钢轨波磨对地铁轨道振动特性影响研究

钢轨波磨对地铁轨道振动特性影响研究

李敏刚

西安市轨道交通集团有限公司运营分公司  陕西省西安市  710000

摘要：钢轨波磨现象历来是中国地铁轨道问题的难点课题之一，随着中国铁路交通的高速发展，轨道交通沿线的钢轨波磨问题也越来越常见。钢轨波磨结构的发生不但增加了地铁轨道部件震动和噪音过高的情况，还会降低其使用舒适度，减少地铁轨道部件的疲劳寿命，以及因此带来的安全隐患。为研究钢轨波磨对地铁轨道振动的影响，就需要对钢轨波磨同一段的地铁轨道进行振动试验，以达到减振的效果。

关键词：钢轨波磨；地铁轨道；振动特性

引言

随着中国经济地位的提升，都市社会的车辆日益增多，道路交通问题（包括：道路拥堵、环境污染和安全等）日益严峻，缓解城市交通难题的出路就是优先发展以都市轨道交通为支柱的运输系统。由于城市地铁轨道交通拥有运力多、车速快、安全、节约、保护城市环境等的优势，目前城市地铁轨道交通系统已建设将近五十多年，步入黄金发展阶段[1]。近年来，由于各城市地铁轨道运营时间较长，部分地铁路段的钢轨初始粗糙度逐渐演变为波浪形磨损，地铁轨道的波纹会加剧地铁轨道和车辆本身的振动，这就需要对其振动特性进行分析以改善现象发生情况。

一、钢轨波磨概述

轮轨的滑动接触是列车和铁轨之间连接的重要部分，同时又是整个地铁轨道系统的基本构件，其牵引、行驶、刹车，以及重量传递等的功能均是利用与轮轨直接接触完成的。随着我国地铁轨道交通业的飞速发展，人们对于地铁轨道的使用要求也有所提升，但从我国地铁轨道发展至今而言，尽管对于地铁轨道设计中的几何参数与轮轨结构均不断创新，但是在实际的生产中仍会存在一些较为明显的问题，而问题的存在也会影响地铁轨道的实际运行效果，具体表现在轮轨运行并没有完全实现，如轨轮损伤、轨轮噪声、脱轨等问题的发生也越来越严重。随着地铁轨道交通业的快速发展，运行期间呈现的轮轨损伤现象越来越明显，最常见的问题是轮轨异常磨损，包括：钢轨波纹磨损（以下简称钢轨波磨）、多边形磨损、拉钢轨侧面、轮轨划痕、车轮点蚀和槽型磨损等，不论出现哪种磨损类型都会严重影响地铁轨道的实际运行质量，这不仅增加了地铁的运营和维护成本，而且威胁到列车运行的安全，甚至导致人员乘车期间对其安全带来较为严重的威胁，因此，如何提升地铁轨道运行安全，为人员乘车提供保障是需要解决的主要问题。

二、钢轨波磨产生的原因

2.1小半径曲线造成钢轨波磨

由于曲线地段上下股长度不一致，列车在经过时会造成两个车轮实际经过的路径长度不同，但是由于两个车轮是连在同一个车轴上，转动圈数相同，列车下股车轮为适应上股车轮，从而在曲线下股形成“蠕滑”现象，曲线下股产生波浪型磨耗，半径越小，波浪型磨耗越严重，造成曲线下股钢轨压溃，进而出现不同程度的波磨、掉块等病害。

2.2轨道减振设计导致钢轨波磨

减振地段设计的原理为将列车与轨道之间接触产生的振动一部分由向下传递到地面改为向上传递到车厢，从而出现减振地段地面振动小，列车车厢内振动增大的现象。由于减振地段车轮与钢轨之间振动加大，从而出现有规律的波浪形磨耗，目前在各城市地铁发现钢弹簧浮置板道床、压缩型扣件、减振垫道床地段波磨最为明显。

2.3其他地段钢轨波磨

在进站道岔、下坡制动地段或列车紧急制动时轨面上出现波磨的现象较普遍。列车实行制动时，车轮受到轨面向后的切向力，制动力与蠕滑力迭加，改变了轮轨间切向力值，使导向轴上减载车轮首先滑动而诱发轮对粘滑振动，使轮对与轨面在高粘着状态下产生波磨。

