曹 亮 許玉德 周 宇 詹 剛

(同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,201804,上海∥第一作者,碩士研究生)

鋼軌的波浪形磨耗(簡為鋼軌波磨)是鋼軌傷損的一種表現(xiàn)形式。目前在中國內(nèi)地已開通運(yùn)營城市軌道交通的城市,如上海、廣州以及南京等,均已不同程度地出現(xiàn)了鋼軌波磨的現(xiàn)象[1-3]。波磨的產(chǎn)生加劇了輪軌動(dòng)力作用,加速了車輛轉(zhuǎn)向架及軌道部件的損壞,增加了工務(wù)部門的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用;由波磨引起的列車高頻振動(dòng)降低了乘車的舒適度,嚴(yán)重時(shí)甚至可能危及列車安全;另外,列車通過波磨鋼軌時(shí)所發(fā)出的嘯叫聲也成為軌道交通噪聲的主要來源之一。

要從根本上消除波磨對行車和軌道養(yǎng)護(hù)造成的不利影響,采取有效的預(yù)防和治理措施,必須弄清楚波磨產(chǎn)生的原因和發(fā)展的規(guī)律,對影響波磨的因素進(jìn)行分析。而進(jìn)行上述研究和分析的前提,就是要對出現(xiàn)波磨的鋼軌進(jìn)行系統(tǒng)全面的觀測和追蹤,以掌握波磨的特征。本文正是基于上述的考慮而進(jìn)行的。

1 國外城市軌道交通鋼軌波磨特征綜述

鋼軌波磨作為城市軌道交通鋼軌傷損的主要形式之一,早已引起了發(fā)達(dá)國家軌道交通工務(wù)部門的重視。美國、加拿大、法國、意大利和日本等國先后對所在地區(qū)的軌道交通線路上的波磨進(jìn)行了大范圍的觀測與統(tǒng)計(jì),總結(jié)出了軌道交通鋼軌波磨的一些特征。

Tassilly等[4]在20世紀(jì)80年代末期對巴黎都市軌道交通管理局(RATP)運(yùn)營的巴黎地鐵和法國快速軌道網(wǎng)絡(luò)線路上的鋼軌波磨進(jìn)行了觀測,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：波磨主要出現(xiàn)在曲線上且種類各異,波長一般在50～300 mm之間;波磨或出現(xiàn)在曲線下股鋼軌(混凝土整體道床波磨波長較短),或出現(xiàn)在上股鋼軌(有砟軌道上波長較長),或上下股均有波磨產(chǎn)生。

Donald R.Ahlbeck等人[5]對1969年至 1989年間的47篇有關(guān)鋼軌波磨的科技報(bào)告及研究文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述,總結(jié)了波磨出現(xiàn)的軌道類型、運(yùn)營速度、曲線半徑,以及波磨波長、波深等特征。其中：城市軌道交通鋼軌波磨出現(xiàn)的曲線半徑在366 m之內(nèi),波磨波長介于50～200 mm之間;波深與波長相關(guān),短波波磨的波深一般小于0.2 mm,最大波深達(dá)0.9 mm。

Yoshihiro Suda等人[6]發(fā)現(xiàn)東京地區(qū)重要的通勤線路山手線的小半徑曲線下股鋼軌上出現(xiàn)了嚴(yán)重的短波長波磨,其波長分布在50～150 mm范圍內(nèi),最大波深達(dá)到了0.9 mm。

Giorgio Diana等人[7]通過對意大利米蘭地鐵的現(xiàn)場觀測,得出了米蘭地鐵不同軌道類型的小半徑曲線鋼軌波磨的主要特征(見表1)。

表1 米蘭地鐵波磨主要特征

縱觀國外研究人員對波磨特征的觀測統(tǒng)計(jì)結(jié)果,城市軌道交通鋼軌波磨主要出現(xiàn)在曲線段,尤其是小半徑曲線的下股鋼軌;波長介于50～300 mm之間,波深與波長相關(guān)聯(lián),最大波深達(dá)0.9 mm。

