地铁线路钢轨波磨对车辆振动特性的影响

刘毅

摘要：近年来，我国的地铁工程建设的发展迅速，随着城市轨道交通的不断发展，各城市的地铁线路不可避免地出现了不同程度的钢轨波磨。钢轨波 磨的存在会导致车辆轨道结构剧烈振动，产生噪声，影响车辆和轨道结构的使用寿命。通过对高速动车组进行现场振动测试，研究了高速动车组各部件间 的频域响应特征和动车组车辆系统振动传递特性。表明在剪切型减振器扣件内增设橡胶垫块可有效地控制钢轨波磨发展，并起到部分消减钢轨波磨的作用。通过测试地铁车辆通过波磨轨道时的车辆各部件的振动特性，分析了钢轨波磨对车辆动态行为的影响。

关键词：地铁线路钢轨波磨;车辆振动特性;影响

引言

钢轨波磨是指钢轨表面沿纵向出现周期性、类似波浪形状的不平顺现 象 ，是 出现在轨面 的一种表面缺陷 。按 照波长 区分 ，波磨可以分为 25mm～80mm 的短波长波磨和 100mm 以上的长波长波磨。重载铁路出现的 波磨一般为长波长波磨。按照磨耗类型区分，波磨可以分为磨损型波磨、 塑流型波磨和混合型波磨等。

1 典型轨道上的车辆振动特性

普通短轨枕轨道结构是铺设地铁线路时常用的轨道结构，为研究普通 短轨枕上钢轨波磨对车辆振动特性的影响，对车辆通过普通短轨枕轨道时 车辆各部件的垂向振动加速度数据进行分析。振动从轴箱向车体地板传递 的过程中，垂向振动加速度有效值呈先增大后减小的趋势。振动能量由弹 簧座经一系悬挂弹簧系统传递到构架，数值衰减了 58.96%。由一系弹簧上 方构架左经过二系悬挂弹簧系统传递到车体地板，振动能量衰减了 92.54%。由此可见轮轨系统振动在向车辆各部件传递的过程中，二系悬挂系统起到 了较大的衰减振动能量的作用。车辆通过 400mm 波长的波磨区域时，轴箱 在 40～80Hz 附近的振动明显，振动能量从轴箱、弹簧下方座经由一系悬挂 系统传递至构架，导致构架在该频率附近振动显著，随后振动能量进一步 通过二系悬挂系统传递至车体地板，导致车体地板在 40～80Hz 频段振动略 大。而车体地板在 110～200Hz 的垂向振动水平最明显，该频段与轮轨不平 顺激励的频率不相关。

2 钢轨波磨发展机理

钢轨波磨的发展机理可分别从固定波长机理和损伤机理 2 方面阐述。对于固定波长机理而言，小半径曲线地段设置超高和列车实际运行速度的 不匹配，将更加容易导致轮轨系统的自激振动，进而使钢轨在自激振动作 用导致的额外载荷作用下形成波浪状不平顺。对于重载线路的波磨损伤机 理而言，在波磨形成过程中，同时具有塑性流动与磨耗。在钢轨材质及屈 服强度等不变的条件下，更大的外载荷作用将使钢轨表面更容易发生塑性 流动与磨耗，更大的垂向力、横向力及蠕滑率将导致磨耗现象的加剧。因 此，在重载列车通过小半径曲线波磨地段并激发摩擦自激振动时，更大的 垂向力、横向力及蠕滑率将使钢轨波磨发展更加快速，并且在额外的载荷 作用下，钢轨表面更容易出现裂纹和剥离掉块现象。这将进一步降低钢轨 的力学性能，使钢轨塑性流动现象更容易发生，并且进一步加剧塑流型波 磨的发展。以上计算结果表明，目前线路普遍存在的过超高现象增加了曲 线内轨垂向力、横向力、横向蠕滑率和冲角，是线路小半径曲线地段波磨 病害发展周期较短的原因之一。在现场，当钢轨波磨现象较为严重时，为 了保障线路运输安全，采用了降速运输等策略。而现场的线路超高均是按 照线路设计速度而计算设置的，较低的车辆速度反而导致过超高更为严重。伤损相对严重的曲线内侧钢轨受力明显大于外侧钢轨，并处于一种恶性循 环状态中。这样，进一步加速曲线内轨表面钢轨波磨、疲劳裂纹、塑性流 动等病害产生，并加速诸如钢轨扣件、轨枕及道床等相关病害的产生。

