王志強(qiáng)，化一寧，孟鴻濤

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所，洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南 洛陽 471000 2.南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，南京 200125）

軌道結(jié)構(gòu)是振動(dòng)傳播途徑中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)（質(zhì)量、剛度、幾何尺寸等）直接影響周邊結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，因此以軌道動(dòng)態(tài)特性為對(duì)象研究地鐵的減振性能成為比較常用的方法之一。然而隨著軌道支承剛度下降，可能會(huì)引起更高的鋼軌振動(dòng)及滾動(dòng)噪聲[1]。列車產(chǎn)生的噪聲通過車輪以及軌道的振動(dòng)輻射向周圍環(huán)境，振動(dòng)產(chǎn)生的主要原因是輪軌之間接觸所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力，而其中最為重要的動(dòng)態(tài)激勵(lì)之源就是鋼軌表面的粗糙度以及滾動(dòng)摩擦力，尤其在曲線地段這種鋼軌表面的粗糙度及滾動(dòng)摩擦力更為明顯[2–3]。

由于出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的鋼軌波磨現(xiàn)象，2014年12月19日對(duì)現(xiàn)有的剪切型減振器路段進(jìn)行鋼軌打磨，2015年1月15－16日對(duì)南京南站至雙龍大道下行線K7+429～K7+917區(qū)間進(jìn)行了部分扣件更換。此區(qū)間為地下線路，曲線半徑R=350 m，將K7+600－K7+675區(qū)間原剪切型減振器（Egg扣件）更換為上部鎖緊式雙層非線性減振扣件（GJ-32扣件）。此區(qū)間在未進(jìn)行鋼軌打磨時(shí)連續(xù)跟蹤測(cè)試了6個(gè)月，觀察此區(qū)間內(nèi)鋼軌波磨的變化情況。

1 上部鎖緊式雙層非線性扣件

上部鎖緊式雙層非線性扣件主要由軌下彈性墊、上鐵墊板、中間彈性墊、下鐵墊板和絕緣自鎖套等組成，具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)減振性能，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，預(yù)壓緊力可調(diào)，安裝及維修方便，如圖1所示。

圖1 上部鎖緊式雙層非線性扣件

上部鎖緊式雙層非線性扣件的主要特點(diǎn)如下：

（1）非線性彈性墊板：采用了獨(dú)有技術(shù)“非線形高扭抗減振墊板”設(shè)計(jì)；扣件橫向、扭轉(zhuǎn)剛度高，具有良好的過載保護(hù)功能，安全性好。

（2）非粘接無螺栓可拆卸式結(jié)構(gòu)：不用螺栓而能傳遞縱、橫向力及翻轉(zhuǎn)力矩，組裝和拆卸方便。

（3）扣件系統(tǒng)自身預(yù)緊力可調(diào)：扣件上鐵墊板和下鐵墊板之間的預(yù)緊力可通過自鎖機(jī)構(gòu)中的調(diào)整墊片進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，滿足線路安裝調(diào)整及維護(hù)需求。

（4）有效改善波磨：優(yōu)化了扣件上鐵墊板的固有頻率及扣件系統(tǒng)連接剛度，有效抑制鋼軌波磨發(fā)展，同時(shí)減少鋼軌振動(dòng)和噪聲，提高乘車舒適性。

2 鋼軌波浪磨耗

鋼軌波浪磨耗是在軌道運(yùn)營(yíng)過程中在鋼軌踏面沿鋼軌縱向產(chǎn)生的一種波長(zhǎng)規(guī)則化的典型鋼軌粗糙度現(xiàn)象，其主要特點(diǎn)是磨耗的波長(zhǎng)基本固定。在產(chǎn)生波浪磨耗的鋼軌上，可以在軌頭部分很容易地觀察到磨耗的痕跡，以及明顯的波峰與波谷[45]。

“非連續(xù)支承諧振機(jī)理”是最主要的波長(zhǎng)固定機(jī)理[6]。非連續(xù)支承頻率f可按下式(1)進(jìn)行計(jì)算[7]

其中：E是鋼軌材料的彈性模量，I是鋼軌截面慣性矩，mr是鋼軌單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，l是扣件支撐間距，rg是旋轉(zhuǎn)半徑，v是泊松比，K(≈0.34)是截面剪切系數(shù)。

在列車運(yùn)營(yíng)條件下，若已知其運(yùn)行速度時(shí)，波浪磨耗的激勵(lì)頻率可按下式（2）計(jì)算

這里，fc是波浪磨耗的激勵(lì)頻率，s是列車運(yùn)行速度，λ是波浪磨耗的波長(zhǎng)。這個(gè)計(jì)算的頻率通常可以幫助辨認(rèn)軌道鋼軌有波浪磨耗的軌道產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的主要振源。

