鋼軌粗糙度間接測試分析方法的研究與應用*

董孝卿， 高 攀， 徐俊杰， 陳 彪， 蔣成成， 田朋溢,李秋澤

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所, 北京 100081； 2 華東交通大學 機電與車輛工程學院, 南昌 330013； 3 中車長春軌道客車股份有限公司 轉向架部， 長春 130062)

隨著高速鐵路的快速發展，高鐵出行的人數逐年增加，噪聲問題成為群眾日益關注的焦點。現有研究表明，當列車運營速度達到300 km/h時，輪軌激勵產生的振動噪聲是車內外振動噪聲增大的主要原因[1]。

鋼軌短波不平順是指鋼軌頂面波長為1 m以下的不平順，主要包括軌面不均勻磨耗、軌面擦傷、焊縫不平順等[2]。鋼軌軌面短波不平順會引起輪軌高頻振動，導致車輛及軌道損傷和壽命降低。國內外研究發現輪軌表面不平順與輪軌滾動噪聲直接相關，500～2 500 Hz頻率范圍內，輪軌滾動噪聲與輪軌表面短波不平順幅值之間存在線性關系[3]。對鋼軌軌面短波不平順進行分析研究，是合理進行鋼軌養護維修、延長鋼軌使用壽命、控制輪軌振動和噪聲、提高列車運行品質的重要基礎。因此有必要對鋼軌短波不平順展開研究。目前常用方法為鋼軌直接測量法，其測量原理主要有弦測法和慣性基準法兩類。弦測法測量原理是在軌道上面固定一根基準梁，然后使位移傳感器沿著基準梁移動并測量鋼軌表面相對于基準梁的高度，從而得到軌面不平順；慣性基準法測量原理是利用加速度傳感器組成的測量裝置固定在小車上，小車由手推或電動馬達驅動沿著軌道移動，在移動過程中測量軌面不平順。直接測量法雖具測試精度高的特點，但其測量距離短，作業效率低。

為彌補直接測量法的缺點，快速實現全線路鋼軌不平順普查測試的目的。文中利用武廣線運行的CRH3C型動車組開展了基于輪軌噪聲測試的間接測量方法研究和試驗，其主要內容是結合輪軌粗糙度試驗實測數據，研究鋼軌表面聲學粗糙度間接式測量方法，普查武廣線鋼軌粗糙度水平。

1 鋼軌短波不平順間接式測試原理

在輪軌滾動噪聲的研究中發現車輪與鋼軌粗糙度之間存在著直接的頻譜關系[4-6]，如式(1)所示

ΔLp，grinding-average,i=(Lr,track,grinding,i⊕Lr,vehicle,i)-

(Lr,track,average,i⊕Lr,vehicle,i)

(1)

其中，ΔLp,grinding-average,i為軌道平均粗糙度譜(用average表示)與磨耗后粗糙度譜(用grinding表示)的差值引起的輻射噪聲變化量，Lr,vehicle為車輪粗糙度水平；Lr,track為鋼軌粗糙度水平；符號i為某一定的頻帶；對于給定的車輪粗糙度和平均軌道粗糙度水平，利用直接測量法得到磨耗后的特定區段軌道粗糙度水平，并將其代入式(1)中，即可得到磨耗后特定區段與軌道平均粗糙度的噪聲差值ΔLp,grinding-average,i，因此輪軌噪聲的變化量與鋼軌表面粗糙度的變化存在著直接的關系。基于上述理論，假定知道同一軌道的A和B段之間的噪聲頻譜差異，則可得式(2)：

[ΔLp,A-B,i]indirect=(Lr,track,section A,i⊕Lr,vehicle,i)-

(Lr,track,section B⊕Lr,vehicle,i)

(2)

然后，將等式(2)代入等式(1)可得：

ΔLp,section A-average,i=[Lp,A,i-Lp,B,i]indirect+

[ΔLp,section B-average,i]direct

(3)

該方程給出了A區域輪軌滾動噪聲水平與參考點處平均鋼軌粗糙度的直接關系。在實際中，通常采用多個參考區間來衡量所測量的滾動噪聲水平的頻譜關系。利用最小二乘擬合變換，可以得到間接式測量噪聲水平。再用參考點上直接測得的粗糙度譜計算噪聲水平的關系如式(4)：

(4)

