小半径曲线段钢轨短波波磨的影响因素分析

任 彤，王安斌，王志强，王金朝，徐 宁

（中船重工集团有限公司第七二五研究所，洛阳双瑞橡塑科技有限公司，河南 洛阳 471023）

钢轨波浪形磨耗问题是一个多世纪以来铁路行业中一直难以解决的技术难题。由于其产生机理极其复杂，研究涉及到诸多学科[1-2]，如弹塑性滚动接触力学、轨道耦合动力学、材料力学、材料摩擦磨损、数值分析等。各国学者对钢轨波磨问题进行了大量的研究，提出了多种钢轨波磨的产生机理，但是，到目前为止仍没有一个被人们普遍接受的理论。近年来，由于城市轨道交通的迅速发展，多个城市的地铁线路出现了不同程度的波磨问题，其中以小半径曲线段出现的短波波磨最为严重[3-5]。

世界各国铁路研究者对钢轨波磨做过了大量的研究，提出了很多重要的研究理论和波磨的相关治理措施。GRASSIE教授分别于1993年和2009年发表了2篇综述论文[6-7]，对钢轨波磨的研究成果进行了整理与分析。在文章中，作者将波磨按其损伤机理和固定波长机理分为6类，分别为重载波磨、轻轨波磨、弹性/套靴轨枕波磨、接触疲劳波磨、车辙型波磨和响轨波磨，并详细分析了其产生原因与对应的治理措施。荷兰学者Oostermeijer[8-9]对不同时期世界各国直线上短波长波磨进行了详细的描述。总结出以下结论：钢轨的材质对波磨影响较大，其中提高碳素钢中锰的含量可以缓解波磨；连续支承的轨道结构有利于减缓波磨的发展；埋入式轨道只能延缓波磨的形成和发展，并不能消除钢轨波磨等。TASSILLY[10]等通过对法国地铁波磨的深入研究，发现波磨的特征频率与轨道的一些共振频率有关。由于不同扣件系统轨道出现的波磨特性也不相同，所以对不同扣件系统的轨道特性与钢轨波磨进行深入研究也是十分必要的。

在国内某地铁线路段运营一段时间后，在半径为350 m和400 m的小半径曲线段出现了较为严重的钢轨波磨现象。且在不同扣件系统下，钢轨波磨的波磨特性也不相同。在GRASSIE教授的论文中，此类波磨属于响轨波磨，并且在2009年发表的论文中提出了其主要原因是轨道结构的“pinned-pinned”共振所致。“pinned-pinned”共振是由钢轨离散支撑引起的一种特殊振动现象[7]。其主要是指在一定的频率范围内，当激振点位于轨枕跨中时，跨中位置出现共振现象；当激励点移到轨枕上方时，轨枕上方出现反共振现象。如图1所示。

图1 pinned-pinned共振

本文对某地铁线路曲线段出现的短波波磨进行调查研究，通过对不同扣件系统轨道特性的测试，结合波磨情况，对小半径曲线段减振型扣件对钢轨波磨的影响因素进行分析。

1 小半径曲线段的波磨特征分析

现场调研的某地铁小半径曲线段为了满足环境振动控制要求，在曲线路段上安装了若干种减振型扣件，主要包括科隆蛋扣件、潘得路先锋扣件与GJ-32型上部锁紧式双层非线性减振扣件。在地铁开通运营一段时间后，分别在曲线半径为350 m与400 m的路段出现了不同程度的波磨，且在钢轨打磨后两个月内，波磨又迅速出现。如图2所示钢轨上出现了比较严重的波磨。采用钢轨波磨测量仪CAT对钢轨波浪形磨耗状况测试，测量仪器见图3。

图2 现场波磨照片

用CAT波磨测试仪分别测试该轨道350 m与400 m曲线上内外轨的钢轨不平顺。测试结果如图4、图5所示。

图3 CAT波磨测试仪

图4 350 m半径处波磨情况

图5 400 m半径处波磨情况

由图中可以看出，曲线段低轨的波磨比高轨的波磨要严重，350 m半径处的磨耗情况比400 m处的磨耗严重。

图6为钢轨的两个典型不平顺波长信息，可以看出钢轨波磨的突出波长主要表现在80 mm和20 mm附近。

图6 3种扣件的钢轨不平顺水平

2 轨道动态特性测试

地铁在正常运行时，由于轮轨之间的不平顺激励会使钢轨受到周期性的冲击力，从而引起钢轨的周期性振动。本文通过冲击激励锤激励钢轨并测量FRFS（频率响应特性函数）,通过分析钢轨的FRFS，对轨道的动态特性进行分析，进一步认识钢轨短波波磨与轨道动态特性的关系。现场锤击测试如图7所示。

图7 现场锤击实验照片

2.1 现场工况与轨道参数

试验段选取国内某地铁公司波磨发生比较严重的两个小半径曲线段，其曲线半径分别为350 m和400 m，道床采用整体式道床。在400 m曲线段线路上安装有先锋扣件，350 m曲线段上安装着GJ-32型上部锁紧双层非线性扣件和科隆蛋扣件。本文在安装这3种扣件的钢轨上进行对比测试分析。