3 測(cè)試地點(diǎn)

南京地鐵1號(hào)線在更換新扣件之前南京南站至雙龍大道站區(qū)間扣件鋪設(shè)情況如表1，其中鋼軌波磨最嚴(yán)重區(qū)間為K7+429～K7+917。

自2015年2月3日起每月進(jìn)行跟蹤測(cè)試。需要說明的是，南京地鐵于4月6日進(jìn)行了K7+429～K7+600區(qū)間（剪切型減振器）的鋼軌打磨，該段的3次波磨測(cè)試結(jié)果。在同樣的區(qū)間內(nèi)，詳細(xì)的跟蹤測(cè)試了南京南站至雙龍大道區(qū)間的波磨，分別于2015年2月3日、3月11日、4月10日、5月9日、6月10日、7月6日對(duì)該區(qū)間內(nèi)的波磨情況進(jìn)行了測(cè)試。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

通過波磨檢測(cè)儀CAT進(jìn)行鋼軌波浪形磨耗狀況測(cè)試?？勺詣?dòng)計(jì)算輸出波磨的波長(zhǎng)、波深等信息，圖2為現(xiàn)場(chǎng)鋼軌的波磨檢測(cè)。CAT3鋼軌波磨測(cè)量?jī)x采用手工測(cè)量方式，專用于測(cè)量鋼軌波磨，及其粗糙度。

典型用于打磨質(zhì)量的評(píng)估，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)波磨發(fā)展的短期與長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，小型鐵路系統(tǒng)的波磨檢查，車輛聲學(xué)測(cè)試是否符合要求的現(xiàn)場(chǎng)示范及鋼軌波磨檢查。鋼軌波磨測(cè)量?jī)x性能強(qiáng)大，測(cè)量精度精準(zhǔn)、可靠。

表1 南京南站至雙龍大道站下行線區(qū)間扣件鋪設(shè)情況

圖2 鋼軌波磨測(cè)試

5 數(shù)據(jù)分析

5.1 鋼軌跟蹤6個(gè)月鋼軌波磨變化

圖3－圖4中表明隨著時(shí)間推移，剪切型減振器區(qū)間高低軌波磨嚴(yán)重，與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)相同。除原有發(fā)展嚴(yán)重的低軌80 mm、40 mm，高軌63 mm、31.5 mm波長(zhǎng)外，低軌25 mm波長(zhǎng)、高軌20 mm波長(zhǎng)波磨逐漸顯現(xiàn)并持續(xù)加重。

圖3 剪切型減振器低軌鋼軌波磨

圖4 剪切型減振器高軌鋼軌波磨

圖5－圖6表明，雖然上部鎖緊式雙層非線性減振扣件區(qū)間高軌也存在80 mm波磨（原有波磨在改造前未完全打磨清除），但粗糙度值在逐漸減小。其他波長(zhǎng)波磨幅值均較小，在5月9日及以后的數(shù)據(jù)可看出，80 mm波長(zhǎng)波磨也已經(jīng)很大程度減小，現(xiàn)場(chǎng)肉眼觀測(cè)無波磨現(xiàn)象。同時(shí)低軌在50 mm、40 mm波長(zhǎng)波磨有所增加，但是增長(zhǎng)的速度非常的緩慢。高軌的波磨在80 mm、31.5 mm波長(zhǎng)都有所緩慢的減小，這表明上部鎖緊式雙層非線性減振扣件在抑制鋼軌波磨增長(zhǎng)起到了很大的作用。

圖5 上部鎖緊式雙層減振扣件低軌波磨

圖6 上部鎖緊式雙層減振扣件高軌波磨

從表2可以看出剪切型減振器波長(zhǎng)主要是集中在80 mm、63 mm、40 mm；上部鎖緊式雙層非線性減振扣件主要是集中在了80 mm、63 mm。

表2波磨跟蹤測(cè)試結(jié)果表明，南京地鐵1號(hào)線南京南站至雙龍大道站，剪切型減振器扣件區(qū)間鋼軌波磨隨著時(shí)間的發(fā)展鋼軌表面的波磨也發(fā)展十分嚴(yán)重，上部鎖緊式雙層非線性減振扣件區(qū)間鋼軌波磨控制效果明顯。

