城市轨道交通轨面不平顺对轨道结构动力响应影响的试验分析*

夏旭峰

(上海地铁维护保障有限公司,200233,上海∥工程师)



城市轨道交通轨面不平顺对轨道结构动力响应影响的试验分析*

夏旭峰

(上海地铁维护保障有限公司,200233,上海∥工程师)

在某城市轨道交通线路上对钢轨打磨前后轨面不平顺、轮轨力及轨道结构振动进行测试，根据测试数据分析轨面不平顺对轮轨力和钢轨振动加速度的影响。结果表明,钢轨打磨后，轨面不平顺幅值从打磨前的0.966 mm降低为0.686 mm,轮轨垂向力可降低18%～19%,钢轨垂向振动加速度降低了2.33倍。

城市轨道交通; 轨面不平顺; 轮轨力; 结构振动; 测试与分析

Author′s address Maintenance of Shanghai Metro Co.,Ltd.,200233,Shanghai,China

在列车荷载的作用下,长波(波长1 m以上至几十米)轨道不平顺的轨道结构动力响应与短波(波长1 m以下)轨面不平顺动力响应有较大的区别[1]。波磨属于短波轨面不平顺,国内学者在理论上已对钢轨焊接接头短波不平顺的动力学问题进行了研究[2]。为了减缓线路振动噪声问题,城市轨道交通管理部门将线路的普通扣件更换为高弹性扣件,从而提高轨道结构的隔振和减振效果,降低地铁列车运行对沿线建筑物的影响。但随着列车运行,低刚度扣件线路的钢轨出现波磨,使得轨道结构和车辆振动加剧,甚至出现两者部件损坏现象。为了研究轮轨关系以及波磨对车辆、轨道振动的影响,在某条城市轨道交通线路上对钢轨打磨前后的轨道结构动力响应进行测试,以通过试验来分析掌握轨面不平顺对轮轨力和轨道结构振动加速度的影响。测试地段的轨道结构类型为Vanguard扣件,普通混凝土整体道床,曲线半径为500 m,超高120 mm,列车运行速度为45～65 km/h。

1 轨面不平顺测试与分析

测试前首先测量轨面不平顺,以了解轨面的平顺状态,然后进行轨道结构动力测试。第一次测试完成后,打磨列车对轨面进行打磨,再次测量轨面不平顺和轨道结构动力响应,以对比同一轨道结构条件下,钢轨打磨前后轨道结构动力响应的差别,从而为进一步研究轨面不平顺的限值提供技术支持。钢轨打磨前后的轨面状态如图1所示。

轨面不平顺测试采用长度为1 m的SEC-RC电子平直仪,用测尺端头磁性定位块将测尺固定在被测钢轨轨头的内侧,进行轨面不平顺测量,采样间隔为200个/m测量点。为分析钢轨打磨前后轨面不平顺情况的变化,在两次测试(打磨前后)数据记录并导出后,对轨面不平顺进行幅值和功率谱分析,并参照BS EN ISO 3095:2005(E)[3]标准对轨面不平顺水平进行1/3倍频分析。

根据动力测试断面处的测试数据,得打磨前轨面不平顺值为0.966 mm,打磨后为0.686 mm。轨面不平顺波形如图2所示。可见,打磨后轨面的短波不平顺明显降低。

图2 轨面不平顺波形图

对打磨前后的轨面不平顺测试数据进行功率谱分析,计算打磨前后样本功率谱的平均值,结果如图3所示。图中波长为1 m的峰值主要是由于波磨尺的长度引起的,钢轨打磨前,轨面不平顺主要波长成分为0.4 m和0.2 m;钢轨打磨后,轨面平顺度提高,0.4 m和0.2 m波长的轨面不平顺消失,但在1 m范围内仍有0.686 mm的不平顺。文献[4]指出,对于轨道交通,一般应将波长200 mm的轨面不平顺幅值控制在0.3 mm以下,所以认为1 m波长的轨面不平顺达0.686 mm仍偏大。

为了进一步分析打磨前后轨面状态的变化,需对轨面不平顺进行1/3倍频分析,然后将其与BS EN ISO 3095:2005(E)的标准限值进行比较。分析结果如图4所示。钢轨打磨后,轨面不平顺水平在各波长范围内较打磨前有所降低,说明钢轨打磨可有效提高轨面平顺性,但其不平顺幅值仍高于BS EN ISO 3095:2005(E)的标准限值,其中在波长0.06 m处差值达到最大,为13 dB。

