龔繼軍

(中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司，北京 100036)

在我國(guó)鐵路現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)由于鋼軌表面不平順引起的輪軌間產(chǎn)生異常噪聲現(xiàn)象[1]。鋼軌表面或者車輪表面的短波不平順不僅會(huì)引起輪軌之間產(chǎn)生滾動(dòng)噪聲，還會(huì)導(dǎo)致輪軌沖擊力急劇增大，使軌下基礎(chǔ)承受較大沖擊，造成其結(jié)構(gòu)破壞，同時(shí)也會(huì)將沖擊載荷反作用給車輛的各部件，影響乘坐的舒適性，并使車輛部件產(chǎn)生疲勞裂紋，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生疲勞斷裂。鋼軌打磨是指采用打磨車或者人工打磨設(shè)備對(duì)鋼軌外形進(jìn)行打磨，目的是及時(shí)消除或控制鋼軌表面的病害和缺陷，同時(shí)通過打磨來提高軌面平順性以及對(duì)鋼軌廓形進(jìn)行優(yōu)化，促使輪軌接觸處于良好狀態(tài)，減小輪軌相互作用力[2-6]。鋼軌個(gè)性化的廓形打磨是指依據(jù)各條線路的實(shí)際情況，通過仿真計(jì)算結(jié)合鋼軌表面病害特點(diǎn)、廓形狀態(tài)，制定最佳的目標(biāo)廓形，然后依據(jù)打磨車的磨削性能以及鋼軌材質(zhì)等逐直線、逐曲線制定精準(zhǔn)的打磨方案[7-8]。

本文針對(duì)動(dòng)車組通過石長(zhǎng)鐵路上行線某里程時(shí)存在異響、車體垂向振動(dòng)較大的情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，隨后依據(jù)該線車輪和鋼軌廓形數(shù)據(jù)采集結(jié)果制定了個(gè)性化的廓形打磨策略，并對(duì)打磨效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

1 概況

石長(zhǎng)鐵路于2015年起對(duì)既有線進(jìn)行電化改造并增建二線，于2016年1月18日正式建成。增建二線上行線年通過總質(zhì)量約33.49 Mt。試驗(yàn)線路鋼軌于2015年上道，鋼軌材質(zhì)為U75VG，2016年8月進(jìn)行預(yù)防性打磨，于2017年9月起開始開行動(dòng)車組列車。動(dòng)車組列車開通運(yùn)營(yíng)以后，發(fā)現(xiàn)動(dòng)車組每日運(yùn)行到上行線直線段某里程后其垂向振動(dòng)性能不佳，人員乘坐不舒適，司機(jī)室和客艙室均能聽到明顯的異常聲源。

2 動(dòng)車組異響原因分析

2.1 問題調(diào)查

對(duì)石長(zhǎng)鐵路動(dòng)車組異響區(qū)段的軌面狀態(tài)、鋼軌廓形、平直度、動(dòng)車組振動(dòng)情況進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查。調(diào)查結(jié)果表明該區(qū)段存在的主要問題有：直線區(qū)段部分鋼軌軌頭邊緣剮蹭，軌面光帶不良，軌距角有輕微磨痕，光帶近乎布滿了整個(gè)軌面；鋼軌軌面平直度不夠；鋼軌廓形不良，左股內(nèi)側(cè)較低，易導(dǎo)致車輛出現(xiàn)一次蛇行；將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的鋼軌廓形與石長(zhǎng)鐵路運(yùn)行的動(dòng)車組車輪踏面進(jìn)行匹配時(shí)，存在輪軌關(guān)系不良問題。

2.2 產(chǎn)生機(jī)理分析

根據(jù)產(chǎn)生的根源，輪軌噪聲一般分為以下3種：摩擦噪聲(尖噪聲)、撞擊噪聲、輪軌滾動(dòng)噪聲。

摩擦噪聲一般產(chǎn)生在小半徑曲線上，這是因?yàn)檐囕喲厍€鋼軌運(yùn)行時(shí)不是純滾動(dòng)運(yùn)行，而是有局部的橫向滑動(dòng)，即“卡滯-滑動(dòng)效應(yīng)”，導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲，故本直線區(qū)段可不考慮摩擦噪聲因素。撞擊噪聲一般是由于鋼軌存在軌隙導(dǎo)致不平坦的鋼軌接頭和車輪踏面局部磨損，以及在制動(dòng)時(shí)閘瓦抱死車輪造成踏面局部磨平而引起的，但石長(zhǎng)線使用的是焊接長(zhǎng)鋼軌，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鋼軌接頭以及動(dòng)車組踏面進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，并未發(fā)現(xiàn)異常，因此此類噪聲也不明顯。

