城市轨道交通钢轨波纹磨耗成因的探讨

城市轨道交通钢轨波纹磨耗成因的探讨Discussion on the Cause of Rail Corrugation in Urban Rail Transit

1 引言

随着我国城市轨道交通建设的飞速发展，城市轨道交通已逐步成为城市中振动及噪声的主要污染源。由于轨道结构是振动传播的重要环节，因此环境影响评价中对于振动及噪声超标的敏感点，一般均要求在轨道结构上采取减振措施，以谋求线路开通后周边建筑物的振动及噪声满足要求。

在各类减振轨道结构中，扣件减振是最经济、最方便施工、最便于养护维修及更换的减振措施，国内外城市轨道交通中均有采用。然而在对我国新开通的城市轨道交通线路调研中，发现采用减振扣件的一些区段出现了类似高铁线路上的钢轨波纹磨耗问题（以下称为钢轨异常波磨问题），波长为60mm 左右，并伴随有轮轨啸叫声。城市轨道交通中因减振带来的异常波磨问题已逐渐成为当前轨道结构领域亟待解决的问题及研究热点。

2 钢轨波纹磨耗的定性分析

为全面掌握北京地铁钢轨异常波磨的情况及分布规律，课题组对钢轨波磨情况进行了系统、深入调研，并对发生波磨地段的长度、波磨特征、里程、车辆速度、线路条件、减振扣件类型等进行了详细统计，整理了详实的基础数据资料，并在此基础上对波磨的分布规律进行深入的总结分析[1]。

2.1 异常波磨的主要特点及定性分析

纵观国内外钢轨波磨成因的理论，大体分为动力类成因和非动力类成因两大类，动力类成因指钢轨波磨是轮轨系统动力作用的结果，非动力类成因主要从钢轨材质、冶炼、加工工艺等方面解释波磨的成因。

对于五号线钢轨异常波磨的成因，主要就以下几方面的特点进行定性分析,见表1。

此外，对于扣件刚度对波磨的影响问题，从既有文献来看，一般认为降低轨道刚度对于减缓波磨有利[5，6]，但地铁工程的实践表明，扣件刚度的降低虽增加了轨道弹性，但反而更易引起钢轨波磨。扣件刚度对波磨的影响，有以下几方面。

一方面，扣件刚度的降低使得轨道变形加大，轮轨接触面积随着增大，因此轮轨接触应力有所降低，有利于减缓钢轨波磨；

另一方面，扣件刚度的降低将导致在动荷载作用下钢轨更易发生弯曲振动，故易导致钢轨异常波磨产生；

再者，为降低扣件刚度，需对垫板的材料配方、几何参数等进行设计，刚度调整的同时将使得扣件系统的阻尼特性发生改变。相关测试结果表明，扣件刚度的降低可能导致其高频下的阻尼值降低较多，导致轮轨接触界面振动加剧，加速异常波磨的产生[1]。这可能是目前已开通线路上各种减振扣件地段的波磨程度差异较大的主要原因之一。

因此，扣件刚度调整是否会导致波磨的产生是各种因素综合作用的结果，不能仅从扣件刚度的大小直接判定是否易导致钢轨异常波磨产生。

3 动力仿真分析

在以上定性分析的基础上，通过建立车辆/轨道系统动力仿真模型，从轮轨垂向振动理论的角度，通过对轮轨系统的随机响应振动特性进行动力仿真计算，以对钢轨异常波磨的成因进行理论分析。

目前在诸多钢轨波磨成因理论中，轮轨垂向振动理论认为轮轨接触频率与钢轨波磨有直接关系[5]。因此动力仿真分析主要通过计算能反映轮轨相互作用状况的轮对加速度频谱特性来评估轮轨接触作用与钢轨波磨形成的相互关系问题。影响因素主要考虑扣件刚度、扣件阻尼及车辆速度。

仿真分析中车辆采用B型车，轨道不平顺采用随机不平顺激扰，钢轨为60kg/m钢轨。车辆速度除有特别说明之外均为70km/h。

3.1.1扣件刚度的影响

摘要本文在对北京地铁部分线路钢轨波纹磨耗问题进行系统调研及定性分析的基础上，通过建立车轨动力仿真模型，对扣件刚度、阻尼及车速与钢轨波纹磨耗的关系进行了动力仿真分析，并提出相关建议，为既有线整治及新线预防提供参考。

关键词城市轨道交通钢轨波纹磨耗成因分析动力学

Abstract: This paper has made a dynamic simulation analysis based on the corrugation problem in some metro lines to make a system research and analysis, through establishing vehicle rail dynamic simulation model to analysis faster stiffness, damping and relation between train velocity and rail corrugation to propose advices for the references of the existing metro line and new construction line.

Keywords: Urban Rail Transit; Rail Corrugation; Cause Analysis; Dynamics

表1 北京地铁部分线路钢轨异常波磨成因的定性分析

图1 不同垂向扣件刚度下垂向轮对加速度功率谱密度比较

图2 不同横向扣件刚度下横向轮对加速度功率谱密度比较由图1、图2可见：

（1）本刚度计算范围内，不同扣件刚度下轮对垂向加速度在300Hz附近均存在轮轨接触共振峰值。

表明无论在一定的车辆速度条件下（本计算中车辆速度为70km/h），轮轨接触界面可能激起在300Hz 附近垂向振动的峰值，且扣件刚度为10kN/mm时300Hz附近突起较大，表明扣件刚度较低时对于300Hz的高频振动更为敏感，与相关文献一致[4]。另就幅值大小而言，扣件垂向刚度为50kN/mm时的轮

对加速度较大，主要原因是轨道刚度较大，导致轮轨接触力较大，这与相关文献的结论一致[7]。

（2）不同横向扣件刚度下加速度功率谱密度基本一致，表明横向轮轨力主要集中在较低频段范围内，与相关文献一致[4]。这进一步验证了轮轨在200~300Hz附近共振的成因主要应从轮轨垂向振动理论的角度予以解释。

（3）车辆速度为70km/h条件下，若此共振频率引发钢轨波纹磨耗的产生，则对应的钢轨波长应为63mm，这与目前减振扣件地段发生的异常波磨波长基本一致，表明减振扣件地段钢轨异常波磨的产生与轮轨接触共振有密切关系。另需说明，本文建立的模型未考虑轮对的弹性变形，相关车辆厂反馈的车辆参数中，轮对的二阶弯曲及扭转振动一般在200～350Hz，与此振动频率较为接近，易产生共振问题，这进一步加剧了200~300Hz附近的振动。3.1.2扣件阻尼的影响

图3 不同扣件阻尼系数下垂向轮对加速度功率谱密度比较由图3可知：

（1）在同等速度条件下，扣件阻尼的改变虽对轮轨接触高频振动的频率值无影响，但阻尼的提高