[ΔLp,reference m-average,i]direct)

(5)

2 輪軌粗糙度測量及結果分析

輪軌噪聲測試前需先對試驗列車車輪粗糙度進行測試，避免因為車輪高階多邊形等原因造成的測試誤差。車輪粗糙度測試采用接觸式測量方法，測試結果如圖1所示。

圖1 車輪粗糙度1/3倍頻程波長圖

輪軌噪聲測試前后需要對線路某一區段的鋼軌粗糙度進行直接接觸式測量，實測的鋼軌表面粗糙度可用于間接式測試方法的數據校準。本研究對武廣線下行線A區段的鋼軌表面粗糙度進行現場實測，測試分析結果如圖2所示。

3 鋼軌粗糙度間接測量法結果分析

3.1 鋼軌粗糙度測試結果有效性驗證

輪軌噪聲測試完成后，通過對輪軌噪聲數據進行分析，將A區段的鋼軌(左軌)表面粗糙度直接測量結果與間接式測量結果進行對比，如圖3所示。測試結果表明：直接式和間接式測量結果在主要的波長處具有很好的一致性，部分波長的幅值約2 dB的差異，間接式測量在一定程度上能夠對線路鋼軌粗糙度特征進行較為準確的描述。

圖2 鋼軌粗糙度1/3倍頻程波長圖

圖3 左軌粗糙度直接法與間接法對比圖

3.2 武廣線粗糙度地圖的繪制及分析

基于上述方法，利用CRH3C型動車組對武廣線上行區段進行了全線路軌道狀態測量。采用LλCA值來表征軌道粗糙度變化對輪軌輻射噪聲的影響，該值與輪軌噪聲水平成正比。在給定列車速度和軌道粗糙度譜的前提下，LλCA值[7]計算方法如下：

其中：R(λ)為軌道粗糙度譜；

Λ(λ)=-alog(λ/λ0),λ0=5 cm,a=2.5 cm;

C(λ)為接觸濾波函數，如下：

通過對輪軌噪聲的初步分析，結合線路公里標和GPS位置信息，在線路地圖上用不同顏色來直觀的表征上行線的鋼軌粗糙度狀況，廣州南至長沙區段如圖4所示。

從圖中可以看出顏色較深的區域表示鋼軌粗糙度引起的輪軌滾動噪聲輻射較大，此區間鋼軌表面粗糙度較大，相反顏色稍淺區域鋼軌粗糙度引起的輪軌滾動噪聲輻射小，此區間鋼軌表面粗糙度較小。從圖4中可以看出公里標K1818附近區間的鋼軌粗糙度幅值偏大，最大值為88.9 dB，全線路的LλCA變化情況如圖5所示。

圖4 武廣線粗糙度地圖

圖5 廣州至長沙區段 指標變化圖

圖6 K1818附近鋼軌粗糙度的1/3倍頻程

K1818附近鋼軌粗糙度譜如圖6所示，此區間鋼軌粗糙度水平與ISO 3095標準軌面粗糙度水平標準限值進行比較分析表明：此區間鋼軌軌面短波不平順的主要波長集中在160，80，25 mm左右范圍內，各波長粗糙度水平均超出限值較多。

4 結 論

本研究搭載武廣線CRH3C型動車組，開展線路輪軌噪聲試驗，然后對輪軌粗糙度進行測試分析，運用間接式測量方法對全線路鋼軌表面粗糙度進行普查測試，分析武廣線鋼軌粗糙度譜。通過分析，得到如下結論和建議：

(1)直接式和間接式測量結果在主要的波長處具有很好的一致性，部分波長的幅值約2 dB的差異，在一定程度上能夠對線路鋼軌粗糙度特征進行較為準確的描述。

(2)運用間接測量方法對武廣線(廣州至長沙區間)進行分析，LλCA指標最大處為K1818附近，此區間鋼軌粗糙度譜與ISO 3095限值偏差較大，鋼軌軌面短波不平順的主要波長集中在160，80，25 mm左右范圍內。

(3)間接式鋼軌粗糙度快速測量方法具有效率高、普查線路范圍長等特點，測量精度相較直接測量方法略低。通過對間接式測量和現場實測鋼軌粗糙度進行對比，能夠更準確的定位鋼軌粗糙度異常區段，對線路維護保養具有一定的意義。