实际运营条件下的地铁钢轨波磨试验研究

张华鹏 吴蔚 徐梦楠 董勇 吴磊

摘要：针对地铁线路波磨病害，对一条采用了多种轨道结构、钢轨表面已经形成了多种钢轨波磨特征的实际地铁线路进行静态、动态试验，统计轨道结构与钢轨波磨的对应关系，分析车轮非圆化、车辆载重、列车速度和钢轨波磨波长对转向架轴箱振动的影响。结果表明：线路所有轨道结构上均存在钢轨波磨，按波磨严重程度区分依次是普通短轨枕、弹性短轨枕、凸台橡胶浮置板区段。通过镟轮改善了车轮的偏心磨损后，轴箱的振动加速度仍保持较高水平，车辆载重的变化不会影响轴箱的振动水平。轴箱振动加速度随车辆速度降低而降低，降速运行可以有效改善钢轨波磨对轴箱振动的影响。钢轨打磨可以有效降低短波长钢轨波磨诱发的轴箱振动，但对于长波长钢轨波磨，打磨后波磨依然显著存在，钢轨打磨不能有效缓解长波长钢轨波磨导致的车辆轴箱振动。

关键词：钢轨波磨；轨道结构；轴箱振动；运营模式；钢轨打磨

中图分类号：U270.1+1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.06.006

文章编号：1006-0316 （2023） 06-0040-08

Experimental Study of Rail Corrugation on a Metro under Actual Operation Conditions

ZHANG Huapeng，WU Wei，XU Mengnan，DONG Yong，WU Lei

（ School of Mechanical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China ）

Abstract：In order to address the issue of rail corrugation in subway lines， static and dynamic tests were conducted on an actual subway line that uses multiple types of track structures and has developed various types of rail corrugation on its surface. The corresponding relationship between track structure and rail corrugation was analyzed， and the impact of wheel non-circularity， vehicle load， train speed， and rail corrugation wavelength on the vibration of the bogie axle was studied. The results showed that rail corrugation existed on all track structures， with the severity of corrugation being ranked in the order of ordinary short rail sleepers， elastic short rail sleepers， and convex rubber floating plates. After improving the wheel's eccentric wear through wheel turning， the vibration acceleration of the axle remained at a high level， and changes in vehicle load did not affect the vibration level of the axle. The axle vibration acceleration decreased as the train speed decreased， and reducing speed could effectively alleviate the impact of rail corrugation on axle vibration. Rail grinding can effectively reduce the axle vibration induced by short-wavelength rail corrugation， but for long-wavelength rail corrugation， rail grinding cannot effectively alleviate the significant corrugation that remains after grinding， and thus cannot effectively reduce the axle vibration caused by long-wavelength rail corrugation.

Key words：rail corrugation；track structure；axle box vibration；operation mode；rail grinding

地鐵线路穿行于城市中，要经过对环境振动等级要求不同的区域。有些区域对环境振动要求非常严格，如北京地铁4号线附近的北大精密仪器试验楼[1]。为满足线路周围特殊地段的振动控制要求和控制线路建设成本，大多数地铁线路会同时采用多种轨道结构，如普通短轨枕扣件轨道、科隆蛋弹性扣件轨道和梯形轨枕轨道等，使得列车运营环境变得异常复杂。

地铁列车以特定运营模式在线路上运行，会在钢轨表面形成不同波长的准周期性波浪形磨耗，简称钢轨波磨[2]。钢轨波磨是轮轨系统普遍存在的一种损伤形式[3]。在相同行车速度下，一种轨道形式通常对应一种波长的钢轨波磨，对于那些同时使用了多种轨道结构的地铁线路，钢轨波磨会表现出各种波长特征[4]，对它们的监控和治理是一项非常重要的任务。

钢轨波磨是降低地铁交通环境友好度和威胁列车运营安全的主要原因之一[5]。当列车通过钢轨波磨地段时，会引起轮轨辐射噪声水平严重超标，降低旅客乘坐舒适性[6]。同时波磨还会导致车辆振动水平激增[7-10]，从而引起车辆零部件发生疲劳破坏[11-12]。钢轨打磨可以对波磨进行治理，缓解车辆和轨道零部件的振动幅值和声学噪声[13-15]。车辆运行速度也是影响车辆振动特性的因素之一，钢轨波磨在一定速度下可导致车辆部件产生剧烈振动，调节车速可缓解车辆振动水平[16-17]。尽管目前存在大量文献对钢轨波磨进行研究，但它们多是针对一种波磨类型。由于实际地铁线路采用多种轨道结构，在特定运营模式下会导致同一条线路上存在多种钢轨波磨特征，对这种现象的报道很少，有必要对其进行系统研究。