如圖7為剪切型減振器與上部鎖緊式雙層非線性減振扣件低軌波長(zhǎng)在80 mm和40 mm變化情況，隨著持續(xù)根據(jù)6個(gè)月的變化趨勢(shì)，剪切型減振器低軌鋼軌波長(zhǎng)在80 mm時(shí)，得到鋼軌的粗糙度隨著時(shí)間的其增長(zhǎng)速度為0.6 dB/月；剪切型減振器低軌鋼軌波長(zhǎng)在40 mm時(shí)，得到鋼軌的粗糙度隨著時(shí)間的其增長(zhǎng)速度為2.2 dB/月；上部鎖緊式雙層非線性減振扣件低軌鋼軌波長(zhǎng)在80 mm時(shí)，得到鋼軌的粗糙度隨著時(shí)間的其減小速度為2.1 dB/月；上部鎖緊式雙層非線性減振扣件低軌鋼軌波長(zhǎng)在40 mm時(shí)，得到鋼軌的粗糙度隨著時(shí)間的其增長(zhǎng)速度為0.9 dB/月。圖8為剪切型減振器與上部鎖緊式雙層非線性減振扣件高軌波長(zhǎng)在63 mm和31.5 mm變化情況。

表2 鋼軌波磨粗糙度總級(jí)/dB(A)re 1 μm

圖7 低軌波磨在波長(zhǎng)40 mm和80 mm的變化

圖8 高軌波長(zhǎng)在31.5 mm和63 mm的變化

5.2 鋼軌總粗糙度變化

綜上所述，鋼軌總粗糙度變化如圖9所示，根據(jù)連續(xù)的6個(gè)月對(duì)相同區(qū)間內(nèi)的鋼軌的波磨進(jìn)行跟蹤測(cè)試，得到了隨著時(shí)間地增長(zhǎng)剪切型減振器鋼軌的波磨在緩慢的增長(zhǎng)，剪切型減振器低軌在波長(zhǎng)為80 mm的增長(zhǎng)速度為0.6 dB/月、40 mm的增長(zhǎng)速度為2.2 dB/月；剪切型減振器高軌在波長(zhǎng)為63 mm的增長(zhǎng)速度為2.5 dB/月、31.5 mm的增長(zhǎng)速度為1.9 dB/月。

圖9 鋼軌總粗糙度變化

得到了上部鎖緊式雙層非線性減振扣件隨著時(shí)間的增長(zhǎng)鋼軌波磨在緩慢地減小，上部鎖緊式雙層非線性減振扣件低軌在波長(zhǎng)為80 mm的減小速度為2.1 dB/月、40 mm的增長(zhǎng)速度為0.9 dB/月；上部鎖緊式雙層非線性減振扣件高軌在波長(zhǎng)為63 mm的減小速度為0.2 dB/月、31.5 mm的增長(zhǎng)速度為1.3 dB/月。

6 結(jié)語

根據(jù)2015年連續(xù)6個(gè)月對(duì)相同區(qū)間內(nèi)鋼軌的波磨進(jìn)行的跟蹤測(cè)試，得到了隨著時(shí)間的增長(zhǎng)剪切型減振器扣件鋼軌的波磨在緩慢地增長(zhǎng)，高低平均增長(zhǎng)速度為1.5 dB/月；上部鎖緊式雙層非線性減振扣件隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，鋼軌的波磨在緩慢地減小，高低軌平均減小的速度為0.7 dB/月。

得到了隨著時(shí)間的增長(zhǎng)剪切型減振器鋼軌的波磨在緩慢地增長(zhǎng)，剪切型減振器低軌在波長(zhǎng)為80 mm的增長(zhǎng)速度為0.6 dB/月、40 mm的增長(zhǎng)速度為2.2 dB/月；剪切型減振器高軌在波長(zhǎng)為63 mm的增長(zhǎng)速度為2.5 dB/月、31.5 mm的增長(zhǎng)速度為1.9 dB/月。得到了上部鎖緊式雙層非線性減振扣件隨著時(shí)間的增長(zhǎng)鋼軌波磨在緩慢地減小，上部鎖緊式雙層非線性減振扣件低軌在波長(zhǎng)為80 mm的減小速度為2.1 dB/月、40 mm的增長(zhǎng)速度為0.9 dB/月；上部鎖緊式雙層非線性減振扣件高軌在波長(zhǎng)為63 mm的減小速度為0.2 dB/月、31.5 mm的增長(zhǎng)速度為1.3 dB/月。

結(jié)果可以看出，剪切型減振器區(qū)間鋼軌波磨嚴(yán)重發(fā)展，而上部鎖緊式雙層非線性減振扣件十分有效地抑制了鋼軌波磨的增長(zhǎng)。