城市軌道交通鋼軌波浪形磨耗特征分析*

曹 亮 許玉德 周 宇 詹 剛

(同濟大學交通運輸工程學院,201804,上海∥第一作者,碩士研究生)

鋼軌的波浪形磨耗(簡為鋼軌波磨)是鋼軌傷損的一種表現形式。目前在中國內地已開通運營城市軌道交通的城市,如上海、廣州以及南京等,均已不同程度地出現了鋼軌波磨的現象[1-3]。波磨的產生加劇了輪軌動力作用,加速了車輛轉向架及軌道部件的損壞,增加了工務部門的養護維修費用;由波磨引起的列車高頻振動降低了乘車的舒適度,嚴重時甚至可能危及列車安全;另外,列車通過波磨鋼軌時所發出的嘯叫聲也成為軌道交通噪聲的主要來源之一。

要從根本上消除波磨對行車和軌道養護造成的不利影響,采取有效的預防和治理措施,必須弄清楚波磨產生的原因和發展的規律,對影響波磨的因素進行分析。而進行上述研究和分析的前提,就是要對出現波磨的鋼軌進行系統全面的觀測和追蹤,以掌握波磨的特征。本文正是基于上述的考慮而進行的。

1 國外城市軌道交通鋼軌波磨特征綜述

鋼軌波磨作為城市軌道交通鋼軌傷損的主要形式之一,早已引起了發達國家軌道交通工務部門的重視。美國、加拿大、法國、意大利和日本等國先后對所在地區的軌道交通線路上的波磨進行了大范圍的觀測與統計,總結出了軌道交通鋼軌波磨的一些特征。

Tassilly等[4]在20世紀80年代末期對巴黎都市軌道交通管理局(RATP)運營的巴黎地鐵和法國快速軌道網絡線路上的鋼軌波磨進行了觀測,結果發現：波磨主要出現在曲線上且種類各異,波長一般在50～300 mm之間;波磨或出現在曲線下股鋼軌(混凝土整體道床波磨波長較短),或出現在上股鋼軌(有砟軌道上波長較長),或上下股均有波磨產生。

Donald R.Ahlbeck等人[5]對1969年至 1989年間的47篇有關鋼軌波磨的科技報告及研究文獻進行了綜述,總結了波磨出現的軌道類型、運營速度、曲線半徑,以及波磨波長、波深等特征。其中：城市軌道交通鋼軌波磨出現的曲線半徑在366 m之內,波磨波長介于50～200 mm之間;波深與波長相關,短波波磨的波深一般小于0.2 mm,最大波深達0.9 mm。

Yoshihiro Suda等人[6]發現東京地區重要的通勤線路山手線的小半徑曲線下股鋼軌上出現了嚴重的短波長波磨,其波長分布在50～150 mm范圍內,最大波深達到了0.9 mm。

Giorgio Diana等人[7]通過對意大利米蘭地鐵的現場觀測,得出了米蘭地鐵不同軌道類型的小半徑曲線鋼軌波磨的主要特征(見表1)。

表1 米蘭地鐵波磨主要特征

縱觀國外研究人員對波磨特征的觀測統計結果,城市軌道交通鋼軌波磨主要出現在曲線段,尤其是小半徑曲線的下股鋼軌;波長介于50～300 mm之間,波深與波長相關聯,最大波深達0.9 mm。

2 上海軌道交通1號線波磨特征統計分析

為了全面地了解上海軌道交通鋼軌波磨的情況,分析波磨的成因,以達到針對性地提出減緩鋼軌波磨的措施和相應的技術參數,對上海軌道交通1號線部分曲線和直線的鋼軌進行了連續布點測量,并對波磨測量數據進行統計分析。

2.1 被測線路的條件及波磨測量方案

本次測量所選線路條件如表2所示。所選線路均鋪設60 kg/m鋼軌,軌下基礎為長軌枕埋入式整體道床,軌枕數量按1 680根/km配置,鋼軌扣件采用DTⅢ型扣件。采用SEC-RC電子平直儀(1 m長),對所選定曲線的下股鋼軌和直線左右股鋼軌每隔20 m進行一次測量。各線路對應測點數如表3所示。

表2 上海軌道交通1號線被測線路條件

表3 定點測量的測點數量統計

2.2 鋼軌頂面特征及波磨宏觀特征

鋼軌頂面特征能反映鋼軌目前的狀況和車輪在鋼軌上運行的狀態。通過觀察發現,測試曲線線路的下股鋼軌普遍壓潰,軌頂面波磨比較明顯,輪軌接觸帶基本覆蓋整個軌頂頂面,并在外側邊形成多處肥邊,軌面伴隨有長裂紋和剝離,如圖1所示。在波磨顯著地段,波峰光滑,波谷有密集的裂紋,部分地段波峰、波谷裂紋相連。

