钢轨波磨对地铁轨道振动特性影响研究

张 帆，王志强，王金朝，徐 宁

（中国船舶集团公司第七二五研究所 洛阳双瑞橡塑科技有限公司，河南 洛阳 471023）

近年来，由于各城市地铁轨道线路运营时间较长，在一些地铁运行区间的钢轨初始不平顺逐步演变为波浪形磨耗，该种磨耗拥有特定频率和波长，称为波磨[1-2]。地铁轨道上的波磨能够使地铁轨道及车辆本身的振动加剧，振动的加剧使得地铁轮轨部件产生疲劳断裂。地铁及轨道振动中辐射出的噪声也会大大降低乘客舒适度[3-5]。

在各种轨道振动研究中，很少考虑到钢轨波磨对地铁轨道振动的影响。然而在实际线路中，钢轨的波磨现象普遍存在，这就需要通过现场测试来获取钢轨波磨以及轨道振动数据，从而研究钢轨波磨对地铁轨道振动特性的影响。

本文通过现场测试，分别得到同一断面处钢轨打磨前后科隆蛋扣件的波磨及振动数据，以及打磨后换装上部自锁式双层非线性扣件（下文简称为双非扣件）的波磨及振动数据，并对其进行对比分析。

1 钢轨波磨测试

1.1 现场测试情况

该地铁线路为地下线，断面道床形式为普通整体道床，隧道形式为圆形隧道，地下短轨枕。地铁通过该断面的车速为75 km/h。

安装科隆蛋扣件的轨道打磨前后以及打磨之后安装双非扣件的钢轨如图1所示。

图1 钢轨打磨前后现场图

使用CAT 钢轨波磨测量仪进行钢轨波磨测试。该测量仪采用手工测量方式，专用于测量钢轨波磨及其粗糙度。现场测试如图2所示。

图2 波磨现场测试

1.2 波磨测试数据分析

安装科隆蛋扣件的轨道打磨前后以及打磨之后安装双非扣件的钢轨波磨粗糙度1/3 倍频程对比图如图3所示。

图3 钢轨波磨粗糙度1/3倍频程对比图

该线路之前已经安装科隆蛋运行了若干年。打磨前对科隆蛋的波磨测试距离上一次打磨时间约为三个月，即科隆蛋打磨前测试是在钢轨波磨发展三个月后进行的。打磨后一个月对科隆蛋扣件进行波磨测试。打磨后一个月，即对打磨后的科隆蛋进行波磨测试后，随即更换为双非扣件。双非扣件的钢轨波磨测试在其安装三个月后进行。

图3为科隆蛋扣件打磨前后以及更换双非扣件之后的钢轨波磨粗糙度1/3 倍频程图。从图中可以发现，钢轨的波磨经过打磨有较大的改善，并且打磨之后钢轨的波磨基本都维持在ISO 3095标准所提要求值以下。对于更换双非扣件后的钢轨波磨情况来说，整体上高轨磨耗状况较低轨稍高，且高低轨磨耗程度均与ISO 3095 标准相差不大。高轨在63 mm处出现峰值，但峰值与ISO 3095标准相差不大，表明该区间波磨现象不明显。

钢轨的波磨波长和频率对比如表1 所示，钢轨波磨粗糙度总值如表2所示。

由表1 可知，科隆蛋扣件打磨之前低轨波长主要集中在63 mm、31.5 mm，高轨波磨主要是集中在63 mm；打磨之后科隆蛋扣件低轨波磨主要是集中在40 mm、63 mm，高轨波磨主要是集中在40 mm；更换双非扣件之后高、低轨波磨均主要集中在63 mm。

表1 钢轨的波磨波长和频率

其中，表2中的钢轨波磨粗糙度总级是由图3中16 mm～800 mm 波长下的钢轨粗糙度通过A 计权所得到的[6-7]。

表2 钢轨波磨粗糙度总级/dB(A)(ref=1 μm)

由表2 可知，钢轨打磨之前科隆蛋扣件高轨粗糙度为9.6 dB（A），低轨为15.4 dB（A）；钢轨打磨之后科隆蛋扣件高轨粗糙度为7.3 dB（A），低轨为5.1 dB(A)；换装双非扣件的高轨粗糙度为8.0 dB（A），低轨为3.0 dB（A）。整体上各钢轨表面波磨粗糙度总级在ISO 3095标准允许范围内。

结果可以看出，科隆蛋扣件区间在钢轨打磨之前波磨严重，打磨之后有效地控制了钢轨波磨。改造后新安装的双非扣件对钢轨波磨发展有明显抑制作用。

2 波磨作用下钢轨振动特性分析

2.1 现场测试情况

隧道内钢轨在线测试包含钢轨垂横向振动，共计四个测点。其中，钢轨振动测点位于两扣件跨度1/2处截面处的轨底和轨腰。

2.2 减振性能分析

安装科隆蛋扣件的轨道打磨前后以及打磨后安装双非扣件的钢轨振动1/3 倍频程图如图4 所示。其中分析频段为0～2 000 Hz[8]。

由图4 可看出，科隆蛋扣件打磨后的振幅在各频段内均较打磨前有所减少，这表明打磨能够明显降低钢轨振动。在315 Hz 及1 000 Hz 附近，科隆蛋扣件打磨前后的高轨垂向振幅和横向振幅均出现峰值。在315 Hz附近，科隆蛋扣件打磨前的低轨横向振幅出现峰值，双非扣件的振幅在该频段内显著小于打磨之前的科隆蛋扣件。