2 上海軌道交通1號線波磨特征統(tǒng)計(jì)分析

為了全面地了解上海軌道交通鋼軌波磨的情況,分析波磨的成因,以達(dá)到針對性地提出減緩鋼軌波磨的措施和相應(yīng)的技術(shù)參數(shù),對上海軌道交通1號線部分曲線和直線的鋼軌進(jìn)行了連續(xù)布點(diǎn)測量,并對波磨測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 被測線路的條件及波磨測量方案

本次測量所選線路條件如表2所示。所選線路均鋪設(shè)60 kg/m鋼軌,軌下基礎(chǔ)為長軌枕埋入式整體道床,軌枕數(shù)量按1 680根/km配置,鋼軌扣件采用DTⅢ型扣件。采用SEC-RC電子平直儀(1 m長),對所選定曲線的下股鋼軌和直線左右股鋼軌每隔20 m進(jìn)行一次測量。各線路對應(yīng)測點(diǎn)數(shù)如表3所示。

表2 上海軌道交通1號線被測線路條件

表3 定點(diǎn)測量的測點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)

2.2 鋼軌頂面特征及波磨宏觀特征

鋼軌頂面特征能反映鋼軌目前的狀況和車輪在鋼軌上運(yùn)行的狀態(tài)。通過觀察發(fā)現(xiàn),測試曲線線路的下股鋼軌普遍壓潰,軌頂面波磨比較明顯,輪軌接觸帶基本覆蓋整個(gè)軌頂頂面,并在外側(cè)邊形成多處肥邊,軌面伴隨有長裂紋和剝離,如圖1所示。在波磨顯著地段,波峰光滑,波谷有密集的裂紋,部分地段波峰、波谷裂紋相連。

2.3 波磨的波長和波深特征統(tǒng)計(jì)分析

波長和波深(即峰峰值)是衡量鋼軌波磨的最重要的兩個(gè)指標(biāo)。根據(jù)波長固定機(jī)理,波磨的產(chǎn)生與輪軌系統(tǒng)的某階振動(dòng)密切相關(guān)。通過列車運(yùn)行速度v與波磨波長λ計(jì)算所得的頻率f=v/λ,往往是判斷導(dǎo)致波磨產(chǎn)生的振動(dòng)來源的依據(jù);同時(shí),不同波長和波深的波磨對列車通過的動(dòng)力沖擊響應(yīng)的影響也不同。二者結(jié)合起來共同反映波磨的輕重程度。

圖1 曲線線路下股鋼軌頂面特征

由于所采用的波磨測尺在1 m的長度范圍內(nèi)每隔5 mm進(jìn)行一次采樣,因此在用Matlab編程對數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析時(shí)設(shè)定的空間采樣頻率 fs=200 m-1。典型測點(diǎn)波磨的波形圖和功率譜密度圖如圖2所示。

從實(shí)測的圖2(a)波形圖中可以看出,波磨均勻規(guī)則,周期性明顯,波深變化幅度微弱,平均波深havg=0.82 mm,最大波深hmax=0.83 mm。在圖2(b)的功率譜密度圖上有一處明顯的峰值,出現(xiàn)在4.883 m-1處,對應(yīng)波長為λ=1/f=205 mm。

經(jīng)統(tǒng)計(jì),得出測量方案中四種工況下的波磨的波長和波深特征,如表4所示。

圖2 上海軌道交通1號線火車站站—漢中路站下行曲線第8測點(diǎn)波磨波形圖及功率譜密度圖

表4 測量線路鋼軌波磨特征統(tǒng)計(jì)