图3 轨面不平顺功率谱图

图4 轨面不平顺1/3倍频图

2 轨面不平顺对轮轨力影响分析

为测试分析不同速度对轮轨振动的影响,试验时将列车速度分为四档,速度档1～4分别对应50～55 km/h、60～65 km/h、65～70 km/h、75～80 km/h。试验时没有55～60 km/h和70～75 km/h速度档的列车车次。

测试时,在列车经过测点前后20 s左右的时间,利用动态信号采集分析系统读取采集的轮轨力等数据,采样频率为5 kHz。对各测试数据进行统计分析,对每趟列车的各轮轴作用下的内、外轨垂向力(测试方法见文献[5])按照速度进行分类。图5和图6分别为钢轨打磨前后内、外轨的垂向力。

从图5及图6可知，钢轨打磨后,同一速度时内、外轨垂向力有减小趋势；钢轨打磨前,内轨垂向力与速度关系并非单调,外轨垂向力基本随着列车速度的增加而增大,打磨后,内、外轨垂向力随着列车速度的增加而稍有增大,但外轨的垂向力增大较多,这其中有离心力增大的作用;列车前轮轮对经过时的外轨垂向力较后轮轮对经过时的大,而内轨垂向力在前后轮对经过时相差不大;钢轨打磨前,内、外轨垂向力最大值分别为100.9 kN和126.9 kN,钢轨打磨后,内、外轨垂向力最大值分别为85.4 kN和106.6 kN,较打磨前分别下降了18%和19%。

图5 不同速度档时内轨垂向力

图6 不同速度档时外轨垂向力

列车通过曲线时,一般情况下转向架第一轮对的内、外轨横向力较第二轮对的内、外轨横向力大得多,故在统计分析时只计算第一轮对的内、外轨横向力。分析时,内、外轨横向力的最大值与平均值按照不同速度档统计。结果如图7和图8所示。

图7 不同速度档时内轨横向力

从图7和图8可知，钢轨打磨后,同一速度档下,内轨横向力有减小趋势,外轨横向力变化不大；钢轨打磨前,内、外轨横向力与速度的关系并不明显,可能是受到车速范围较小,以及列车载重量等因素的影响，钢轨打磨后,内轨横向力随速度增加变化也不大,外轨横向力随速度增加有增大趋势；钢轨打磨前,内、外轨横向力最大值分别为49 kN和45.6 kN,钢轨打磨后,内、外轨横向力最大值分别为34.1 kN和51.6 kN,内轨横向力下降较多,约为40%,而外轨的横向力增大。

图8 不同速度档时外轨横向力

3 轨面不平顺对钢轨振动加速度影响分析

理论分析和国内外研究资料都表明,轨面不平顺对增大轮轨振动具有明显的效应[2],不同的列车速度对轨道结构的振动也有一定的影响。本文就这两方面的因素对测试数据进行统计分析,以求实际轨面不平顺对轨道结构振动的影响。根据测试数据,按照不同速度档对钢轨振动加速度幅值进行统计,如图9所示。

图9 不同速度档时轨底垂向振动加速度

从图9可知，钢轨打磨后,轨底垂向振动加速度幅值明显减小；钢轨打磨前后,轨底振动加速度随着速度的增加基本呈现递增趋势；钢轨打磨前,内轨轨底垂向振动加速度的最大值为404.5g,钢轨打磨后,轨底垂向振动加速度最大值为121.3g,较打磨前下降了2.33倍。

为分析钢轨振动加速度频率的分布特性,先对每列车位移数据分别进行频谱分析,然后再按照不同速度档求取平均值,得到在各个振动频率上的分布情况。其结果如图10所示。

图10 不同速度档下内轨轨底垂向振动加速度频谱图

从图10 a)可以看出,钢轨打磨前,列车经过时,内轨轨底垂向振动加速度的振动频率分布范围较广,在0～2 000 Hz范围内都有分布,但振动频率主要分布在725 Hz内,垂向振动加速度在401 Hz处达到峰值;速度较大的列车经过时,垂向振动加速度谱值较大。

