北京地鐵采用調頻式鋼軌減振器治理鋼軌波磨的試驗研究

劉衛豐 張厚貴 陳嘉梁

摘要： 北京地鐵近年來投入運營的幾條線路中，剪切型減振器扣件區段大量出現鋼軌波磨現象，調研測試表明：在地鐵列車運行過程中，剪切型減振器扣件軌道系統在150-400 Hz頻段內存在共振效應，且此頻段內軌道阻尼過小，無法有效抑制鋼軌的振動。采取在軌腰處安裝一種調頻式鋼軌減振器來增加軌道系統阻尼，抑制列車運行過程中鋼軌的振動，并在北京地鐵線上進行了現場試驗，對調頻式鋼軌減振器安裝段和對比段的鋼軌粗糙度進行了16個月的跟蹤測試。結果表明：安裝調頻式鋼軌減振器可有效減緩鋼軌波磨的發展，延長鋼軌的打磨周期。

關鍵詞： 調頻式鋼軌減振器; 地鐵; 鋼軌波磨; 剪切型減振器扣件; 鋼軌粗糙度

中圖分類號： TB535; U213.4+2 ?文獻標志碼： A ?文章編號： 1004-4523（2019）04-0695-06

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.04.017

1 概 述

北京地鐵多條線路的很多區段采用了軌道減振措施來降低地鐵振動對周圍環境的影響，在這些軌道減振措施中大量采用了剪切型減振器扣件。而采用剪切型減振器扣件的軌道出現了一些問題，其中一個比較突出的問題是這些區段出現了大范圍的鋼軌波磨。

2007年以來，北京地鐵多條線路出現鋼軌波磨現象，例如，北京地鐵5號線、10號線一期、4號線、6號線、亦莊線、房山線等線路上陸續發現了鋼軌波磨，出現鋼軌波磨的軌道形式主要包括剪切型減振器扣件軌道、梯式軌道、普通整體道床軌道以及小半徑條件下的浮置板軌道等。圖1顯示了北京地鐵剪切型減振器扣件典型的鋼軌波磨。

調研發現，剪切型減振器扣件軌道鋼軌波磨的主要特點有[1-4]：（1）波磨在新線開通試運營后不久便出現;（2）絕大多數波磨出現在列車速度大于60 km/h的地段;（3）不論直線段還是曲線段均有波磨出現;（4）特征波長為50-100 mm，屬于短波波磨;（5）波磨較為嚴重，鋼軌打磨無法根治，打磨后較短時間內波磨又快速發展。

國內外對鋼軌波磨的治理措施進行了廣泛的研究。包括鋼軌打磨、軌頂摩擦控制[5-6]、采用硬質鋼軌[7]、降低軌下墊板剛度[8-9]、調整線路狀態 [10]、改變行車模式[11]等等。到目前為止，對于北京地鐵剪切型減振器扣件鋼軌波磨的控制，主要還是以鋼軌打磨為主，但鋼軌打磨只能暫時緩解波磨。鋼軌波磨不僅降低了鋼軌使用壽命，增加了鋼軌養護維修的工作量，也降低了乘車舒適性，甚至影響行車安全，所以波磨問題受到各方面的關注。

在總結前人大量研究成果的基礎上，提出將鋼軌波磨分為6個類別[12]。經過大量的調查、跟蹤測試和理論研究發現，北京地鐵剪切型減振器扣件地段的波磨應歸為特殊軌道結構形式出現的波磨。在地鐵列車運行過程中，剪切型減振器扣件軌道系統在150-400 Hz頻段內存在軌道共振效應，文獻[4，13]通過實驗室實驗及建立輪軌系統分析模型詳細闡述了這種共振效應的發生機理，而這種軌道共振效應也是特殊軌道結構形式波磨的普遍特征[12]。