2.3 波磨的波長和波深特征統計分析

波長和波深(即峰峰值)是衡量鋼軌波磨的最重要的兩個指標。根據波長固定機理,波磨的產生與輪軌系統的某階振動密切相關。通過列車運行速度v與波磨波長λ計算所得的頻率f=v/λ,往往是判斷導致波磨產生的振動來源的依據;同時,不同波長和波深的波磨對列車通過的動力沖擊響應的影響也不同。二者結合起來共同反映波磨的輕重程度。

圖1 曲線線路下股鋼軌頂面特征

由于所采用的波磨測尺在1 m的長度范圍內每隔5 mm進行一次采樣,因此在用Matlab編程對數據進行頻譜分析時設定的空間采樣頻率 fs=200 m-1。典型測點波磨的波形圖和功率譜密度圖如圖2所示。

從實測的圖2(a)波形圖中可以看出,波磨均勻規則,周期性明顯,波深變化幅度微弱,平均波深havg=0.82 mm,最大波深hmax=0.83 mm。在圖2(b)的功率譜密度圖上有一處明顯的峰值,出現在4.883 m-1處,對應波長為λ=1/f=205 mm。

經統計,得出測量方案中四種工況下的波磨的波長和波深特征,如表4所示。

圖2 上海軌道交通1號線火車站站—漢中路站下行曲線第8測點波磨波形圖及功率譜密度圖

表4 測量線路鋼軌波磨特征統計

表4中的特征波長是將同一曲線上所有波磨特征明顯的測點數據合并所得到的平均功率譜對應的波長。可以看出,曲線1和曲線2波磨的特征波長都在200 mm左右,它們的波深范圍與波深的平均值也很接近。對比曲線1與曲線2發現,曲線2的特征波長與平均波深都要略大于曲線1,同時其波長與波深的范圍也比曲線1略大一些。曲線3的波磨在沿列車運行方向的出入曲線部分呈現出兩種不同的特征：入曲線段波長與波深都較小,而出曲線段則較大。曲線3在入曲線段波長為52～76 mm,波深介于0.02～0.14 mm之間;而出曲線段的波長為119～341 mm,波深為0.09～0.88 mm。其出曲線段的特征波長約為入曲線段的4倍,平均波深則為入曲線段的7倍之多。曲線3在列車運行方向的入曲線端與直線1相連。直線1的波磨特征與曲線3的入曲線段非常相似。

從動力學角度來說,在相同運行速度下,具有大波深和高通過頻率的鋼軌波磨對車輛-軌道耦合系統具有很大的沖擊能量,對車輛和軌道的損傷程度也很嚴重[8]。將所測數據按照0.2 mm波深區間長度進行統計,各個范圍波深所占比例如圖3所示。

由圖3可以看出,波深在0.2 mm之內的波磨比例最大,達到了53.8%;隨著波深的增大,各范圍的比例在降低;波深大于1 mm的波磨僅占2.97%。

圖3 波磨波深范圍比例統計

3 結語

本文在對上海軌道交通1號線部分波浪形磨耗較為嚴重的曲線鋼軌和直線段進行連續布點測量的基礎上,采用Matlab編程對測量數據進行了頻譜分析,并結合現場觀測的實際情況對波磨特征進行統計分析,得出以下結論：

1)城市軌道交通鋼軌波磨在曲線下股和直線的左右股均有可能產生。

2)所測段的波磨鋼軌波峰光滑,波谷有密集的裂紋,部分地段波峰、波谷的裂紋相連。

3)上海軌道交通1號線所測段線路鋼軌波磨的波長介于50～350 mm范圍之內,波深最大值達1.37 mm。

4)不同半徑曲線的波長范圍及特征波長可能有所差異;同一條曲線上沿列車運行方向的出曲線段與入曲線段波磨可能會呈現明顯的差異,出曲線段的波長與波深要大于入曲線段,入曲線段與相連的直線段波磨特征相似。

通過對現場實測數據的統計分析,為今后進一步研究城市軌道交通鋼軌波磨的生成機理以及針對性地采取波磨防治措施提供了一定的參考和依據。

[1]張學華.城市軌道交通鋼軌波浪形磨耗的產生和預防[J].上海鐵道科技,2008(1)：100.

[2]王華川,王仲林.打磨技術在地鐵軌道養護中的實踐探討[J].甘肅科技,2006,22(1)：51.

[3]瞿鋒.上海地鐵軌面接觸疲勞裂紋傷損的產生、影響及防治[J].城市軌道交通研究,2008(11)：40.

[4]T assilly E,Vincent N.Rail corrugations：analytical model and field tests[J].Wear,1991,144(1-2)：163.

[5]Ahlbeck D R,Daniels L E.Investigation of rail corrugations on the Baltimore Metro[J].Wear,1991,144(1-2)：197.

[6]Yoshihiro Suda,Mitsuo Hanawa,Mikio Okumura,et al.Study on rail corrugation in sharp curves of commuter line[J].Wear,2002,253(1-2)：193.

[7]Diana G,Chelif F,Bruni S,et al.Experimental and numerical investigation on subway short pitch corrugation[J].Vehicle System Dynamics,1998,29(supplement)：234.

[8]溫澤峰.鋼軌波浪形磨損研究[D].成都：西南交通大學,2006.