喬海鋒

（北京京港地鐵有限公司，北京 100068）

地鐵小半徑曲線處的異常磨耗始終是工務(wù)部門運(yùn)維的重點(diǎn)和難點(diǎn)，尤其是出入段線、進(jìn)出站小半徑曲線較多，列車通過小半徑曲線時(shí)噪聲過大，產(chǎn)生噪聲的主要原因未能有效確認(rèn)，對(duì)乘車舒適度造成了一定的影響?，F(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，小半徑曲線區(qū)段存在彈條斷裂現(xiàn)象，鋼軌波浪磨耗（以下簡(jiǎn)稱“波磨”） 發(fā)展較快，對(duì)線路設(shè)備的養(yǎng)護(hù)維修造成了較大的困難。在調(diào)查線路中，小半徑曲線因鋼軌波磨已更換鋼軌達(dá)數(shù)千米。

此外，鋼軌波磨是產(chǎn)生輪軌嘯叫噪聲和接觸共振的主要原因之一。輪軌嘯叫經(jīng)常引起局部噪聲超標(biāo)；接觸共振不僅會(huì)對(duì)列車走行部產(chǎn)生影響，而且還會(huì)誘發(fā)鋼軌及軌下設(shè)施的疲勞傷損，以致影響列車安全[1]。因此，進(jìn)一步分析列車通過小半徑曲線的噪聲主要成因，利用基于輪軌動(dòng)力學(xué)的檢測(cè)技術(shù)[2-3]，并研究采取更換楔形膠墊、更換減振扣件等減磨降噪整治技術(shù)方案，對(duì)提高列車通過小半徑曲線行車時(shí)的乘車舒適度、延長(zhǎng)小半徑曲線大修周期意義重大?；谝陨蠈?duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段需要解決的關(guān)鍵問題主要有以下兩個(gè)方面：一是波磨引起噪聲的區(qū)分。在前期測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，引起輪軌異常噪聲的原因主要為曲線下股波磨引起的輪軌共振噪聲；二是各種減磨降噪整治手段的效果評(píng)價(jià)。評(píng)判一種減磨降噪整治手段的有效性，可以通過考核整治前后磨耗或噪聲發(fā)展的快慢來衡量，因此，本文通過建立物理模型，對(duì)減磨降噪整治效果進(jìn)行評(píng)價(jià)[4-5]。

1 輪軌噪聲區(qū)分

列車通過小半徑曲線時(shí)，常見車內(nèi)噪聲表現(xiàn)為嗡鳴聲，頻率較低，影響乘車舒適度?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，在車站站臺(tái)即能夠明顯感覺到嗡鳴聲先于列車行車噪聲傳遞到人耳，列車駛過嗡鳴聲最大，且伴隨刺耳尖銳噪聲。為驗(yàn)證和區(qū)分兩種輪軌噪聲，對(duì)北京某條線出入段線小半徑曲線處進(jìn)行輪軌共振及噪聲測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)鋼軌磨耗狀態(tài)、輪軌共振及噪聲區(qū)分試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 鋼軌磨耗狀態(tài)、輪軌共振及噪聲區(qū)分試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

由表1 可知，上行線鋼軌狀態(tài)良好（經(jīng)歷換軌不足1 個(gè)月），鋼軌無波磨，兩股鋼軌振動(dòng)正常，上股鋼軌在列車通過時(shí)產(chǎn)生了頻率為900 Hz 左右的高頻噪聲，車內(nèi)噪聲正常；下行線鋼軌存在波磨，波磨長(zhǎng)度為110~130 mm，波深約為0.2 mm，局部可見魚鱗紋，下股鋼軌在列車通過時(shí)產(chǎn)生了頻率為150 Hz 的輪軌共振和頻率為130 Hz 的低頻噪聲，上股鋼軌在列車通過時(shí)產(chǎn)生了頻率為1.5 kHz 左右的高頻噪聲，而且列車內(nèi)產(chǎn)生了150 Hz、95 dB 的低頻噪聲。

由以上數(shù)據(jù)可得出，列車經(jīng)過小半徑曲線時(shí)產(chǎn)生的車內(nèi)噪聲是由于曲線下股波磨導(dǎo)致的輪軌共振產(chǎn)生的，列車無法隔絕和吸收該頻段的振動(dòng)和噪聲。因此，本文重點(diǎn)將針對(duì)地鐵線路小半徑曲線的下股波磨開展研究工作。

2 輪軌共振、噪聲測(cè)試及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方案

本文對(duì)北京某地鐵線路聯(lián)絡(luò)線和地鐵站進(jìn)出站的小半徑曲線進(jìn)行了輪軌共振及噪聲測(cè)試，每條小半徑曲線選擇兩個(gè)斷面，采集鋼軌的垂向振動(dòng)信息和橫向振動(dòng)信息。依照試驗(yàn)方案進(jìn)行減磨降噪整治前后，分別采集軌道的振動(dòng)信息，通過對(duì)比分析，評(píng)價(jià)和優(yōu)化出最佳減磨降噪整治技術(shù)方案。在此期間，對(duì)于鋼軌廓形優(yōu)化和曲線超高對(duì)輪軌共振及噪聲的抑制效果，已開始利用動(dòng)力學(xué)分析軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算。下行線振動(dòng)測(cè)試斷面位于噪聲測(cè)試斷面兩側(cè)，測(cè)點(diǎn)位于小半徑曲線下股波磨波峰處正下方的鋼軌軌底，傳感器與鋼軌之間由高分子剛性絕緣托隔離；噪聲傳感器布置于線路兩旁的護(hù)欄處，所有信號(hào)線經(jīng)防護(hù)后埋于隱蔽處。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，被測(cè)試區(qū)段的下行線下股鋼軌已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重波磨；上行線下股鋼軌軌面較好，僅局部波磨。數(shù)據(jù)表明：下行線列車通過時(shí)，噪聲明顯，輪軌振動(dòng)嚴(yán)重，幅值明顯增大，峰值達(dá)到680 m/s2，超出正常值100 m/s2，具有典型的共振特征；上行線列車通過時(shí)，僅產(chǎn)生正常的輪軌振動(dòng)，波形、幅值均在正常范圍內(nèi)。