图4 钢轨振动1/3倍频程图

钢轨振动加速度级如表3所示。

由表3 可看出，在高轨垂向、高轨横向、低轨垂向及低轨横向中，科隆蛋扣件打磨后的振幅较打磨前均有所减少，其中在低轨垂向中减振效果最好，达到9.2 dB，在高轨垂向中减振效果一般，仅有2.5 dB。双非扣件的减振效果与打磨后的科隆蛋扣件相差不大，优于打磨之前的科隆蛋扣件。

表3 钢轨振动加速度级/dB(ref=1×10-6 m·s-2)

3 波磨作用下轨道结构振动特性分析

隧道内轨道结构在线测试包含隧道壁垂横向振动以及道床垂横向振动，共计4个测点。其中，隧道壁测点距轨面垂直高度1.25 m；道床测点位于道床中心点。

安装科隆蛋的轨道打磨前后以及打磨后安装双非扣件的道床和隧道壁振动1/3 倍频程图分别如图5和图6所示。其中分析频段为4 Hz～200 Hz，分析数据采用Z计权[9-10]。

由图5 可看出，科隆蛋扣件打磨后的振幅在各频段内均较打磨前有所减少，这表明打磨能够明显降低道床振动。在40 Hz 附近，科隆蛋扣件打磨前后的道床垂向振幅均出现峰值。双非扣件在20 Hz～250 Hz 频段内振幅显著小于打磨前的科隆蛋扣件，且在40 Hz处的峰值小于打磨后的科隆蛋扣件。

图5 道床振动1/3倍频程图

由图6 可看出，科隆蛋扣件打磨后的振幅在各频段内均较打磨前有所减少，这表明打磨能够明显降低隧道壁振动。在40 Hz 附近，科隆蛋扣件打磨前后的隧道壁振幅均出现峰值。双非扣件在20 Hz～250 Hz 频段内振幅显著小于打磨前的科隆蛋扣件，且在40 Hz处的峰值小于打磨后的科隆蛋扣件。

图6 隧道壁振动1/3倍频程图

道床及隧道壁振动加速度级如表4所示。

由表4 可看出，在道床垂向、道床横向、隧道壁垂向及隧道壁横向中，科隆蛋扣件打磨后的振幅较打磨前均有所减少，均减小4 dB（Z）左右。其中在隧道壁垂向中减振效果最好，达到5.2 dB（Z）。双非扣件在道床垂向、隧道壁垂向以及隧道壁横向的减振效果均优于打磨后的科隆蛋减振效果，差值在2 dB（Z）左右。双非扣件的减振效果优于打磨之前的科隆蛋减振扣件。

表4 道床及隧道壁振幅/dB（Z）(ref=1×10-6 m·s-2)

综合表2、表3 以及表4 中科隆蛋扣件打磨前后的钢轨波磨粗糙度和轨道振动加速度级可知，对于钢轨波磨来说，高轨打磨后比打磨前粗糙度减少2.3 dB（A），低轨打磨后比打磨前粗糙度减少10.3 dB（A）；对于钢轨振动来说，打磨后的高轨垂向振动比打磨前减少2.5 dB，打磨后的高轨横向振动比打磨前减少6.9 dB，打磨后的低轨垂向振动比打磨前减少9.2 dB，打磨后的低轨横向振动比打磨前减少4.7 dB；对于道床及隧道壁振动来说，打磨后的道床垂向振动比打磨前减少3.7 dB（Z），打磨后的道床横向振动比打磨前减少3.6 dB（Z），打磨后的隧道壁垂向振动比打磨前减少5.2 dB（Z），打磨后的隧道壁横向振动比打磨前减少4.4 dB（Z）。

4 结语

本文通过现场测试，分别得到同一断面处钢轨打磨前后科隆蛋扣件的波磨及振动数据，以及打磨后换装双非扣件的波磨及振动数据，对其进行对比分析，得到如下结论：

(1)科隆蛋扣件区间在钢轨打磨之前波磨严重，打磨之后有效地控制了钢轨波磨。

(2)在高轨垂向、高轨横向、低轨垂向及低轨横向中，科隆蛋扣件打磨后的振幅较打磨前均有所减少。其中在低轨垂向中减振效果最好，达到9.2 dB，在高轨垂向中减振效果一般，仅有2.5 dB。双非扣件的减振效果与打磨后的科隆蛋扣件相差不大，但优于打磨之前的科隆蛋扣件。

(3)在4 Hz～200 Hz 频段内，在道床垂向、道床横向、隧道壁垂向及隧道壁横向中，科隆蛋扣件打磨后的振幅较打磨前均有所减少，均减小4 dB（Z）左右。其中在隧道壁垂向中减振效果最好，达到5.2 dB（Z）。双非扣件在道床垂向、隧道壁垂向以及隧道壁横向的减振效果均优于打磨后的科隆蛋减振效果，差值在2 dB（Z）左右。双非扣件的减振效果优于打磨之前的科隆蛋减振扣件。

(4)由文中实验数据可得，高轨波磨粗糙度下降2.3 dB，可降低高轨垂向振动2.5 dB，高轨横向振动6.9 dB；低轨波磨粗糙度下降10.3 dB，可降低低轨垂向振动9.2 dB，低轨横向振动4.7 dB。