輪軌滾動(dòng)噪聲是由鋼軌表面的短波不平順激發(fā)輪軌振動(dòng)，通過空氣傳播而產(chǎn)生的。當(dāng)車輪在存在表面連續(xù)短波和極短波不平順的鋼軌上滾動(dòng)時(shí)，會(huì)沖擊鋼軌，使得軌道與列車間產(chǎn)生受迫振動(dòng)，向外輻射出聲波而產(chǎn)生噪聲。這與現(xiàn)場(chǎng)鋼軌表面的不平順測(cè)量結(jié)果符合。

2.2.1 軌面平直度測(cè)量結(jié)果

圖1為石長(zhǎng)鐵路上行線動(dòng)車組異響區(qū)段打磨前對(duì)鋼軌表面平直度的測(cè)量，測(cè)量工具為1 m鋼直尺和塞尺，在左右股10 m范圍內(nèi)測(cè)量波長(zhǎng)和波深，一共布設(shè)11個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖1 打磨前鋼軌平直度測(cè)量

石長(zhǎng)鐵路上行線動(dòng)車組異響區(qū)段鋼軌打磨前不平順測(cè)量結(jié)果見表1?？芍獪y(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)11不平順波長(zhǎng)均在120～123 mm。說明動(dòng)車組異響區(qū)段軌面存在不平順，且分布區(qū)域較廣，因此急需通過打磨來進(jìn)行緩解，提高車輛通過時(shí)乘客的舒適度。

表1 打磨前鋼軌不平順測(cè)量結(jié)果

2.2.2 頻譜分析結(jié)果

利用打磨車打磨前設(shè)備調(diào)試的機(jī)會(huì)，采用檢測(cè)設(shè)備對(duì)打磨車通過該區(qū)段時(shí)的垂向振動(dòng)進(jìn)行了識(shí)別。之所以不直接分析動(dòng)車組的車體加速度，是因?yàn)閯?dòng)車組采用的是兩級(jí)懸掛系統(tǒng)，軌面不平順引起的高頻振動(dòng)經(jīng)過兩系懸掛以后容易衰減，若要分析輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架、車體的振動(dòng)傳遞過程，需在輪對(duì)軸箱、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架端部、車體對(duì)應(yīng)位置布置相應(yīng)的傳感器，試驗(yàn)過程比較復(fù)雜。而打磨車懸掛系統(tǒng)性能相對(duì)較差，減振、隔振效果不佳，軌面不平順引起的頻率可以比較明顯地傳遞給車體，便于分析。

圖2為打磨車以速度7 km/h通過異響區(qū)段時(shí)垂向加速度的時(shí)域和頻域圖，圖3為打磨車以速度7 km/h 通過異響區(qū)段時(shí)垂向加速度短時(shí)傅里葉變換(Short Time Fourier Transform，STFT)結(jié)果。

圖2 異響區(qū)段垂向加速度

圖3 異響區(qū)段垂向加速度STFT結(jié)果

采用速度-頻域分析方法對(duì)得到的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下車輛振動(dòng)加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合分析，可知：假設(shè)石長(zhǎng)鐵路上行線動(dòng)車組異響區(qū)段不平順譜的波長(zhǎng)為λ，單位m，輪對(duì)速度是v，單位m/s，則不平順激擾頻率f=v/λ，單位Hz。圖3中打磨車在異響區(qū)段的垂向加速度主頻為16 Hz左右，打磨車速度為7 km/h，可知不平順波長(zhǎng)7/3.6/16=0.122 m=122 mm左右，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果平均波長(zhǎng)約為122 mm相吻合。

3 打磨治理及效果

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明異響區(qū)段軌面存在短波不平順。由于線路打磨車無法調(diào)度，故采用道岔打磨車進(jìn)行處理。道岔打磨車磨石直徑125 mm，能夠處理該短波不平順。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果制定了個(gè)性化的廓形打磨方案。

