上部锁紧式双层非线性减振扣件钢轨波磨的控制

王志强，化一宁，孟鸿涛

（1.中国船舶重工集团公司 第七二五研究所，洛阳双瑞橡塑科技有限公司，河南 洛阳 471000 2.南京地铁运营有限责任公司，南京 200125）

轨道结构是振动传播途径中的一个重要环节，其结构参数（质量、刚度、几何尺寸等）直接影响周边结构的振动响应，因此以轨道动态特性为对象研究地铁的减振性能成为比较常用的方法之一。然而随着轨道支承刚度下降，可能会引起更高的钢轨振动及滚动噪声[1]。列车产生的噪声通过车轮以及轨道的振动辐射向周围环境，振动产生的主要原因是轮轨之间接触所产生的动态力，而其中最为重要的动态激励之源就是钢轨表面的粗糙度以及滚动摩擦力，尤其在曲线地段这种钢轨表面的粗糙度及滚动摩擦力更为明显[2–3]。

由于出现了较为严重的钢轨波磨现象，2014年12月19日对现有的剪切型减振器路段进行钢轨打磨，2015年1月15－16日对南京南站至双龙大道下行线K7+429～K7+917区间进行了部分扣件更换。此区间为地下线路，曲线半径R=350 m，将K7+600－K7+675区间原剪切型减振器（Egg扣件）更换为上部锁紧式双层非线性减振扣件（GJ-32扣件）。此区间在未进行钢轨打磨时连续跟踪测试了6个月，观察此区间内钢轨波磨的变化情况。

1 上部锁紧式双层非线性扣件

上部锁紧式双层非线性扣件主要由轨下弹性垫、上铁垫板、中间弹性垫、下铁垫板和绝缘自锁套等组成，具有优良的动态减振性能，该系统结构紧凑、重量轻，预压紧力可调，安装及维修方便，如图1所示。

图1 上部锁紧式双层非线性扣件

上部锁紧式双层非线性扣件的主要特点如下：

（1）非线性弹性垫板：采用了独有技术“非线形高扭抗减振垫板”设计；扣件横向、扭转刚度高，具有良好的过载保护功能，安全性好。

（2）非粘接无螺栓可拆卸式结构：不用螺栓而能传递纵、横向力及翻转力矩，组装和拆卸方便。

（3）扣件系统自身预紧力可调：扣件上铁垫板和下铁垫板之间的预紧力可通过自锁机构中的调整垫片进行现场调整，满足线路安装调整及维护需求。

（4）有效改善波磨：优化了扣件上铁垫板的固有频率及扣件系统连接刚度，有效抑制钢轨波磨发展，同时减少钢轨振动和噪声，提高乘车舒适性。

2 钢轨波浪磨耗

钢轨波浪磨耗是在轨道运营过程中在钢轨踏面沿钢轨纵向产生的一种波长规则化的典型钢轨粗糙度现象，其主要特点是磨耗的波长基本固定。在产生波浪磨耗的钢轨上，可以在轨头部分很容易地观察到磨耗的痕迹，以及明显的波峰与波谷[45]。

“非连续支承谐振机理”是最主要的波长固定机理[6]。非连续支承频率f可按下式(1)进行计算[7]

其中：E是钢轨材料的弹性模量，I是钢轨截面惯性矩，mr是钢轨单位长度的质量，l是扣件支撑间距，rg是旋转半径，v是泊松比，K(≈0.34)是截面剪切系数。

在列车运营条件下，若已知其运行速度时，波浪磨耗的激励频率可按下式（2）计算

这里，fc是波浪磨耗的激励频率，s是列车运行速度，λ是波浪磨耗的波长。这个计算的频率通常可以帮助辨认轨道钢轨有波浪磨耗的轨道产生振动和噪声的主要振源。

3 测试地点

南京地铁1号线在更换新扣件之前南京南站至双龙大道站区间扣件铺设情况如表1，其中钢轨波磨最严重区间为K7+429～K7+917。

自2015年2月3日起每月进行跟踪测试。需要说明的是，南京地铁于4月6日进行了K7+429～K7+600区间（剪切型减振器）的钢轨打磨，该段的3次波磨测试结果。在同样的区间内，详细的跟踪测试了南京南站至双龙大道区间的波磨，分别于2015年2月3日、3月11日、4月10日、5月9日、6月10日、7月6日对该区间内的波磨情况进行了测试。

4 现场测试

通过波磨检测仪CAT进行钢轨波浪形磨耗状况测试。可自动计算输出波磨的波长、波深等信息，图2为现场钢轨的波磨检测。CAT3钢轨波磨测量仪采用手工测量方式，专用于测量钢轨波磨，及其粗糙度。

典型用于打磨质量的评估，对现场波磨发展的短期与长期的监测，小型铁路系统的波磨检查，车辆声学测试是否符合要求的现场示范及钢轨波磨检查。钢轨波磨测量仪性能强大，测量精度精准、可靠。