本文就一条铺设了多种轨道结构的、连续运营了十多年且未更换钢轨、钢轨表面形成了多种钢轨波磨特征的实际地铁线路，采用静态和动态相结合的测试方法对其进行研究。包括静态钢轨不平顺、车轮非圆化测试分析和动态运营条件下轴箱振动加速度测试分析。通过静态测试数据和动态测试数据的对应关系，分析轨道结构、空重车、传统钢轨打磨、列车变速运营条件下，钢轨波磨与轴箱振动的关系。从钢轨波磨对振动影响角度，为更好地设计轨道结构、组织列车运营和分配钢轨打磨资源提供参考和依据。

1 试验研究概况

选取我国一条典型地铁线路进行钢轨波磨试验研究。该线路已开通运营十几年，全长30多公里，铺设了多种轨道结构，且没有更换过钢轨。地铁车辆为B型地铁列车，每列车为6节编组，车辆空载轴重为8.2 t，最大载重轴重为13.9 t，最高运行速度为120 km/h。车辆振动试验均使用同一列地铁车辆连续测量。该线路具有列车类型单一、轨道结构多样、列车运行速度高、钢轨波磨类型多样的特点，特别适合作为研究钢轨波磨影响的对象。

图1给出地铁车辆车轮镟轮前后的车轮不圆度测试结果（静态测试）。

其中图1（a）为极坐标形式表征的车轮不圆度测试结果，反映滚动圆半径沿车轮周向的变化规律。一般用车轮径跳值表示车轮非圆化的严重程度，车轮径跳值是指车轮非圆化引起的最大车轮半径与最小半径的差值。

根據目前车轮镟修精度及现场运营经验，径跳值在0.1 mm以下的车轮状态良好；0.1～0.2 mm表示车轮状态一般；0.3 mm以上则表示车轮状态差，需马上进行镟修[18]。该车轮镟轮前表现为偏心磨损，车轮径跳值为0.433 mm，表明该车轮状态较差。镟轮后车辆径跳值在0.05 mm以内，车轮状态良好。图1（b）为采用窄带粗糙度谱分析（或阶次分析）后用于表示各阶多边形粗糙度水平的阶次图，可以看出，镟轮前车轮无明显车轮多边形。

为评价钢轨波磨对车辆运行的影响程度，选择轴箱振动加速度作为反映钢轨波磨影响的依据（动态测试）。其中，加速度测点位置选择在图1所示车轮对应的轴箱体上，位于车辆转向架轴箱顶部。试验前将传感器设置在轴箱端盖上，并开展以下几种工况测试：镟轮前后工况、轻重车工况、变速前后工况、不同钢轨波磨波长工况、打磨前后工况。

2 钢轨波磨静态测试及分析

为研究轨道结构与钢轨波磨的对应关系以及钢轨波磨区域的基本特征。采用钢轨波磨测量仪（Corrugation Analysis Trolley，CAT）对该线路的部分区间进行钢轨不平顺测试，根据测量的钢轨不平顺数据分析波磨在轨道结构上的分布情况。

2.1 波磨与轨道结构的关系

通过对铺设不同轨道结构的地铁线路进行钢轨不平顺测试，分析钢轨波磨在不同轨道结构上的特征。波磨的波长及波深特征参数测量结果见表1。

线路共存在3种轨道结构，且铺设线路上均存在钢轨波磨。根据表中不同轨道结构的波磨数据可以发现：相对于弹性短轨枕和凸台橡胶浮置板轨道结构，普通短轨枕扣件区段的钢轨波磨波长较大，对应的波磨通过频率也普遍较小，均在133 Hz以下；普通短轨枕扣件区段上的钢轨波磨波长主要表现为长波，通过频率为低频；弹性短轨枕和凸台橡胶浮置板区段的钢轨波磨波长较短，弹性短轨枕的波磨波长为长短波共存，凸台橡胶浮置板均为短波，波磨通过频率为高频。从图2可知，普通短轨枕扣件区段的钢轨波磨波深最大，最大波深（峰到谷）为0.997 mm，其次为弹性短轨枕和凸台橡胶浮置板，其中凸台橡胶浮置板区段的波磨程度较轻，最大波深只有0.07 mm。总之，各种轨道结构上都会产生钢轨波磨，只是波磨通过频率和波磨深度不同罢了。

