石長鐵路動車組異響原因分析及治理

龔繼軍

(中鐵物軌道科技服務集團有限公司，北京 100036)

在我國鐵路現場運營維護過程中，經常發現由于鋼軌表面不平順引起的輪軌間產生異常噪聲現象[1]。鋼軌表面或者車輪表面的短波不平順不僅會引起輪軌之間產生滾動噪聲，還會導致輪軌沖擊力急劇增大，使軌下基礎承受較大沖擊，造成其結構破壞，同時也會將沖擊載荷反作用給車輛的各部件，影響乘坐的舒適性，并使車輛部件產生疲勞裂紋，嚴重時還會發生疲勞斷裂。鋼軌打磨是指采用打磨車或者人工打磨設備對鋼軌外形進行打磨，目的是及時消除或控制鋼軌表面的病害和缺陷，同時通過打磨來提高軌面平順性以及對鋼軌廓形進行優化，促使輪軌接觸處于良好狀態，減小輪軌相互作用力[2-6]。鋼軌個性化的廓形打磨是指依據各條線路的實際情況，通過仿真計算結合鋼軌表面病害特點、廓形狀態，制定最佳的目標廓形，然后依據打磨車的磨削性能以及鋼軌材質等逐直線、逐曲線制定精準的打磨方案[7-8]。

本文針對動車組通過石長鐵路上行線某里程時存在異響、車體垂向振動較大的情況進行了詳細分析，隨后依據該線車輪和鋼軌廓形數據采集結果制定了個性化的廓形打磨策略，并對打磨效果進行了現場檢測。

1 概況

石長鐵路于2015年起對既有線進行電化改造并增建二線，于2016年1月18日正式建成。增建二線上行線年通過總質量約33.49 Mt。試驗線路鋼軌于2015年上道，鋼軌材質為U75VG，2016年8月進行預防性打磨，于2017年9月起開始開行動車組列車。動車組列車開通運營以后，發現動車組每日運行到上行線直線段某里程后其垂向振動性能不佳，人員乘坐不舒適，司機室和客艙室均能聽到明顯的異常聲源。

2 動車組異響原因分析

2.1 問題調查

對石長鐵路動車組異響區段的軌面狀態、鋼軌廓形、平直度、動車組振動情況進行了詳細調查。調查結果表明該區段存在的主要問題有：直線區段部分鋼軌軌頭邊緣剮蹭，軌面光帶不良，軌距角有輕微磨痕，光帶近乎布滿了整個軌面；鋼軌軌面平直度不夠；鋼軌廓形不良，左股內側較低，易導致車輛出現一次蛇行；將現場測量的鋼軌廓形與石長鐵路運行的動車組車輪踏面進行匹配時，存在輪軌關系不良問題。

2.2 產生機理分析

根據產生的根源，輪軌噪聲一般分為以下3種：摩擦噪聲(尖噪聲)、撞擊噪聲、輪軌滾動噪聲。

摩擦噪聲一般產生在小半徑曲線上，這是因為車輪沿曲線鋼軌運行時不是純滾動運行，而是有局部的橫向滑動，即“卡滯-滑動效應”，導致產生噪聲，故本直線區段可不考慮摩擦噪聲因素。撞擊噪聲一般是由于鋼軌存在軌隙導致不平坦的鋼軌接頭和車輪踏面局部磨損，以及在制動時閘瓦抱死車輪造成踏面局部磨平而引起的，但石長線使用的是焊接長鋼軌，現場對鋼軌接頭以及動車組踏面進行了詳細調查，并未發現異常，因此此類噪聲也不明顯。

輪軌滾動噪聲是由鋼軌表面的短波不平順激發輪軌振動，通過空氣傳播而產生的。當車輪在存在表面連續短波和極短波不平順的鋼軌上滾動時，會沖擊鋼軌，使得軌道與列車間產生受迫振動，向外輻射出聲波而產生噪聲。這與現場鋼軌表面的不平順測量結果符合。

2.2.1 軌面平直度測量結果

圖1為石長鐵路上行線動車組異響區段打磨前對鋼軌表面平直度的測量，測量工具為1 m鋼直尺和塞尺，在左右股10 m范圍內測量波長和波深，一共布設11個測點。

圖1 打磨前鋼軌平直度測量

石長鐵路上行線動車組異響區段鋼軌打磨前不平順測量結果見表1。可知測點1—測點11不平順波長均在120～123 mm。說明動車組異響區段軌面存在不平順，且分布區域較廣，因此急需通過打磨來進行緩解，提高車輛通過時乘客的舒適度。

表1 打磨前鋼軌不平順測量結果

2.2.2 頻譜分析結果

利用打磨車打磨前設備調試的機會，采用檢測設備對打磨車通過該區段時的垂向振動進行了識別。之所以不直接分析動車組的車體加速度，是因為動車組采用的是兩級懸掛系統，軌面不平順引起的高頻振動經過兩系懸掛以后容易衰減，若要分析輪對、轉向架、車體的振動傳遞過程，需在輪對軸箱、轉向架構架端部、車體對應位置布置相應的傳感器，試驗過程比較復雜。而打磨車懸掛系統性能相對較差，減振、隔振效果不佳，軌面不平順引起的頻率可以比較明顯地傳遞給車體，便于分析。

