小半径曲线地段钢轨波磨对于地面振动影响的测试分析

杨 哲，雷晓燕，刘庆杰，冯青松

（华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，南昌 330013）

地铁由于其优良的抗拥堵性以及快速大运量的特点已经成为缓解城市交通压力的有力交通工具，并且成为了我国城市居民出行的重要选择之一。但是在地铁的小半径曲线、车辆加减速等地段时常会产生钢轨波浪形磨耗问题，进而引发车辆轨道结构的疲劳损坏以及一系列的环境振动问题[1]。随着我国城市化的进程尤其是在城市中心区域，地铁轨道在设计建造的过程中不可避免地会产生小曲线半径的设计，而且建筑物与地铁线路的间距也在不可避免地缩小，这就会对地铁沿线居民的日常生活以及沿线一些医院学校内精密仪器的使用产生影响。因此针对小半径曲线有波磨地段轨道所引起的环境振动问题应该引起重视并展开深入研究。

钢轨波磨是指发生在投入运营一段时间之后，钢轨表面的周期性不平顺现象[1]。钢轨波磨问题一直困扰着各国的铁路部门。线路上存在的大量的异常波磨现象会引起车体、轮对、转向架等结构的剧烈振动从而加速机车车辆和轨道结构的零部件的损伤，尤其是会降低簧下部件的使用寿命从而增大养护维修成本，降低车辆运行的安全性[2]。针对波磨的成因及发展问题Grassie等[3]总结了钢轨波磨的分类方式并指出所有波磨都是由于固定频率问题所引起的磨耗。李伟[4–5]等通过实测研究了未打磨地段与打磨地段车辆通过时造成的钢轨及车辆零部件振动与波磨的关系。刘涌涛等[6]通过长期监测研究了钢轨波磨的发生与发展趋势。针对波磨的快速发现以及检测定位问题，徐磊,翟婉明[7]通过对轮轨作用力时-频能量联合分的析方法提出了一种快速检测定位钢轨波磨病害位置和病害程度的新方法。周成、高建敏[8]通过研究轮轨三维瞬态动力学模型以瞬态作用力定位钢轨波磨病害位置。关于地铁引起的环境振动问题：雷晓燕[9–10]等总结了城市轨道交通引起的环境振动问题的一般研究方法。Connolly[11]等针对铁路环境振动提出预测模型并通过它分析了7个欧洲国家17个高速铁路站点的1 500多个地面振动记录，验证了其合理性。袁扬[12]和冯青松等[13]分别通过现场实测的方式测试分析了地铁小半径曲线和减震扣件区段所引起的环境振动特征。郑国琛[14]通过实测和有限元模拟的方式研究了地铁与地面交通共同作用下引起的环境振动问题。

现阶段对波磨的研究主要是集中在钢轨波磨对车辆运行安全稳定性和轨道设备使用寿命的影响以及波磨成因等相关方面的研究[15]。而列车运行引起环境振动的影响因素较为复杂，针对钢轨波磨所引起的环境振动问题的研究还相对较少，但由于波磨引起的环境振动影响已经不容忽视，本文从地铁隧道内波磨对地面环境振动影响的角度出发，分析钢轨波磨对于隧道上方地面振动的影响。选择南方某地铁小半径曲线钢轨波磨较为严重地段作为实验对象，并选择另一段小半径曲线钢轨表面状况良好的地段与之对比。

1 测试概况

测试位置选定为南方某城市地铁有波磨地段与无波磨地段两小半径曲线地段的轨道。两段均采用了普通钢筋混凝土短轨枕道床以及普通单指弹条扣件。有波磨地段曲线半径为300 m，无波磨地段曲线半径为400 m并且两处隧道埋深基本一致。测试内容主要分为三部分。第一部分为钢轨表面波磨测试。采用RMF-1100波磨小车进行检测如图1所示。推行过程中采样间隔为0.002 m，仪器可连续采集左右两侧轨道从而获得钢轨表面不平顺时程状况。第二部分为隧道内振动测试如图2所示。隧道内钢轨振动加速度测试采用352C04传感器，轨道板和隧道壁振动加速度测试采用393B04 传感器。第三部分为地面振动测试。采用中国地震工力所生产的941B 传感器进行测试。测点布置状况如图2所示。由现场调查得到测试期间两区段列车通过其各测点位置的平均速度分别为59 km/h和63.7 km/h。

图1 RMF-1100波磨测量小车

图2 测点位置布置图

表1 测试位置线路基本情况

表2 测点布置状况

2 钢轨波磨实测数据分析

为了分析不同波长下钢轨的磨耗深度，依据ISO3095 标准[16]及相关研究[17–18]，计算1/3 倍频程波长的钢轨表面不平顺粗糙度级。不平顺粗糙度级可按下式计算：

式中：Lr为钢轨表面不平顺粗糙度级，单位为dB；

rrms为钢轨表面波磨幅值有效值，单位µm；

r0为钢轨表面短波不平顺参考值，取r0=1µm。

图3和图4分别为打磨前后区段钢轨波磨实测数据局部表面状况放大图。取2 m范围内的钢轨表面状况。其中有波磨区段右轨（曲线内轨）表面存在较为明显的周期性磨耗现象，其特征波长约为200 mm，最大波峰波谷之间相差约0.3 mm。左轨（曲线外轨）表面无明显周期性磨耗，高低不平顺最大差值约为0.1 mm。无波磨地段钢轨表面并不存在较为明显的周期性磨耗现象，左右轨高低不平顺最大差值约为0.1 mm。依据ISO3095标准[10]计算并绘制得到钢轨表面不平顺等级1/3 倍频对比图5。可以看到有波磨区段钢轨右轨表面的主特征波长存在于波长200 mm～250 mm 区段，次特征波长存在于40 mm附近。而无波磨地段钢轨表面无特征波磨的波磨。现场实测得到车辆通过测点断面的平均速度为59 km/h。计算得车辆在通过有波磨地段测点断面时的通过频率特征值为410 Hz和65.6 Hz～82 Hz。