2.2 钢轨波磨变波长特性

该地铁线路上存在多种轨道形式，不同轨道形式对应的波磨特征波长不同，且相同轨道形式对应波磨波长也有所不同。为研究钢轨波磨波长特征与车辆行驶速度的关系，对车辆在减速过程中钢轨波磨区段的钢轨不平顺数据（图3）进行测量，选取4种车速对应的里程作为钢轨不平顺测点，测点对应的车速依次为100、90、80和60 km/h。由图3可知，四个测量点左右侧钢轨上均存在钢轨波磨，当车辆运行速度为100 km/h时，测量点左轨的波磨严重程度高于右轨，而其它三个测量点左右轨上的钢轨波磨严重程度相同，由此可见该线路上普遍存在钢轨波磨病害。

由表2可知，在速度下降的同时，该里程

上的钢轨波磨波长也随之减小，波磨主要波长从500 mm降至250 mm。由于速度与波磨波长的变化趋势相同，因此不同速度下波磨区段的波磨通过频率依然在60 Hz左右。这表明同一线路上波磨波长与车辆速度相关，波磨波长会随速度的增大而变长，但车辆的波磨通过频率处于特定范围内，几乎不受速度变化的影响。上述波长－频率特性再次证明了钢轨波磨的频率固定机理。

3 钢轨波磨动态测试及分析

开展镟轮前后工况、轻重车工况、变速前后工况和打磨前后工况的动态测试，分析影响钢轨波磨的关键因素。

3.1 车轮非圆化的影响

根据在钢轨波磨线路区段测量的车轮镟轮前后轴箱振动加速度，得到轴箱垂向振动加速度时间历程（图4a），可知镟轮前后轴箱的振动加速度的变化趋势相同，由于钢轨波磨严重区段位于130～150 s时间范围内，所以该区间内车轮镟轮前后的振动水平最为剧烈，且最大振动加速度均为424 m/s2。可以看出，即使镟轮前车轮状态较差（图1a），但在车轮不存在多边形的情况下，钢轨波磨仍是影响轴箱振动剧烈的主要因素，镟轮对降低车辆轴箱振动水平的效果有限。

（b）频域图

图4 镟轮前后轴箱振动加速度

对应的轴箱垂向振动频谱如图4（b）所示，镟轮前轴箱的振动主要表现为60 Hz左右的低频振动，与表2中250～500 mm长波钢轨波磨的车辆通过频率一致，车轮镟轮后60 Hz左右的低频振动依然存在。因此，在线路上存在长波钢轨波磨且镟轮前不存在车轮多边形的情况下，车轮镟轮不能有效地缓解轴箱振动水平，长波钢轨波磨仍然是导致轴箱振动剧烈的主要原因。

3.2 空、重车的影响

为探明车辆载重对地铁车辆转向架轴箱振动的影响，针对车辆在空载和重载条件下转向架轴箱的振动加速度进行分析。轴箱的垂向振动加速度时间历程见图5（a），车辆在空載和重载下的轴箱振动加速度变化趋势及振动剧烈程度相近，无明显差异。由轴箱振动频谱（图5b）可以知道车辆在两种载荷下轴箱的振动同样均表现为60 Hz左右的低频振动，与存在的钢轨波磨通过频率相关，并且两种载荷在主要振动频率下的振动水平相同。因此，在该线路条件下车辆载重的变化不会影响转向架轴箱的振动水平。

3.3 运行速度的影响

车辆运行速度是研究钢轨波磨对车辆振动行为影响时需着重考虑的因素之一，现以车辆变速前后两种速度等级运行为例，分析车辆以不同速度等级运行时钢轨波磨对轴箱振动的影响。

试验时，令车辆在钢轨波磨严重的里程区间内进行变速，车辆运行速度由110 km/h变为60 km/h。图6（b）为轴箱垂向振动加速度时间历程，对比变速前后的轴箱振动加速度水平可发现，变速后的振动幅值与变速前相比大幅度下降，振动最大加速度由400 m/s2减小到160 m/s2，降幅达60%，可见车辆变速对缓解轴箱的振动水平效果明显。同样从对应的轴箱垂向振动频谱（图6b）中可看到变速前振动频率主要表现为60 Hz左右，变速后变为50 Hz左右，且幅值大幅度下降；振动次频率从130 Hz变为80 Hz，主次频率在变速前后的变化是由速度的改变导致的（表达出偏移）。因此，在钢轨波磨存在的情况下，改变车辆运行速度可以有效削弱轴箱的振动水平，减小波磨对车辆零部件振动的影响。

