不同軌道型式的地鐵車輛-軌道耦合振動特性研究

賈小平 胡定祥 李大地 李家棟 楊 陳 朱 程

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司， 210031， 南京； 2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室， 610031， 成都；3.南京地鐵運營有限責(zé)任公司車輛分公司， 210012， 南京∥第一作者， 高級工程師)

地鐵線路鋪設(shè)軌道時采用了大量的減振技術(shù)，如廣泛應(yīng)用減振扣件、浮置板道床等，以滿足線路的減振降噪要求。目前，大部分軌道減振產(chǎn)品不是采用大阻尼吸振，而是采用降低剛度的方式進行隔振能量傳播。不同的軌道型式，其輪軌系統(tǒng)的參振質(zhì)量、剛度及阻尼不盡相同，振動特性復(fù)雜多變，有些振動能量不能有效分散到軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致軌道振動增加。振動甚至向上傳遞到車輛部件上，加劇車輛的振動[1]。車輪輪周多邊形和鋼軌波磨問題也日漸凸顯，噪聲及異常振動頻發(fā)，轉(zhuǎn)向架上部件斷裂失效的情況明顯增多，這些問題都嚴(yán)重影響地鐵車輛的安全運營。

本文針對某城市地鐵開展了車輛及軌道振動測試研究，對比不同軌道型式下的輪軌振動特性，對減振軌道對輪軌振動特性的影響進行深入分析，以期為研究車輪輪周多邊形及軌道波磨影響積累寶貴的試驗數(shù)據(jù)。

1 不同軌道型式的車輛與軌道動力學(xué)測試

1.1 軌道型式統(tǒng)計

軌道按減振級別可分為無減振路段、中等減振路段及高等減振路段，其中：無減振路段采用整體道床+ZX-2扣件組合；中等減振路段采用整體道床+壓縮型/剪切型減振扣件組合；高等減振路段則采用浮置板軌道匹配ZX-2扣件。圖1為某地鐵線路減振軌道的分類及其占比情況。

注：占比指該類型軌道型式鋪設(shè)里程占所有軌道型式鋪設(shè)里程的比例。圖1 某地鐵線路減振軌道分類及其占比Fig.1 Vibration-damping track types and proportion of certain metro line

1.2 車輛振動測試及軌道動態(tài)響應(yīng)測試方案

選取兩列車進行車輛振動測試，長期跟蹤測試其車輪不圓度。在對比不同車輪狀態(tài)(如鏇新輪、多邊形輪)轉(zhuǎn)向架輪對軸箱、構(gòu)架及軌道系統(tǒng)的振動基礎(chǔ)上，分別進行時域、頻域及時頻域分析，以研究車輛-軌道系統(tǒng)(以下簡稱“輪軌系統(tǒng)”)的振動傳遞規(guī)律及特性[2]。圖2為對所選列車轉(zhuǎn)向架軸箱、鋼軌進行加速度測試和軌道位移測試的實景圖。

a) 轉(zhuǎn)向架軸箱的加速度振動測試

如圖3所示，軌道動態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)由前端傳感器、云智慧采集儀、工業(yè)路由器及移動終端等構(gòu)成。其中：前端傳感器包括位移傳感器和加速度傳感器；移動終端由電腦等設(shè)備組成；云智慧采集儀可脫離外接設(shè)備獨立離線工作，通過預(yù)設(shè)觸發(fā)量自動采集列車通過時的數(shù)據(jù)并予以保存[3]。

圖3 軌道動態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagram of track dynamic response system

2 不同軌道型式下輪軌系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性

2.1 車輪輪周多邊形與車輪轉(zhuǎn)頻的關(guān)系

輪軌系統(tǒng)相互作用的激勵主要源于車輪與鋼軌的表面不平順。表面不平順主要包括車輪輪周多邊形、擦傷、剝離等缺陷，以及鋼軌波磨、軌縫接頭不平順、道岔不平順等。對比分析多邊形輪周車輪及鏇修前后的車輪狀態(tài)，得到鏇修前和鏇修后的車輪圓度如圖4所示。

a) 鏇修前

車輪轉(zhuǎn)頻f是車輪在單位時間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，若服役車輪輪周存在n階多邊形，則車輪在轉(zhuǎn)動過程中在單位時間內(nèi)會產(chǎn)生nf次的振動激勵。設(shè)列車速度為v(單位為km/h)，車輪半徑d(單位為mm)，則：

(1)

2.2 整體道床+ZX-2扣件下的輪軌振動特性

列車通過整體道床+ZX-2扣件時鋼軌的加速度響應(yīng)(100 Hz低通濾波結(jié)果)如圖5所示。其中，加速度為正值時表示振動方向向上。在輪軌接觸瞬間，鋼軌的豎向位移達到最大值，此時對應(yīng)的鋼軌豎向振動頻率為58 Hz。圖6為同一時刻軸箱的豎向振動加速度時頻響應(yīng)。從圖5、圖6可看出：輪軌接觸瞬間產(chǎn)生了同相耦合振動，即：當(dāng)車輪輪周多邊形轉(zhuǎn)頻倍頻與輪軌耦合振動頻率接近時，輪軌接觸系統(tǒng)產(chǎn)生中低頻輪軌力(又稱“P2力”)共振，導(dǎo)致軸箱加速度變大，振動能量增加。

a) 鋼軌豎向加速度(100 Hz濾波結(jié)果)

