減振軌道結(jié)構(gòu)鋼軌波磨特征現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與分析

李 霞，張雪珊，張 劍，王衡禹，溫澤峰，金學(xué)松

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧大連 116028;3.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)*

0 引言

我國(guó)某地鐵線路開通后不久，其科隆蛋減振軌道直線和曲線區(qū)段均出現(xiàn)了嚴(yán)重的短波長(zhǎng)波磨，如圖1所示，其主波長(zhǎng)為40～50 mm.這種短波長(zhǎng)波磨的出現(xiàn)加劇車輛軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，加速車輛軌道結(jié)構(gòu)部件的老化，縮短其使用壽命，對(duì)車輛軌道系統(tǒng)的服役性能有很大影響.為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，Grassie［1-2］、Sato［3］和Nilsen［4］等人對(duì)近幾十年鋼軌波磨的研究進(jìn)展和相應(yīng)的減磨措施做了詳細(xì)地綜述.Ahlbeck和Daniels［5］對(duì)由多種軌道形式構(gòu)成Baltimore城市地鐵的波磨情況展開了比較全面的研究，通過跟蹤試驗(yàn)和數(shù)值建模分析了該地鐵波磨的可能成因.Diana等人［6］結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和理論模型對(duì)米蘭地鐵短波波磨的產(chǎn)生機(jī)理展開了研究.王小文等人［7］根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和試驗(yàn)測(cè)試介紹了廣深準(zhǔn)高速鐵路鋼軌波狀磨耗的特點(diǎn).譚立成等人［8］提出輪對(duì)摩擦自激振動(dòng)是鋼軌波磨形成的基本機(jī)理.Jin等人［9］通過滾動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)再現(xiàn)了鋼軌短波波磨現(xiàn)象，研究結(jié)果表明波磨形成與軌道結(jié)構(gòu)特性相關(guān).李霞等人［10-11］分析了普通短軌枕軌道和套靴軌枕軌道鋼軌波磨形成的初步原因.本文結(jié)合該地鐵線路實(shí)際情況，對(duì)科隆蛋減振軌道鋼軌波磨情況展開調(diào)查，并借助于理論知識(shí)對(duì)其展開分析.

圖1 鋼軌波磨

1 鋼軌波磨現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

大量的現(xiàn)場(chǎng)(所有直線段和曲線段)調(diào)查和測(cè)試結(jié)果顯示，相近速度下，科隆蛋減振軌道結(jié)構(gòu)上所形成的波磨特征基本一致.

為了便于掌握現(xiàn)場(chǎng)鋼軌波磨特征的詳細(xì)情況，在該地鐵線路A站和B站之間的科隆蛋減振軌道上選取了一段作為調(diào)查對(duì)象，曲線參數(shù)為2000m(半徑)，近似于直線，故后面分析用左右軌分別標(biāo)注兩股鋼軌.利用ODS鋼軌不平順測(cè)量系統(tǒng)對(duì)該調(diào)查區(qū)段鋼軌波磨進(jìn)行了測(cè)量.該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝及測(cè)量情況如圖2所示，將該裝置安裝在鋼軌上可以同時(shí)測(cè)量距鋼軌內(nèi)側(cè)20、30和40 mm三個(gè)位置處的縱向不平順.

圖2 ODS鋼軌不平順系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試示意圖

該調(diào)查區(qū)段的測(cè)試結(jié)果如圖3所示，給出了距鋼軌內(nèi)側(cè)30 mm位置處的波磨情況.從圖3可知，該區(qū)段左軌波磨最大波深(峰到谷)大約0.123mm，見圖3(a)，右軌波磨最大深度大約0.075 mm，見圖3(b).左軌的波磨深度大于右軌的深度，這可能是由于軌道結(jié)構(gòu)設(shè)置不對(duì)稱造成的.

圖3 科隆蛋減振軌道鋼軌波磨

圖4給出了圖3中左右軌鋼軌波磨對(duì)應(yīng)的1/3倍頻程結(jié)果.從圖中不難發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段科隆蛋減振軌道內(nèi)外軌波磨主波長(zhǎng)為40～50 mm，次波長(zhǎng)約為20和200 mm.