由輪軌動(dòng)力學(xué)理論可知，對(duì)于鋼軌上的某一點(diǎn)，當(dāng)產(chǎn)生由波磨引起的輪軌共振時(shí)，列車懸掛的自振頻率正好與波磨波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)頻率和行車速度發(fā)生耦合，列車的輪對(duì)會(huì)沿行車方向連續(xù)沖擊每個(gè)波磨的波峰，如此連續(xù)的高頻沖擊是形成此特定頻率噪聲的根本原因。輪軌共振可特定頻段使振幅大幅度增加，容易誘發(fā)鋼軌及列車走行部的疲勞損傷，危及行車安全。本文結(jié)合信息化手段，通過對(duì)波磨反復(fù)出現(xiàn)的位置進(jìn)行軌旁動(dòng)態(tài)的動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)，對(duì)波形進(jìn)行智能分析，以輪軌共振作為波磨整治標(biāo)準(zhǔn)之一，指導(dǎo)工務(wù)部門狀態(tài)修和預(yù)防性整治。本次試驗(yàn)對(duì)比換軌前后效果、更換新型阻尼楔形膠墊效果和更換減振扣件效果，并結(jié)合振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，提出并優(yōu)化了地鐵小半徑曲線的輪軌噪聲整治技術(shù)方案。

3 仿真模型及結(jié)果分析

3.1 仿真模型

應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件，建立高速列車動(dòng)力學(xué)仿真模型，該模型中采用兩系懸掛，考慮輪軌接觸幾何關(guān)系的非線性特性、橫向止擋的非線性特性及部分減振器的非線性特性，由Kalker 非線性蠕滑理論計(jì)算輪軌蠕滑力。首先將建立的轉(zhuǎn)向架模型作為子系統(tǒng)，然后通過子系統(tǒng)建模技術(shù)組裝建立整車動(dòng)力學(xué)仿真模型。曲線半徑為400 m，超高為120 mm，以平衡速度65 km/h 通過曲線。計(jì)算分析鋼軌廓形分別為TB60 和60N 時(shí)的鋼軌磨耗指數(shù)。當(dāng)曲線半徑為400 m 的曲線上使用60N 鋼軌廓形的鋼軌磨耗，顯著高于TB60 鋼軌廓形的鋼軌磨耗。

在曲線要素中，曲線半徑為400 m，超高為120 mm，車輛運(yùn)行速度為65 km/h，鋼軌廓形為TB60，鋼軌波磨的波長(zhǎng)為100 mm，波深為0.15 mm（只施加曲線下股）。

3.2 仿真結(jié)果分析

主要分析波磨指數(shù)、軸箱振動(dòng)加速度變化。通過計(jì)算工況，得到不同工況列表，見表2。

表2 不同工況列表

1） 不同鋼軌廓形對(duì)鋼軌磨耗指數(shù)和軸箱加速度的影響（軌底坡均為1/40，同時(shí)鋼軌波磨波深為0.15 mm）：內(nèi)TB60、外TB60 鋼軌廓形對(duì)鋼軌磨耗指數(shù)影響最大；內(nèi)60N、外TB60 鋼軌廓形對(duì)鋼軌磨耗指數(shù)和軸箱加速度影響最??；內(nèi)TB60、外60N 鋼軌廓形對(duì)軸箱加速度影響最大。

2） 不同波磨深度對(duì)鋼軌磨耗指數(shù)和軸箱加速度的影響（其他條件不變，軌底坡1/40、鋼軌廓形TB60）：波磨深度為0.1 mm 時(shí)，對(duì)鋼軌磨耗指數(shù)和軸箱加速度影響最??；波磨深度為0.3 mm 時(shí)，對(duì)鋼軌磨耗指數(shù)和軸箱加速度影響最大。

4 整治效果評(píng)價(jià)

表3 為整治效果評(píng)價(jià)表。

表3 整治效果評(píng)價(jià)表

5 結(jié)論

本文提出的措施，可有效降低由于輪軌共振造成的異常噪聲1~2 dB，提升了旅客的乘車舒適度，消除了沿線周邊的噪聲污染，并消除了列車走行部在小半徑曲線的疲勞源，提高了列車運(yùn)營(yíng)安全性。同時(shí)，本文提出了地鐵小半徑曲線減磨降噪整治技術(shù)方案，通過鋼軌非對(duì)稱性打磨能夠明顯提升減磨效果和降噪效果，并為鋼軌預(yù)防性打磨做了一定的預(yù)研工作，延長(zhǎng)了鋼軌的使用壽命。