表1 南京南站至双龙大道站下行线区间扣件铺设情况

图2 钢轨波磨测试

5 数据分析

5.1 钢轨跟踪6个月钢轨波磨变化

图3－图4中表明随着时间推移，剪切型减振器区间高低轨波磨严重，与现场观测相同。除原有发展严重的低轨80 mm、40 mm，高轨63 mm、31.5 mm波长外，低轨25 mm波长、高轨20 mm波长波磨逐渐显现并持续加重。

图3 剪切型减振器低轨钢轨波磨

图4 剪切型减振器高轨钢轨波磨

图5－图6表明，虽然上部锁紧式双层非线性减振扣件区间高轨也存在80 mm波磨（原有波磨在改造前未完全打磨清除），但粗糙度值在逐渐减小。其他波长波磨幅值均较小，在5月9日及以后的数据可看出，80 mm波长波磨也已经很大程度减小，现场肉眼观测无波磨现象。同时低轨在50 mm、40 mm波长波磨有所增加，但是增长的速度非常的缓慢。高轨的波磨在80 mm、31.5 mm波长都有所缓慢的减小，这表明上部锁紧式双层非线性减振扣件在抑制钢轨波磨增长起到了很大的作用。

图5 上部锁紧式双层减振扣件低轨波磨

图6 上部锁紧式双层减振扣件高轨波磨

从表2可以看出剪切型减振器波长主要是集中在80 mm、63 mm、40 mm；上部锁紧式双层非线性减振扣件主要是集中在了80 mm、63 mm。

表2波磨跟踪测试结果表明，南京地铁1号线南京南站至双龙大道站，剪切型减振器扣件区间钢轨波磨随着时间的发展钢轨表面的波磨也发展十分严重，上部锁紧式双层非线性减振扣件区间钢轨波磨控制效果明显。

如图7为剪切型减振器与上部锁紧式双层非线性减振扣件低轨波长在80 mm和40 mm变化情况，随着持续根据6个月的变化趋势，剪切型减振器低轨钢轨波长在80 mm时，得到钢轨的粗糙度随着时间的其增长速度为0.6 dB/月；剪切型减振器低轨钢轨波长在40 mm时，得到钢轨的粗糙度随着时间的其增长速度为2.2 dB/月；上部锁紧式双层非线性减振扣件低轨钢轨波长在80 mm时，得到钢轨的粗糙度随着时间的其减小速度为2.1 dB/月；上部锁紧式双层非线性减振扣件低轨钢轨波长在40 mm时，得到钢轨的粗糙度随着时间的其增长速度为0.9 dB/月。图8为剪切型减振器与上部锁紧式双层非线性减振扣件高轨波长在63 mm和31.5 mm变化情况。

表2 钢轨波磨粗糙度总级/dB(A)re 1 μm

图7 低轨波磨在波长40 mm和80 mm的变化

图8 高轨波长在31.5 mm和63 mm的变化

5.2 钢轨总粗糙度变化

综上所述，钢轨总粗糙度变化如图9所示，根据连续的6个月对相同区间内的钢轨的波磨进行跟踪测试，得到了随着时间地增长剪切型减振器钢轨的波磨在缓慢的增长，剪切型减振器低轨在波长为80 mm的增长速度为0.6 dB/月、40 mm的增长速度为2.2 dB/月；剪切型减振器高轨在波长为63 mm的增长速度为2.5 dB/月、31.5 mm的增长速度为1.9 dB/月。

图9 钢轨总粗糙度变化

得到了上部锁紧式双层非线性减振扣件随着时间的增长钢轨波磨在缓慢地减小，上部锁紧式双层非线性减振扣件低轨在波长为80 mm的减小速度为2.1 dB/月、40 mm的增长速度为0.9 dB/月；上部锁紧式双层非线性减振扣件高轨在波长为63 mm的减小速度为0.2 dB/月、31.5 mm的增长速度为1.3 dB/月。

6 结语

根据2015年连续6个月对相同区间内钢轨的波磨进行的跟踪测试，得到了随着时间的增长剪切型减振器扣件钢轨的波磨在缓慢地增长，高低平均增长速度为1.5 dB/月；上部锁紧式双层非线性减振扣件随着时间的增长，钢轨的波磨在缓慢地减小，高低轨平均减小的速度为0.7 dB/月。

得到了随着时间的增长剪切型减振器钢轨的波磨在缓慢地增长，剪切型减振器低轨在波长为80 mm的增长速度为0.6 dB/月、40 mm的增长速度为2.2 dB/月；剪切型减振器高轨在波长为63 mm的增长速度为2.5 dB/月、31.5 mm的增长速度为1.9 dB/月。得到了上部锁紧式双层非线性减振扣件随着时间的增长钢轨波磨在缓慢地减小，上部锁紧式双层非线性减振扣件低轨在波长为80 mm的减小速度为2.1 dB/月、40 mm的增长速度为0.9 dB/月；上部锁紧式双层非线性减振扣件高轨在波长为63 mm的减小速度为0.2 dB/月、31.5 mm的增长速度为1.3 dB/月。

结果可以看出，剪切型减振器区间钢轨波磨严重发展，而上部锁紧式双层非线性减振扣件十分有效地抑制了钢轨波磨的增长。