圖2為打磨車以速度7 km/h通過異響區段時垂向加速度的時域和頻域圖，圖3為打磨車以速度7 km/h 通過異響區段時垂向加速度短時傅里葉變換(Short Time Fourier Transform，STFT)結果。

圖2 異響區段垂向加速度

圖3 異響區段垂向加速度STFT結果

采用速度-頻域分析方法對得到的運營狀態下車輛振動加速度響應數據進行耦合分析，可知：假設石長鐵路上行線動車組異響區段不平順譜的波長為λ，單位m，輪對速度是v，單位m/s，則不平順激擾頻率f=v/λ，單位Hz。圖3中打磨車在異響區段的垂向加速度主頻為16 Hz左右，打磨車速度為7 km/h，可知不平順波長7/3.6/16=0.122 m=122 mm左右，與現場實測結果平均波長約為122 mm相吻合。

3 打磨治理及效果

現場測量結果表明異響區段軌面存在短波不平順。由于線路打磨車無法調度，故采用道岔打磨車進行處理。道岔打磨車磨石直徑125 mm，能夠處理該短波不平順。依據現場調查結果制定了個性化的廓形打磨方案。

3.1 打磨后垂向加速度分析結果

為了便于和打磨前的數據進行比對，所以采用打磨車的垂向加速度進行分析[9-10]。圖4為打磨后打磨車以速度7 km/h通過異響區段時垂向加速度的時域圖及STFT結果。

圖4 打磨后垂向加速度時域圖及STFT結果

從圖4可以看出，打磨后鋼軌表面不平順得到有效消除，打磨車運行到該區段時無明顯能量集中現象。

3.2 打磨前后鋼軌廓形打磨質量指數變化情況

鋼軌廓形打磨質量指數(Grinding Quality Index，GQI)可表征打磨前后實測鋼軌廓形與設計廓形的吻合程度，值越高表示吻合度越高。圖5為石長鐵路異響區段2017年11月打磨前后鋼軌GQI分布情況，可看出：打磨前石長鐵路異響區段鋼軌左右股GQI平均值為54.4，打磨后提高到89.0，提高了38.9%，說明GQI平均值明顯提高，使得輪軌關系得到明顯改善。

圖5 石長鐵路異響區段打磨前后左右股GQI均值分布

3.3 打磨前后鋼軌表面狀況

動車組異響區段打磨前部分軌頭邊緣存在剮蹭，軌面光帶較寬，軌距角有輕微磨痕；軌頂存在麻點，軌面光帶不良。圖6—圖8為打磨后1個月異響區段部分測點觀測結果，可知軌面光帶寬度、位置良好，軌頂麻點得到消除，軌面清潔度得到極大提高，輪軌接觸位置分布合理。

3.4 鋼軌打磨帶來的經濟效益

單獨針對上行線存在異響的200 m鋼軌(左右股單側100 m)進行成本測算。石長鐵路換軌備料只有短軌，動車組異響區段原計劃更換兩側(并行)共計200 m鋼軌，需要25 m短軌8根，需要增加8對焊頭，每對焊頭均須在現場通過鋁熱焊進行焊接。表2為打磨或更換200 m鋼軌的成本對比。短軌單價 3 000 元左右，8根；焊頭成本(不含人工)在 2 500 元左右，需要8對；需要8人提前4 h準備，4 h進行作業；后續由于鋁熱焊效果較差，使用不久就有可能引起焊接接頭不平順，導致道床掉板，又會相應增加人工成本。而打磨僅花了1個天窗，現場采用道岔打磨車對這200 m鋼軌打磨24遍，折算以后打磨成本約為 4 000元。

圖6 測點1打磨前后鋼軌表面變化情況

圖7 測點2打磨前后鋼軌表面變化情況

圖8 測點3打磨前后鋼軌表面變化情況

表2 石長鐵路打磨成本與換軌成本 元

從表2可以看出，打磨成本僅為換軌的約1/11。所以，合理利用打磨解決現場由于輪軌接觸不良引起的問題從而延長鋼軌的使用壽命具有重大的經濟效益。同時，采用廓形打磨以后，隨著輪軌關系的優化，可以降低機車車輛車輪踏面的磨損，降低牽引動力的消耗，衰減振動傳遞的能量，從而延長車輪、轉向架、車體的使用壽命，也能帶來巨大的經濟效益。

4 結論

1)通過廓形打磨，異響區段軌面平直度得到極大改善。

2)打磨后左右股鋼軌GQI均得到大幅提升，鋼軌GQI均能保持在85以上。

3)輪軌表面不平順會導致輪軌黏著不良，增加輪軌運行阻力，通過廓形打磨極大地消除了這種狀況。

4)通過廓形打磨，減少了因換軌而增加的鋼軌接頭，避免產生更多的接頭沖擊，并減少了工務維修成本。