列車通過該波磨區(qū)段的速度約為50 km/h，則對(duì)應(yīng)三個(gè)波長(zhǎng)的波磨通過頻率大約為

圖4 鋼軌波磨不平順等級(jí)

2 鋼軌硬度測(cè)試

為了解波磨鋼軌的硬度情況，采用了硬度測(cè)量?jī)x對(duì)多處波磨軌的狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)量.硬度測(cè)量選取了未被車輪碾壓的鋼軌、明顯發(fā)生波磨的直線段鋼軌和曲線段鋼軌.首先對(duì)鋼軌基體硬度進(jìn)行了測(cè)量，然后分別對(duì)直線左右軌和曲線內(nèi)外軌進(jìn)行測(cè)量.所有測(cè)量結(jié)果均采用布氏(HB)硬度衡量.

2.1 鋼軌基體硬度

鋼軌基體硬度測(cè)量共分兩組進(jìn)行:第一組在曲線段鋼軌進(jìn)行了15次測(cè)量;第二組在直線段鋼軌進(jìn)行了10次測(cè)量.測(cè)量在鋼軌軌頭外側(cè)未經(jīng)車輪碾壓部分進(jìn)行.測(cè)量時(shí)用清潔劑和砂紙將鐵銹去除，測(cè)量點(diǎn)隨機(jī)選取.硬度測(cè)量結(jié)果如圖5所示.

圖5 鋼軌基體硬度

從圖5可知，大部分測(cè)量結(jié)果集中在250 HB左右，但有少量測(cè)量結(jié)果偏小.這部分異常數(shù)據(jù)的平均值為189 HB(圖中虛線所示)，這些異常數(shù)據(jù)可能是軌頭表面未除盡的鐵銹所造成的.去除異常數(shù)據(jù)后，鋼軌基體硬度測(cè)量結(jié)果的平均值為251 HB(圖中實(shí)線所示).從圖中還可以看到曲線段鋼軌與直線段鋼軌的基體硬度是一致的.測(cè)量結(jié)果顯示，曲線段鋼軌的基體硬度為251 HB;而直線段鋼軌的基體硬度為252 HB.二者幾乎完全相同.

2.2 直線波磨軌硬度

直線段波磨軌的測(cè)量選取在同一位置的左右兩側(cè)鋼軌上，每一組測(cè)量從某個(gè)軌枕的大致位置開始，在沿著鋼軌方向的一條直線上進(jìn)行，長(zhǎng)度跨越5個(gè)波長(zhǎng).在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)(以每個(gè)“峰-谷-峰”為一個(gè)單位)，盡量均勻地布置5個(gè)測(cè)量點(diǎn).圖6以直線段左側(cè)軌為例，顯示了測(cè)量點(diǎn)的分布.

圖6 直線段鋼軌硬度測(cè)量點(diǎn)分布

測(cè)量結(jié)果如圖7.圖中結(jié)果顯示，直線段上發(fā)生波磨的鋼軌表面的硬度大約分布在310～350 HB之間，遠(yuǎn)高于鋼軌基體硬度251 HB.說明經(jīng)過車輪碾壓，鋼軌表面發(fā)生了明顯的加工硬化.測(cè)量結(jié)果同時(shí)也顯示了在直線段左右兩側(cè)鋼軌的硬化程度大致是相當(dāng).同時(shí)，圖7所示結(jié)果還清楚地顯示了波谷處的硬度大于波峰處的硬度.在圖中所示的數(shù)據(jù)中，僅右側(cè)軌第一個(gè)波谷處測(cè)得的硬度略小.而考慮到該波谷兩側(cè)的硬度值都比較高，該處硬度值下降可能是由于測(cè)量不準(zhǔn)確造成的.波谷處較高的硬化現(xiàn)象反映了波谷處承受了較高的壓力，導(dǎo)致了此處較大的磨損和塑性變形，促使了波谷的進(jìn)一步加深，波磨進(jìn)一步惡化.