由于只在波磨严重的区段进行车辆变速，速度改变的里程较短，因此不会对地铁运营时间产生较大的影响，且该变速试验已在某地铁线路进行了长期测试，结果显示车辆部件发生疲劳断裂的次数大大降低，有效降低了波磨对车辆部件服役寿命的影响。所以变速运行是缓解波磨对车辆振动影响的有效措施。

3.4 钢轨打磨效果

钢轨打磨可消除轨道不平顺，减少轮轨间的振动，提高轨道稳定性，降低线路的维修费用[19]。为探明现有传统钢轨打磨方式（即恒功率打磨）打磨效果对转向架轴箱振动的影响，分析了钢轨恒功率打磨前后测得的钢轨不平顺以及车辆轴箱振动加速度数据。

根据短波长钢轨波磨的钢轨不平顺数据 （图7）可知，钢轨打磨有效消除了钢轨表面的短波长钢轨波磨。对于长波长钢轨波磨（图8），线路轨道上的钢轨波磨主波长为400 mm，钢轨打磨作业后，400 mm波长的钢轨波磨依然存在，钢轨不平顺水平降低不明显。因此相对于短波波磨，长波波磨打磨后无法有效消除。

短波钢轨波磨位置的轴箱振动时域图（图9）表明短波波磨打磨可以有效缓解轴箱的振动水平。而根据长波钢轨波磨位置的轴箱振动时域图（图10）可知，虽然钢轨打磨后的轴箱振动水平在部分区间内有所降低，但打磨后轴箱振动最大加速度优化效果不明显。因此长波钢轨波磨打磨后轴箱振动加速度没有显著下降是由于钢轨打磨后波磨依然存在所导致的。

从轴箱垂向振动频谱（图11）中可以得出，打磨前后轴箱振动频率均主要表现在60 Hz左右，与波磨的通过频率相同，说明钢轨波磨依然是影响打磨后轴箱振动剧烈的主要因素。所以，当钢轨存在长波钢轨波磨时，由于恒功率打磨方法是保持磨石与钢轨的打磨压力恒定，因此当波磨较长时，波峰与波谷的打磨量相同，打磨无法有效改善钢轨的不平顺状态钢轨打磨后无法有效消除波磨，从而导致钢轨打磨对降低车辆轴箱振动水平的效果不明显。

4 结论

在实际运营条件下，对采用多种轨道结构的地铁线路钢轨波磨进行静态和动态试验，统计轨道结构与钢轨波磨形态的对应关系，分析波磨钢轨条件下的车轮非圆化、车辆载重、运行速度对车辆轴箱振动的影响，结论如下：

（1）线路所有轨道结构上均存在钢轨波磨，其中普通短轨枕扣件区段的波磨最严重，其次为弹性短轨枕和凸台橡胶浮置板区段，这些轨道结构的波磨波长依次表现为长波、中长波以及短波；在车辆速度非恒定区段，波磨波长随速度的下降而减小，但波磨通过频率不变。

（2）当车轮主要表现为偏心磨损且不存在多边形时，轴箱的振动水平在车轮镟轮前后变化不明显，镟轮不能有效缓解轴箱的振动水平，钢轨波磨依然是导致轴箱剧烈振动的主要原因；此外，车辆载重的变化也不会影响轴箱的振动水平。

（3）车辆变速可有效降低轴箱振动水平，当速度从110 km/h变化为60 km/h时，轴箱振动水平降幅可达到60%，同时由于变速区间里程占比较小，所以不会对地铁运营时间产生较大影响，车辆变速具有缓解波磨影响的现实可行性。

（4）现有的传统钢轨打磨方式（即恒功率打磨）可以有效降低短波长钢轨波磨诱发的轴箱振动，但对于长波长钢轨波磨，由于打磨方式的局限性，打磨后波磨依然显著存在，因此恒功率钢轨打磨不能有效缓解长波长钢轨波磨导致的车辆轴箱振动。

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更正通知

发表于《机械》杂志2023年第5期的论文《底辊轻量化实用设计中减重孔临界开孔率的研究及其应用》的第四作者“房殿君”应为“房殿军”，特此更正。

《机械》编辑部