圖6 整體道床+ZX-2扣件下軸箱豎向加速度時頻Fig.6 Time-frequency of axle box vertical acceleration with common track bed+ZX-2 fastener

2.3 整體道床+剪切扣件下輪軌動態(tài)響應(yīng)特性

圖7為列車通過整體道床+剪切扣件軌道時鋼軌的位移-加速度響應(yīng)曲線。在輪軌接觸瞬間，鋼軌豎向加速度振動主頻在65 Hz左右，其軸箱加速度在對應(yīng)時刻的主頻并不明顯(如圖8所示)，可以看出，此時輪軌未發(fā)生耦合振動。

a) 鋼軌豎向加速度(100 Hz濾波結(jié)果)

圖8 整體道床+剪切扣件下軸箱豎向加速度時頻Fig.8 Time-frequency of axle box vertical acceleration with common track bed+shear fastener

2.4 整體道床+壓縮扣件下輪軌動態(tài)響應(yīng)特性

圖9為列車通過整體道床+壓縮扣件軌道時鋼軌的位移-加速度響應(yīng)曲線。在輪軌接觸瞬間，鋼軌加速度無單一主頻，對應(yīng)時刻軸箱加速度在100 Hz以下無頻率集中(見圖10)，輪軌系統(tǒng)未發(fā)生耦合振動。

a) 鋼軌豎向加速度(100 Hz濾波結(jié)果)

圖10 整體道床+壓縮扣件下軸箱豎向加速度時頻Fig.10 Time-frequency of axle box vertical acceleration with common track bed+compression fastener

3 輪軌耦合振動對車輪輪周多邊形和鋼軌波磨的影響

在多邊形輪周車輪運行過程中，輪軌耦合振動加劇，快速形成輪軌間的不均勻磨耗。特別是當(dāng)振動為周期性的諧振時，輪軌表面因長期磨損產(chǎn)生周期性磨耗，主要表現(xiàn)為車輪輪周多邊形磨耗和鋼軌波浪形磨耗。

地鐵線路全部采用ATO(列車自動運行)模式運行。雖然軌道的類型較多，不同型式輪軌的振動特性各有不同，但對于特定的軌道型式而言，因其振動特性固定不變，在周期性、特定頻域下的輪軌耦合振動將加劇輪軌的周期性不均勻磨耗。

圖11為實測某地鐵B型車輛通過鋼軌時，鋼軌豎向加速度出現(xiàn)拍振，圖11 b)中的位移為負(fù)值時表示鋼軌向下發(fā)生位移。如圖11所示，在2.3 m軸距范圍內(nèi)鋼軌振動存在2個拍振信號，輪軌接觸點為周期信號節(jié)點，拍振頻率為375 Hz。究其原因,是由于是2個輪對間鋼軌第二階豎向彎曲模態(tài)所致，此頻率與鋼軌波磨頻率一致。

a) 鋼軌垂向加速度出現(xiàn)拍振

4 結(jié)語

1)多邊形輪周的車輪引起車輪轉(zhuǎn)頻倍頻與輪軌在50～100 Hz振動頻率共振，造成鏇修前車輪(多邊形輪周的車輪)在50～100 Hz頻段時軸箱振動發(fā)生能力集中。車輛鏇修后,消除了車輪輪周的多邊形，共振現(xiàn)象也隨之消失，振動能量大幅減小。

2)扣件剛度對輪軌耦合振動的影響明顯。對于普通道床+ZX-2扣件型式軌道，其輪軌發(fā)生P2力耦合共振，耦合振動主頻在58 Hz附近，此時振動能量顯著增大；而對于普通道床+剪切扣件、普通道床+壓縮扣件型式，其輪軌未發(fā)生P2力耦合共振。從振動能量分布角度看，采用了壓縮扣件的輪軌振動能量分配較為均衡，可避免能量集中。

3)輪對軸箱在300～400 Hz的高頻振動由鋼軌波磨引起。軸間距為2.3 m的轉(zhuǎn)向架的鋼軌豎向加速度主頻為375 Hz，與鋼軌二階豎彎曲模態(tài)頻率、鋼軌波磨頻率均一致。

本文研究了輪軌耦合振動特性，不同軌道型式下輪軌耦合振動機理比較復(fù)雜，振動的特性差別很大，特定軌道系統(tǒng)下輪軌振動加劇，對車輛和軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大影響。可進一步開展基于減振軌道系統(tǒng)與地鐵車輛系統(tǒng)耦合振動理論的分析研究，細(xì)化研究軌道中扣件、軌枕、道床的質(zhì)量、剛度、阻尼、模態(tài)等參數(shù)和車輛中輪對、構(gòu)架、車體模態(tài)及懸掛參數(shù)動態(tài)特性對輪軌耦合振動特性的影響。突破傳統(tǒng)設(shè)計思維，以新型輪軌耦合振動邊界條件為基礎(chǔ)，建立以車輛和軌道振動、噪聲為控制指標(biāo)的正向設(shè)計流程。