3.1 打磨后垂向加速度分析結(jié)果

為了便于和打磨前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，所以采用打磨車的垂向加速度進(jìn)行分析[9-10]。圖4為打磨后打磨車以速度7 km/h通過異響區(qū)段時(shí)垂向加速度的時(shí)域圖及STFT結(jié)果。

圖4 打磨后垂向加速度時(shí)域圖及STFT結(jié)果

從圖4可以看出，打磨后鋼軌表面不平順得到有效消除，打磨車運(yùn)行到該區(qū)段時(shí)無明顯能量集中現(xiàn)象。

3.2 打磨前后鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)變化情況

鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)(Grinding Quality Index，GQI)可表征打磨前后實(shí)測(cè)鋼軌廓形與設(shè)計(jì)廓形的吻合程度，值越高表示吻合度越高。圖5為石長(zhǎng)鐵路異響區(qū)段2017年11月打磨前后鋼軌GQI分布情況，可看出：打磨前石長(zhǎng)鐵路異響區(qū)段鋼軌左右股GQI平均值為54.4，打磨后提高到89.0，提高了38.9%，說明GQI平均值明顯提高，使得輪軌關(guān)系得到明顯改善。

圖5 石長(zhǎng)鐵路異響區(qū)段打磨前后左右股GQI均值分布

3.3 打磨前后鋼軌表面狀況

動(dòng)車組異響區(qū)段打磨前部分軌頭邊緣存在剮蹭，軌面光帶較寬，軌距角有輕微磨痕；軌頂存在麻點(diǎn)，軌面光帶不良。圖6—圖8為打磨后1個(gè)月異響區(qū)段部分測(cè)點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果，可知軌面光帶寬度、位置良好，軌頂麻點(diǎn)得到消除，軌面清潔度得到極大提高，輪軌接觸位置分布合理。

3.4 鋼軌打磨帶來的經(jīng)濟(jì)效益

單獨(dú)針對(duì)上行線存在異響的200 m鋼軌(左右股單側(cè)100 m)進(jìn)行成本測(cè)算。石長(zhǎng)鐵路換軌備料只有短軌，動(dòng)車組異響區(qū)段原計(jì)劃更換兩側(cè)(并行)共計(jì)200 m鋼軌，需要25 m短軌8根，需要增加8對(duì)焊頭，每對(duì)焊頭均須在現(xiàn)場(chǎng)通過鋁熱焊進(jìn)行焊接。表2為打磨或更換200 m鋼軌的成本對(duì)比。短軌單價(jià) 3 000 元左右，8根；焊頭成本(不含人工)在 2 500 元左右，需要8對(duì)；需要8人提前4 h準(zhǔn)備，4 h進(jìn)行作業(yè)；后續(xù)由于鋁熱焊效果較差，使用不久就有可能引起焊接接頭不平順，導(dǎo)致道床掉板，又會(huì)相應(yīng)增加人工成本。而打磨僅花了1個(gè)天窗，現(xiàn)場(chǎng)采用道岔打磨車對(duì)這200 m鋼軌打磨24遍，折算以后打磨成本約為 4 000元。

圖6 測(cè)點(diǎn)1打磨前后鋼軌表面變化情況

圖7 測(cè)點(diǎn)2打磨前后鋼軌表面變化情況

圖8 測(cè)點(diǎn)3打磨前后鋼軌表面變化情況

表2 石長(zhǎng)鐵路打磨成本與換軌成本 元

從表2可以看出，打磨成本僅為換軌的約1/11。所以，合理利用打磨解決現(xiàn)場(chǎng)由于輪軌接觸不良引起的問題從而延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命具有重大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，采用廓形打磨以后，隨著輪軌關(guān)系的優(yōu)化，可以降低機(jī)車車輛車輪踏面的磨損，降低牽引動(dòng)力的消耗，衰減振動(dòng)傳遞的能量，從而延長(zhǎng)車輪、轉(zhuǎn)向架、車體的使用壽命，也能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1)通過廓形打磨，異響區(qū)段軌面平直度得到極大改善。

2)打磨后左右股鋼軌GQI均得到大幅提升，鋼軌GQI均能保持在85以上。

3)輪軌表面不平順會(huì)導(dǎo)致輪軌黏著不良，增加輪軌運(yùn)行阻力，通過廓形打磨極大地消除了這種狀況。

4)通過廓形打磨，減少了因換軌而增加的鋼軌接頭，避免產(chǎn)生更多的接頭沖擊，并減少了工務(wù)維修成本。