图3 有波磨区段钢轨不平顺局部放大图

图4 无波磨区段钢轨不平顺局部放大图

图5 有/无波磨区段不平顺等级1/3倍频程对比图

3 振动加速度测试分析

3.1 隧道内振动加速度分析

图6为有/无波磨区段钢轨振动加速度级1/3 倍频程对比图。可以得到在有波磨地段钢轨振动特征频率为400 Hz 其振动加速度级为162.7 dB，与计算得到的车辆通过频率410 Hz 相吻合。说明钢轨40 mm的短波波磨所引起的高频振动在钢轨振动中起主要作用。而200 mm～250 mm 的长波引起的65.6 Hz～82 Hz 通过频率在钢轨的振动中表现并不明显。在无波磨地段钢轨振动加速度的特征频率出现在80 Hz 与315 Hz 其幅值为137.5 dB。通过对比其振动加速度级，在有波磨地段，钢轨振动加速度级在各频段均大于无波磨地段，并且有/无波磨地段内轨振动加速度级均大于外轨。

图6 有/无波磨地段钢轨振动加速度

图7为有/无波磨地段轨道板振动加速度级对比图，有波磨地段特征频率为80 Hz和400 Hz，峰值为121.7 dB，与钢轨波磨引起的车辆通过频率65.6 Hz～82 Hz和410 Hz相一致。无波磨地段轨道板振动加速度特征频率为80 Hz，其加速度级为100.4 dB，说明了轨道板的振动的增大是由于钢轨波磨所引起的。同时有波磨地段轨道板振动加速度级显著大于无波磨地段。

图7 有/无波磨地段轨道板振动加速度级对比

图8为有/无波磨地段隧道壁振动加速度级对比图。有波磨地段振动特征频率为80 Hz 和400 Hz，其最大值为106.4 dB，无波磨地段振动加速度级为80 Hz和315 Hz其最大值为94.0 dB。可见有波磨地段隧道壁振动加速度级大于无波磨地段振动加速度级，表明隧道壁的振动加速度级增大是由于钢轨波磨造成的。而内侧隧道壁与外侧隧道壁振动加速度级差别不大。表3为隧道内各测点振动加速度级最大值统计表，表中可以看出，在各个测点处有波磨地段振动加速度级均显著大于无波磨地段。

表3 隧道内测点振动加速度级统计表

图8 有/无波磨地段隧道壁振动加速度级对比

3.2 地面振动加速度分析

表4 有无波磨地段地面振动加速度级统计表

图9是有无波磨测试断面两地的地面振动状况对比图，两处地面振动的特征频率均为80 Hz 且有波磨地段地面振动加速度级显著大于无波磨地段。而80 Hz 的振动与200 mm 的长波波磨引起的车辆通过频率基本一致，表明有波磨地段地面振动的增大是由于钢轨表面200 mm 的长波引起的。而短波引起的高频振动对地面振动的影响并不明显。

图9 有/无波磨地点地面振动1/3倍频程对比图

3.3 振动传递特性分析

对有波磨地段振动加速度数据进行频域分析，绘制频谱对比图如图10 所示。可以明显看出振动加速度级沿着钢轨，轨道板，隧道壁，地面这一传递过程中振动加速级处于不断衰减的过程中，并且高频振动400 Hz相较于低频振动80 Hz在传递过程中衰减速度相对较快，并且在地面振动中衰减至可忽略状态。而80 Hz低频振动在传递过程中衰减相对较慢，并在地面振动当中起主要作用。80 Hz振动主要是由于钢轨200 mm～250 mm波长的特征波磨所引起，400 Hz 振动主要是由于40 mm 特征波长所引起的。因此在研究钢轨以及隧道内振动状况时，短波引起的高频振动应当是研究重点，而在研究波磨引起的地面环境振动的影响时，长波引起的低频振动在其中起着更为主要的作用。

图10 有波磨区段各测点振动频域图

表5 有波磨地段各测点特征频率振动加速峰值统计表

4 结语

通过分析有/无波磨地段地铁引起环境振动问题的现场实测以及钢轨表面状况的实测，采集到隧道内以及隧道上方地面各点处振动加速度值。同时测试了有/无波磨处钢轨表面波磨状况。对测试数据进行频谱、1/3 倍频程振动加速度级分析，研究了测试区域不同测点的环境振动特性，主要结论如下：

（1）钢轨波磨对于地铁隧道内及地面振动影响显著。通过钢轨打磨可以有效降低钢轨波磨引起的隧道内及地面振动。

（2）列车通过引起的振动，其幅值在钢轨-轨道板-隧道壁-地面的传播过程中逐渐降低，并且高频振动的下降速度远大于低频振动。高频振动对于地面环境振动基本无影响。

（3）短波波磨相较于长波波磨虽然不平顺等级较小但对于钢轨振动的影响更为剧烈。因此从轮轨力和车辆运行安全角度应重点考虑短波波磨对其的影响。

（4）地面振动加速度级的增大主要是由于钢轨表面长波波磨所引起的，短波波磨对地面振动的影响并不显著。因此在研究钢轨波磨对地面振动的影响时应重点考虑长波波磨的影响。