从图10 b)可以看出,钢轨打磨后,列车经过时钢轨振动强度有所下降,轨底垂向振动加速度的振动频率分布范围为0～1 000 Hz,垂向振动加速度在343 Hz处达到峰值。

为了分析测点的钢轨振动能量的分布特性,先对每列车钢轨振动加速度数据分别进行1/3倍频分析,然后求取平均值,得到振动能量在分析频段上的分布情况,并绘制成折线图,如图11所示。

图11 钢轨垂向振动加速度1/3倍频图

由图11可知，钢轨打磨前,内轨轨底振动水平随着速度的增加而增加,在速度最高档,列车在250～800 Hz和1 000～1 600 Hz内引起的钢轨轨底振动水平最大值分别为162 dB、160 dB,对应的中心频率分别为500 Hz和1 000 Hz；钢轨打磨后,在分析频率大于100 Hz时,轨底振动水平随着速度的增加而增大,频率大于1 000 Hz时,同一速度档的轨底振动水平随中心频率的增大而减小。钢轨打磨后,轨底振动水平下降10 dB左右,高频部分轨底振动水平减小。

4 结论与建议

测试数据表明,轨面不平顺对轮轨力和轨道结构振动加速度具有明显的影响,结论如下:

(1) 钢轨打磨后,轨面不平顺幅值从0.966 mm降低为0.686 mm,并趋近BS EN ISO 3095:2005(E)规定的标准限值,其中在波长0.06 m处差值达到最大,为13 dB；同一速度档下,内、外轨垂向力较打磨前约降低18%～19%;钢轨打磨后内轨横向力有减小趋势,外轨横向力变化不大。

(2) 对轨底垂向振动加速度的幅值分析表明,钢轨打磨前轨底垂向振动加速度的最大值为404.5g,打磨后其值为121.3g,轨面平顺度对降低轨底垂向振动加速度幅值效果明显。随着速度的增加,轨底垂向振动加速度幅值的平均值呈现递增趋势。如用1/3倍频分析,在100～2 000 Hz的频率范围内,轨底振动水平随速度增加而增大,钢轨打磨后,轨底振动水平下降10 dB左右,高频部分轨底振动水平减小。

(3) 目前钢轨打磨对消除200～400 mm短波不平顺明显,而这一波长范围对轮轨力和轨道结构振动的影响最为敏感。因此，工务部门应对这一波长的轨面不平顺作有效的管理,从而减小轮轨动力作用和轨道结构的振动加速度,提高轨道结构的使用寿命，降低轨道交通振动对环境的影响。

[1] 黄俊飞,练松良,宗德明,等.轨道随机不平顺与车辆动力响应的相干分析[J].同济大学学报(自然科学版),2003(1):16.

[2] 翟婉明,涂贵军,高建敏.地铁线路钢轨焊接区轮轨动力学问题[J].振动测试与诊断,2012,32(5)：701.

[3] ISO.Railway application-acoustics-measurement of noise emitted by railbound vehicles:BS EN ISO 3095[S].2nd ed.British Standards,EN.2005.

[4] 周永健,练松良,杨文忠.轨面短波不平顺对轮轨力影响的研究[J].华东交通大学学报,2009,26(4):6.

[5] 曾树谷.铁路轨道动力测试技术[M].北京：中国铁道出版社，1988.

[6] 周宁.城市轨道交通轨面短波不平顺水平谱分析[J].城市轨道交通研究，2014(4)：18.

Experiment Analysis of Track Surface Irregularity Effecting on Track Dynamic Response

XIA Xufeng

Based onthe test of track surface irregularity, the wheel/rail force and track structure vibration on a metro line before and after grinding, the effect of track surface irregularity over track dynamic response is verified with the experiment analysis. The results show that the track surface irregularity is reduced from 0.966 mm before grinding to 0.686 mm after grinding, and the wheel/rail vertical dynamic force is also reduced by 18%～19%, thus the track vibration acceleration could be cut down to 2.33 times.

urban rail transit;track surface irregularity; wheel/rail force; structure vibration; test and analysis

*“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAG01B04)

U 213.2+12

10.16037/j.1007-869x.2016.04.003

2015-04-23)