表4中的特征波長是將同一曲線上所有波磨特征明顯的測點(diǎn)數(shù)據(jù)合并所得到的平均功率譜對應(yīng)的波長。可以看出,曲線1和曲線2波磨的特征波長都在200 mm左右,它們的波深范圍與波深的平均值也很接近。對比曲線1與曲線2發(fā)現(xiàn),曲線2的特征波長與平均波深都要略大于曲線1,同時(shí)其波長與波深的范圍也比曲線1略大一些。曲線3的波磨在沿列車運(yùn)行方向的出入曲線部分呈現(xiàn)出兩種不同的特征：入曲線段波長與波深都較小,而出曲線段則較大。曲線3在入曲線段波長為52～76 mm,波深介于0.02～0.14 mm之間;而出曲線段的波長為119～341 mm,波深為0.09～0.88 mm。其出曲線段的特征波長約為入曲線段的4倍,平均波深則為入曲線段的7倍之多。曲線3在列車運(yùn)行方向的入曲線端與直線1相連。直線1的波磨特征與曲線3的入曲線段非常相似。

從動(dòng)力學(xué)角度來說,在相同運(yùn)行速度下,具有大波深和高通過頻率的鋼軌波磨對車輛-軌道耦合系統(tǒng)具有很大的沖擊能量,對車輛和軌道的損傷程度也很嚴(yán)重[8]。將所測數(shù)據(jù)按照0.2 mm波深區(qū)間長度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),各個(gè)范圍波深所占比例如圖3所示。

由圖3可以看出,波深在0.2 mm之內(nèi)的波磨比例最大,達(dá)到了53.8%;隨著波深的增大,各范圍的比例在降低;波深大于1 mm的波磨僅占2.97%。

圖3 波磨波深范圍比例統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語

本文在對上海軌道交通1號線部分波浪形磨耗較為嚴(yán)重的曲線鋼軌和直線段進(jìn)行連續(xù)布點(diǎn)測量的基礎(chǔ)上,采用Matlab編程對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻譜分析,并結(jié)合現(xiàn)場觀測的實(shí)際情況對波磨特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出以下結(jié)論：

1)城市軌道交通鋼軌波磨在曲線下股和直線的左右股均有可能產(chǎn)生。

2)所測段的波磨鋼軌波峰光滑,波谷有密集的裂紋,部分地段波峰、波谷的裂紋相連。

3)上海軌道交通1號線所測段線路鋼軌波磨的波長介于50～350 mm范圍之內(nèi),波深最大值達(dá)1.37 mm。

4)不同半徑曲線的波長范圍及特征波長可能有所差異;同一條曲線上沿列車運(yùn)行方向的出曲線段與入曲線段波磨可能會呈現(xiàn)明顯的差異,出曲線段的波長與波深要大于入曲線段,入曲線段與相連的直線段波磨特征相似。

通過對現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,為今后進(jìn)一步研究城市軌道交通鋼軌波磨的生成機(jī)理以及針對性地采取波磨防治措施提供了一定的參考和依據(jù)。

[1]張學(xué)華.城市軌道交通鋼軌波浪形磨耗的產(chǎn)生和預(yù)防[J].上海鐵道科技,2008(1)：100.

[2]王華川,王仲林.打磨技術(shù)在地鐵軌道養(yǎng)護(hù)中的實(shí)踐探討[J].甘肅科技,2006,22(1)：51.

[3]瞿鋒.上海地鐵軌面接觸疲勞裂紋傷損的產(chǎn)生、影響及防治[J].城市軌道交通研究,2008(11)：40.

[4]T assilly E,Vincent N.Rail corrugations：analytical model and field tests[J].Wear,1991,144(1-2)：163.

[5]Ahlbeck D R,Daniels L E.Investigation of rail corrugations on the Baltimore Metro[J].Wear,1991,144(1-2)：197.

[6]Yoshihiro Suda,Mitsuo Hanawa,Mikio Okumura,et al.Study on rail corrugation in sharp curves of commuter line[J].Wear,2002,253(1-2)：193.

[7]Diana G,Chelif F,Bruni S,et al.Experimental and numerical investigation on subway short pitch corrugation[J].Vehicle System Dynamics,1998,29(supplement)：234.

[8]溫澤峰.鋼軌波浪形磨損研究[D].成都：西南交通大學(xué),2006.