另外，北京地鐵5號線剪切型減振器扣件區段的現場測試發現：在150-400 Hz頻段，軌道的豎向及橫向阻尼比均小于2%[2]，較小的軌道系統阻尼，使得此頻段內列車運行引起的鋼軌振動無法通過軌道阻尼獲得有效的衰減。在這一頻段內采取相應措施提高軌道阻尼，抑制振動在鋼軌上的傳播是延緩波磨快速增長的一個重要措施[14]。基于此目的，北京地鐵選擇了一種調頻式鋼軌減振器來抑制鋼軌的振動[15]，并在北京地鐵亦莊線舊宮站-亦莊橋站區間進行了現場試驗，來測試調頻式鋼軌減振器對抑制鋼軌波磨發展的實際效果。

2 調頻式鋼軌減振器基本構造

原理上，調頻式鋼軌減振器由彈性體與質量塊共同組成了一個具有高阻尼性的質量-彈簧系統，其橫剖面如圖2所示。通過調整彈性體內的2-3個質量塊的質量、形狀以及它們之間的相對位置，可以設計調頻式鋼軌減振器的調諧頻率，使其能夠在特定頻段內增加軌道系統的阻尼，這個頻段稱為工作頻段。本文采用了具有400 Hz和800 Hz兩個調諧頻率的調頻式鋼軌減振器，其工作頻段可以調低至100 Hz，這樣它可以提高在剪切型減振器扣件軌道的典型波磨特征頻率范圍（150-400 Hz）內軌道結構的阻尼，降低該頻率范圍的輪軌相互作用引起的鋼軌振動能量水平，從而達到抑制鋼軌波磨發展的目的。

3 鋼軌波磨的測量及評價指標[16]

本文試驗采用連續形測量進行鋼軌波磨測試。連續形測量所測的鋼軌粗糙度值是相對于測量原點的高差值，其結果可以視為由不同波長、不同相位和不同幅值的鋼軌表面隨機不平順波的疊加，通常采用隨機過程理論進行統計參數的分析。

根據歐盟標準BS EN ISO 3095： 2013 《鐵路專用標準-聲學-輪軌系統引起的噪聲測量》[17]、BS EN 13231-3： 2012《鐵路專用標準-軌道-工程驗收：鋼軌重新修復輪廓驗收標準》[18]以及BS EN 15610： 2009 《鐵路專用標準-噪聲排放-與引起輪軌滾動噪聲相關的鋼軌表面短波不平順的測量》[19]，鋼軌粗糙度的評價指標包括鋼軌粗糙度級和移動波深幅值峰峰平均值。本文試驗采用上述的兩個評價指標來分析鋼軌波磨的特征參數以及波磨的發展程度。

3.1 鋼軌粗糙度級

4 現場試驗

現場試驗段選擇了兩段，分別為調頻式鋼軌減振器安裝段（以下簡稱安裝段）和對比段，兩段都是剪切型減振器扣件，列車運行條件和線路條件基本相同，而且在安裝調頻式鋼軌減振器之前，兩段的波磨狀況也基本相同。

試驗段選為地鐵亦莊線舊宮站-亦莊橋站區間，試驗段長度為200 m，安裝段為舊宮站-亦莊橋站下行K6+830-K6+930，對比段為舊宮站-亦莊橋站下行K6+730-K6+830，兩段處于同一條曲線上，曲線半徑為595 m，列車速度為60 km/h。

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Abstract： The rail corrugation on the tracks fitted with the Egg fastening system becomes a serious problem on several lines of Beijing metro operated in recent year. The investigations and field measurements showed the resonance vibration happened on the track around 150-400 Hz during the operation of metro trains， and the damping in the Egg fastening system track in this frequency range is not sufficient to effectively suppress the resonance vibration. To suppress the vibration of rail， the tuned rail dampers were installed on the rail web to provide effective damping in the Egg fastening system track. A test was carried out in Beijing metro to evaluate the effect of slowing the rail corrugation. And the running band roughness of corrugated rail in the sections with and without the tuned rail dampers has been measured for about 16 months. The measurement results show that the tuned rail damper is an effective measure for slowing the growth of rail corrugation in the Egg fastening system track and delaying the rail grinding.

Key words： tuned rail damper; metro; rail corrugation; Egg fastening system; roughness of rail

作者簡介： 劉衛豐（1975-），男，博士，副教授。電話：（010）51682752;E-mail：wfliu@bjtu.edu.cn