3 整体道床轨道导纳特性与波磨关系

3.1 整体道床轨道模态分析

由此可知，整体道床无砟轨道的轨下基础几乎不参与振动，前 12 阶振 型为钢轨的横向弯曲变形，从第 13 阶开始以钢轨的垂向弯曲变形为主，其 中第 16 阶振型伴有钢轨的横向弯曲。

3.1.2 轮对模态分析

对城市轨道交通 B 型车的轮对进行自由模态分析，即不加任何外部约 束，使其具有与动力学模型相同的自由度。与轨道系统模态分析方法相同，最终得到轮对在 0～2000Hz 范围内的固有频率及其对应的振型。轮对的振动形式有径向振动、轴向振动、径向弯曲和轴向弯曲等。

3.2 整体道床轨道导纳特性分析

为全面反映钢轨的振动特性，计算 0～10000Hz 频率范围内的垂向和横 向钢轨位移导纳，计算步长为 1Hz。对于整体式道床轨道系统。钢轨在不 同频率下均会产生振动，其中有 2 种典型的振动形式，对应各个导纳峰值：钢轨共振和 pinned-pinned 共振。钢轨共振频率即导纳图中的第一个峰值对 应频率 180Hz。钢轨 pinned-pinned 振动是指支撑于两根轨枕之间的钢轨受 到激励后产生的纵向机械波，其驻波节点刚好在轨枕处。第一个峰值之后 的各个峰值均属于 pinned-pinned 振动，其频率主要有 1100、3160、5138 和 7800Hz。其振动特性与重型钢弹簧轨道结构的钢轨类似，有 2 种典型的 振动形式：横向钢轨共振和横向 pinned-pinned 共振，并且在 190～508Hz 频率范围内持续震荡，存在一系列导纳峰值，此频段的振动与线路的短波 长波磨关系密切。在列车运行过程中，整体式道床轨道系统的钢轨振动响 应峰值频率主要有 104、180、190、212、238、263、294、326、360、405、 434、471、508、684、842 和 1100Hz 等，在这些频率下，钢轨的动力响应 更加剧烈，可能由此产生更加严重的钢轨磨耗。结合轨道系统和轮对模态 分析结果，在列车运行过程中容易发生剧烈的轮轨共振而造成严重磨耗的 频率主要有 263、358、405 和 471Hz。进一步结合城市轨道交通的波磨现 场实测数据，在线路区段处，其现场工程情况条件与所建立的整体道床轨 道三维实体有限元模型相同，经过现场测试数据处理和分析，得到其波磨 特征波长为 40 和 200mm。此区段列车的实际运营车速为 50km/h，短波波 磨的特征波长 40mm 对应频率约为 347Hz。考虑到实际运营过程中的车轮 轮对的附加质量，相同振动形态下轮轨系统的动力响应频率应略低于轨道 系统本身在外界单独激励下的振动频率，因此該线路的短波波磨对应的钢 轨振动频率应约为 358Hz。此频率下钢轨和轮对的振动形态以横向振动为 主，也就是说，钢轨在 358Hz 下的横向弯曲变形是此区段线路产生特征波 长为 40mm 波磨的主要原因。通过采取减振措施，重点抑制轮轨系统在 358Hz 处的横向振动响应，降低钢轨在此频率的振幅，可以降低对应波长 的周期性钢轨磨耗，进而抑制波磨的产生和发展。

结语

由于钢轨打磨没有完全消除波磨，因此打磨前后车辆轴箱和构架的垂 向振动峰值频率与对应的波磨通过频率一致;钢轨打磨后两者的垂向振动 水平明显小于钢轨打磨前;在钢轨波磨没有消除的情况下，钢轨打磨对车 体振动特性的影响不明显。

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