2.2 试验仪器及试验流程

本次试验的激励力锤选取型号为PCB公司的086D05小型力锤。锤头为了防止连击，采用尼龙锤头。激励锤力传感器的灵敏度为0.239 9 mv/N，钢轨振动信号测试采用50 g量程的传感器。

分别在半径为400 m和350 m的试验段选择安装有先锋扣件系统、科隆蛋扣件与GJ-32扣件的钢轨进行锤击试验。分别在扣件上方和轨枕中间的两个测试点对钢轨进行垂向与横向锤击试验，为避免扣件本身随机选取的误差，每组试验分别选3组扣件进行可重复性试验，测试点布置如图8所示。

图8 测点布置示意图

3 试验结果与分析

为了进一步深入认识不同扣件系统型式下轨道的动态特性与钢轨短波波磨的内在关系，分别对3种扣件进行锤击试验，得到图9至图11所示3种扣件的频率响应图。

图9 先锋扣件的垂向频率响应

图10 科隆蛋扣件垂向频率响应

图11 GJ-32型扣件垂向频率响应

从图中可以看出先锋扣件、科隆蛋扣件和GJ-32扣件这3种扣件的1阶垂向固有频率分别为105 Hz、90 Hz和116 Hz，“pinned-pinned”共振频率分别为1 173 Hz、1 041 Hz和1 025 Hz。

列车在先锋扣件和另外两种扣件路段运行的速度分别为45 km/h和65 km/h，先锋扣件对应的主要波长现场测量为17 mm～25 mm，科隆蛋对应的测量波长为78 mm～85 mm，GJ-32型扣件的波磨波长表现不明显，见图12。现场观测结果与CAT波磨仪的测试结果相符。根据式（1），可以算出其对应的频率范围分别为500 Hz～735 Hz和212 Hz～232 Hz。由图9至图11可以发现在3种扣件的垂向频率响应函数中在上述频率段都没有出现明显的共振峰。由此可知，扣件系统的垂向1阶弯曲共振与“pinned-pinned”共振不是曲线段钢轨短波波磨的主要原因。

式中：V为列车运行速度/（m∙s-1）；l为钢轨上的波长/m；f为振动频率/Hz。

图12 波磨现场测试

图13至图15分别是3种扣件的横向频率响应图。从图中可以看出：先锋扣件的横向1阶固有频率为146 Hz，且在551 Hz处出现了横向“pinnedpinned”共振频率；科隆蛋扣件的1阶共振频率为67.5 Hz，横向“pinned-pinned”共振频率为472 Hz；GJ-32型扣件的1阶固有频率为71.25 Hz，横向“pinned-pinned”共振频率为468 Hz。

科隆蛋扣件与GJ-32型扣件的1阶固有频率与横向“pinned-pinned”共振频率都非常接近，但是科隆蛋扣件对应的波磨情况较GJ-32却严重很多，且与其典型波长的波磨频率明显不符。这种现象可能与其扣件本身特定的结构形式有关，具体原因仍在探索中。

图13 先锋扣件横向频率响应

图14 科隆蛋扣件横向频率响应

图15 GJ-32型扣件横向频率响应

与科隆蛋扣件系统和GJ-32型扣件系统不同，先锋扣件系统轨道结构的横向“pinned-pinned”共振频率与其典型波长的波磨频率高度吻合，表明了先锋扣件系统轨道结构型式下钢轨的横向“pinnedpinned”共振频率是17 mm～25 mm波长出现的主要原因之一。当钢轨在此频率内受到外力激扰作用时，钢轨在共振点处产生剧烈振动，从而受到剧烈的轮轨力相互作用，从而导致了相应波长的波磨。

从以上数据分析可以得出，不同扣件系统轨道结构的垂向弯曲共振不是钢轨短波波磨出现的主要原因，其波磨的出现可能与其轨道结构型式的横向“pinned-pinned”共振有关。同时短波波磨的出现还与车辆运行速度有很大关系。只有当列车在一定的运行速度下，当钢轨振动频率与扣件系统本身的共振频率吻合时，才能导致波磨的发生。因此，可以通过改变车辆速度与轨道系统本身的固有动态特性来避免轮轨之间的剧烈共振，从而避免波磨的发生。

4 结语

本文通过某地铁现场试验，采用锤击法分别测量了半径为350 m和400 m两个小曲线半径路段上安装先锋扣件、科隆蛋扣件与GJ-32型扣件的钢轨动态特性，同时用CAT钢轨波磨测试仪测试了其钢轨波磨情况。通过试验数据分析，得到如下结论：

（1）先锋扣件轨道结构型式下钢轨的横向“pinned-pinned”共振频率为551 Hz和708 Hz，与其典型波长17 mm～25 mm对应的波磨频率基本吻合，说明在400 m半径的小曲线路段出现的典型波长为17 mm～25 mm的短波波磨主要与其轨道结构型式的横向“pinned-pinned”共振有关。

（2）小半径曲线路段上不同扣件结构下钢轨的垂向弯曲共振不是曲线段出现波磨的主要原因。

（3）先锋扣件作为高等减振扣件虽然对钢轨整体磨耗控制比较好，但是会导致出现典型波长的钢轨波浪形磨耗。GJ-32扣件作为中等减振扣件对抑制固定波长的波磨有比较良好的效果。