯梁进行计算分析，有限元分析模型见图5，标准安装状态时弹条固有振动特性的计算结果见图6。

图5 W300-1型扣件弹条有限元分析模型

图6 扣件弹条固有振动特性计算结果

考虑到弹条安装状态对其固有振动特性的影响，计算了弹条在不同安装扭矩下的固有振动特性，不同安装扭矩对弹条第3阶模态的影响见图7。可见随着安装扭矩的增大，第3阶固有频率从540 Hz变化到650 Hz。

图7 安装扭矩对弹条固有振动特性的影响

对W300-1型扣件弹条的模态进行试验研究（见图8）。试验采用锤击法，为了避免附加质量对弹条模态的影响，利用声压计传感器进行数据采集分析。同时测试弹条在不同紧固扭矩状态下的固有频率，其测试结果与理论分析结果见表1，结果表明理论计算值与试验值吻合。

图8 W300-1型扣件弹条模态试验

表1 不同紧固扭矩时弹条的固有频率 Hz

综合以上理论计算和试验分析，同时考虑弹条的加工误差和现场安装状态，可得出W300-1型扣件弹条的第3阶固有频率为500～650 Hz。

2.2 振动伤损机理

W300-1型扣件弹条在第3阶模态的模态振型见图9。弹条在该模态时，其根部一方面承受垂向激振造成的扭转应力，另一方面还承受纵向激振造成的拉弯应力，使得弹条根部应力最大。

在钢轨波磨和动车组车轮多边形磨耗等周期性磨耗下，轮轨间均会产生高频激励。若激励频率与弹条固有频率相同或接近，弹条将产生共振现象，同时如果钢轨波磨或车轮多边形磨耗严重，轮轨激励能量大，弹条在激振的长期作用下，弹条根部应力较大，进而出现弹条断裂，且断口方向与断面平行，与现场弹条伤损特征一致。

图9 W300-1型扣件弹条第3阶模态振型

3 伤损案例验证

3.1 钢轨波磨引起弹条伤损

2011年8月，某高铁线路发现弹条断裂现象。现场调研98%以上的断裂弹条位于钢轨波磨区段，钢轨波磨波长为120～150 mm，谷深0.05～0.11 mm，行车速度为300 km/h。动车组通过时，计算轮轨激励频率为556～694 Hz，现场动力学测试轮轨激励频率实测为584 Hz，激励频率在弹条500～650 Hz固有频率范围内，弹条发生共振，产生断裂。

2012年11月，另有某高铁线路发现弹条断裂现象。断裂弹条同样位于钢轨波磨区段，钢轨波磨波长为60～80 mm，谷深约0.1 mm，行车速度为150 km/h。动车组通过时，计算轮轨激励频率为521～694 Hz，实测轮轨激励频率为576 Hz，激励频率也在弹条固有频率500～650 Hz范围内，弹条发生共振，产生断裂。

3.2 动车组车轮多边形磨耗引起弹条伤损

2015—2016年，某高铁线路发现弹条断裂现象。现场调研发现部分动车组车轮存在18阶多边形磨耗，行车速度为300 km/h。

动车组通过时，计算轮轨激励频率为562 Hz，实测轮轨激励频率为564 Hz，激励频率在弹条固有频率500～650 Hz范围内，弹条发生共振，产生断裂。

3.3 反方面案例

2015年8月，某高铁线路发现钢轨出现波磨，钢轨波磨波长为120～140 mm，谷深约0.10 mm，行车速度为245 km/h。动车组通过时，计算轮轨激励频率为486～567 Hz，实测轮轨激励频率为527 Hz，该线路采用WJ-8型扣件，弹条固有频率为680～780 Hz，激励频率不在弹条固有频率范围内，弹条不会共振，现场无弹条断裂现象。

同时该线路运营的动车组车轮存在24阶多边形磨耗，行车速度为245 km/h，动车组通过时，计算轮轨激励频率为612 Hz，激励频率也不在弹条固有频率范围内，弹条不会共振，现场无弹条断裂现象。

4 结论与建议

钢轨波磨或动车组车轮多边形磨耗引起高铁扣件弹条伤损的机理为：高速铁路在钢轨产生波磨或动车组车轮产生多边形磨耗的周期性磨耗时，轮轨间会产生高频振动，对轨道产生高频激励。当轮轨激励频率与弹条固有频率相同或接近时，弹条将产生共振现象，磨耗严重时轮轨激励能量较大，导致弹条共振应力过大而发生断裂伤损。因此，建议高速铁路运营期间，发现较严重的钢轨波磨或动车组车轮多边形磨耗时，应及时对钢轨进行打磨，对车轮进行镟修处理。

[1]KALOUSEK J，JOHNSON K L.An investigation of short pitch wheel and rail corrugations on the Vancouver mass transit system[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers：Part F：Journal of Rail & Rapid Transit，1992，206(26)：127-135.

[2]谷永磊，赵国堂，王衡禹，等.轨道振动特性对 高速铁路钢轨波磨的影响[J].中国铁道科学，2016，37(4)：42-47.

[3]JENS C O NIELSEN，ROGER LUNDéN，ANDERS JOHANSSON，et al.Train-Track interaction and mechanisms of irregular wear on wheel and rail surfaces[J].Vehicle System Dynamics，2003，40(1-3)：3-54.

[4]王忆佳，曾京，罗仁，等.高速列车车轮多边形化 对车辆动力学性能的影响[J].四川大学学报：工程科学版，2013，45(3)：176-182.

[5]朱胜阳，蔡成标，尹镪，等.高速铁路扣件弹条动 力学分析[J].工程力学，2013，30(6)：254-258.

[6]李伟.地铁钢轨波磨成因及其对车辆/轨道行为的影响研究[D].成都：西南交通大学，2015.

[7]中国铁道科学研究院.无砟轨道扣件系统安全技术 深化研究[R].北京，2016.

[8]肖俊恒.客运专线无砟轨道扣件系统技术研究[J].中国铁路，2009(2)：44-47，54.

On Impact of Wheel-rail Vibration on HSR Fastener Damage

XIAO Junheng，YAN Ziquan，TU Yinghui，LI Wei，HAO Yousheng，FANG Hangwei，SUN Linlin
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

During the long-term operation of high-speed railways, periodic corrugation of rails and periodic polygonal wears of EMU wheelsets might occur. These periodic wears of wheels and rails lead to increased dynamic interaction between the two increases and high frequency excitation occurs. This paper looks into the high-frequency excitation between wheels and rails caused by rail corrugation of and polygonal wears of EMU wheels, finds out that resonance occurs when the high-frequency wheel-rail excitation and the natural frequencies of fasteners and clips are close to each other and thus damages clips. This important mechanism is validated in several on-site cases.

periodic wheel-rail wear；high-frequency vibration；rail corrugation；wheel polygonal；rail fastener

U213.5；U211.3

A

1001-683X（2017）11-0010-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.010

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2017G011-A）

肖俊恒（1965—），男，研究员。E-mail：xiaojunheng@126.com

责任编辑 卢敏

2017-10-23