三、钢轨波磨测试

城市轨道的线路主要为地下线的形式存在，具体运行在隧道之中，且隧道的形式以圆形为主，断面道床的形式则是以普通整体道床的形式存在，地铁通过该断面车速为75km/h，在实际运行期间可以满足地铁轨道运行需求，以及人员乘坐地铁轨道的实际需求，针对地铁轨道出现的振动特性分析后可以得知，其会对地铁轨道的正常运行起到极大的影响[2]。钢轨波磨测试以Ⅲ型减振器扣件地段为例，进行打磨前后及在打磨后安装双层非线性减振扣件进行对比分析，主要是使用CAT钢轨波磨测量仪的方式进行测试，借助手工测试的方式测试其粗糙度的情况，地铁轨道波磨波长和频率对比如表1所示，地铁钢轨的波磨粗糙度总值如表2所示。通过对表1与表2的分析就可以得出相关结果，主要是由于Ⅲ型减振器扣件区间在打磨之前存在波磨较为严重的情况，而通过打磨之后就可以有效控制钢轨波磨的具体情况，且这种改造后新安装的双层非线性减振扣件可以起到较好的效果，对钢轨波磨的发展有明显的抑制作用。

表1 钢轨波磨的波长与频率

表2 钢轨波磨的粗糙度总级/dB（A）（ref=1μm）

四、钢轨波磨对地铁轨道振动特性影响

4.1 现场测试情况

钢轨波磨在地铁轨道振动问题解决期间，通过现场测试可以将存在的问题及时解决，目前，在隧道内钢轨的在线测试共计四个测点，钢轨振动加速度级以曲线外股垂向、曲线内股垂向、曲线外股横向与曲线内股横向为主要表现形式，以Ⅲ型减振器打磨前、Ⅲ型减振器打磨后、双层非线性减振扣件进行振幅比较，Ⅲ型减振器打磨前：曲线外股垂向、曲线内股垂向、曲线外股横向与曲线内股横向的加速度级为：144.8、154.7、142.5、144.8（dB/{ref=1×10-6 m.s-2}）；Ⅲ型减振器打磨后：曲线外股垂向、曲线内股垂向、曲线外股横向与曲线内股横向的加速度级为：142.6、145.5、135.6、140.1（dB/{ref=1×10-6 m.s-2}）；双层非线性减振扣件：曲线外股垂向、曲线内股垂向、曲线外股横向与曲线内股横向的加速度级为：142.8、146.0、136.4、141.2（dB/{ref=1×10-6 m.s-2}）。通过对钢轨振动加速度级内容的分析就可以发现，在曲线外股垂向、曲线外股横向、曲线内股垂向及曲线内股横向中Ⅲ型减振器扣件打磨后的振幅较打磨前均有所减少，这样就可以有效改善地铁轨道振动的情况，为其安全运行奠定坚实的基础。

4.2波磨作用下轨道结构振动特性

钢轨波磨操作在地铁轨道应用期间，通过分析振动特性提出相应的改善措施，目前隧道内轨道结构的在线测试具有较好的效果，具体包含隧道壁垂横向振动以及道床垂横向振动，其中道床及隧道壁振动加速度级中的道床都是以道床垂向、道床横向、隧道壁垂向与隧道壁横向为主进行分级，其振幅比较都是以Ⅲ型减振器打磨前、Ⅲ型减振器打磨后、双层非线性减振扣件进行振幅比较，Ⅲ型减振器打磨前：道床垂向、道床横向、隧道壁垂向与隧道壁横向的振幅一般为：78.6、62.6、64.1与69.1（dB（Z）/{ref=1×10-6 m.s-2}）；Ⅲ型减振器打磨后：道床垂向、道床横向、隧道壁垂向与隧道壁横向的振幅一般为：74.9、59.0、58.9与64.7（dB（Z）/{ref=1×10-6 m.s-2}）；双层非线性减振扣件：道床垂向、道床横向、隧道壁垂向与隧道壁横向的振幅一般为：72.8、60.6、57.4与62.4（dB（Z）/{ref=1×10-6 m.s-2}）。通过对道床及隧道壁振动加速度级相关内容的分析就可以准确得知钢轨波磨的作用，曲线外股打磨后比打磨前粗糙度有所减少，且主要可以减少于2.3dB（A），而对于道床及隧道壁产生的相关振动来说，经打磨后其也有明显的改善，具体可以改变为道床垂向振动比打磨前减少3.7dB（Z），由此可以有效解决目前存在的振动问题，为地铁轨道的安全有效运行奠定良好的基础[4]。

结束语

随着我国地铁轨道交通的快速发展，列车运行时钢轨波磨产生振动噪音，不仅影响乘坐舒适性，还会在一定程度上增加地铁运营维护成本。通过本研究可知，对于地铁轨道交通运行而言，钢轨波磨问题是难点问题之一，基于此，为降低钢轨波磨发生，应持续开展钢轨修复打磨，有效地减少或消灭钢轨滚动接触疲劳和波磨，延长钢轨的使用寿命。同时可更换为减振性能较好的扣件，如双层非线性减振扣件、洛徳减振扣件、谐振式浮轨扣件、压缩性减振扣件等，可有效降低钢轨波磨产生，提升地铁轨道运行的安全稳定性。