圖7 直線段鋼軌硬度測(cè)試結(jié)果

2.3 曲線波磨軌硬度

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)曲線外軌上，肉眼可見鋼軌沿滾動(dòng)方向呈帶狀的不同顏色的區(qū)域.因此，測(cè)量分別在如圖8所示的三條沿滾動(dòng)方向的直線上進(jìn)行.每一組測(cè)量的長(zhǎng)度跨越2個(gè)波長(zhǎng)，在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)布置了5個(gè)測(cè)量點(diǎn).硬度測(cè)量結(jié)果如圖9所示.圖9中測(cè)量線1～3分別與圖8中的測(cè)量線1～3對(duì)應(yīng).

圖8 曲線段外軌硬度測(cè)量點(diǎn)分布

從圖9中可知，測(cè)量線2上所測(cè)得的硬度要明顯高于測(cè)量線1和3，而測(cè)量線1和3上所測(cè)得的硬度與在直線段鋼軌上所測(cè)得的硬度在同一個(gè)水平上.考慮到曲線段外軌的受力更大，它自然也受到了比直線鋼軌更強(qiáng)烈的硬化作用.測(cè)量線2上的波谷處硬度略大于波峰處硬度，而在測(cè)量線1和3上并沒有發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律.

圖9 曲線外軌硬度測(cè)試結(jié)果

對(duì)曲線內(nèi)軌，沿滾動(dòng)方向并無如外軌上不同顏色的帶狀區(qū)域，所以這里采用了類似直線段的測(cè)點(diǎn)布置(如圖6)，即沿著滾動(dòng)方向進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示波谷處硬度略大于波峰，硬度值在300～360 HB直接波動(dòng).同時(shí)，對(duì)內(nèi)軌沿橫向也進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量共兩組，每組5個(gè)測(cè)量點(diǎn)自內(nèi)而外覆蓋了整個(gè)接觸區(qū)域.測(cè)量結(jié)果如圖10所示.由圖中結(jié)果可知，與曲線段外軌硬度中間高兩邊低的硬度分布不同的是，內(nèi)軌大部分區(qū)域硬度都在310～330 HB之間.而貼近鋼軌內(nèi)側(cè)部位的硬度約為350～370 HB.該處硬度上升可能是由于輪緣貼靠鋼軌內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的硬化.

圖10 曲線內(nèi)軌硬度測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和試驗(yàn)測(cè)試對(duì)某地鐵科隆蛋減震軌道鋼軌波磨特征做了較為全面的分析.首先，利用ODS鋼軌不平順測(cè)量系統(tǒng)對(duì)調(diào)查區(qū)段鋼軌波磨進(jìn)行了測(cè)量.然后利用硬度儀對(duì)鋼軌基體硬度、直線段波磨軌硬度和曲線段波磨軌硬度做了大量的測(cè)試.結(jié)合波磨相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，研究表明:

(1)科隆蛋減震軌道結(jié)構(gòu)直線段和曲線段大范圍出現(xiàn)鋼軌波磨.大量的現(xiàn)場(chǎng)(所有直線段和曲線段)調(diào)查和測(cè)試結(jié)果顯示，相近速度下，該軌道形式上所形成的波磨特征基本一致;

(2)波磨主波長(zhǎng)為40～50 mm，次波長(zhǎng)約為20和200 mm.此段行車速度大約為50 km/h，三個(gè)波長(zhǎng)的波磨通過頻率分別為278～3478、694和70 Hz;

(3)硬度測(cè)量選取了明顯發(fā)生波磨的直線段和曲線段鋼軌.測(cè)量結(jié)果顯示鋼軌基體硬度約為251 HB.經(jīng)車輪碾壓，鋼軌表面發(fā)生硬化后，直線段左右兩股鋼軌的硬化程度大致是相當(dāng);曲線段外軌(410～430 HB)硬度遠(yuǎn)大于直線段鋼軌(310～350 HB)和曲線段內(nèi)軌(310～330 HB).直線段和曲線段上，波谷處硬度大于波峰處硬度.

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