钢轨粗糙度间接测试分析方法的研究与应用*

董孝卿， 高 攀， 徐俊杰， 陈 彪， 蒋成成， 田朋溢,李秋泽

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所, 北京 100081； 2 华东交通大学 机电与车辆工程学院, 南昌 330013； 3 中车长春轨道客车股份有限公司 转向架部， 长春 130062)

随着高速铁路的快速发展，高铁出行的人数逐年增加，噪声问题成为群众日益关注的焦点。现有研究表明，当列车运营速度达到300 km/h时，轮轨激励产生的振动噪声是车内外振动噪声增大的主要原因[1]。

钢轨短波不平顺是指钢轨顶面波长为1 m以下的不平顺，主要包括轨面不均匀磨耗、轨面擦伤、焊缝不平顺等[2]。钢轨轨面短波不平顺会引起轮轨高频振动，导致车辆及轨道损伤和寿命降低。国内外研究发现轮轨表面不平顺与轮轨滚动噪声直接相关，500～2 500 Hz频率范围内，轮轨滚动噪声与轮轨表面短波不平顺幅值之间存在线性关系[3]。对钢轨轨面短波不平顺进行分析研究，是合理进行钢轨养护维修、延长钢轨使用寿命、控制轮轨振动和噪声、提高列车运行品质的重要基础。因此有必要对钢轨短波不平顺展开研究。目前常用方法为钢轨直接测量法，其测量原理主要有弦测法和惯性基准法两类。弦测法测量原理是在轨道上面固定一根基准梁，然后使位移传感器沿着基准梁移动并测量钢轨表面相对于基准梁的高度，从而得到轨面不平顺；惯性基准法测量原理是利用加速度传感器组成的测量装置固定在小车上，小车由手推或电动马达驱动沿着轨道移动，在移动过程中测量轨面不平顺。直接测量法虽具测试精度高的特点，但其测量距离短，作业效率低。

为弥补直接测量法的缺点，快速实现全线路钢轨不平顺普查测试的目的。文中利用武广线运行的CRH3C型动车组开展了基于轮轨噪声测试的间接测量方法研究和试验，其主要内容是结合轮轨粗糙度试验实测数据，研究钢轨表面声学粗糙度间接式测量方法，普查武广线钢轨粗糙度水平。

1 钢轨短波不平顺间接式测试原理

在轮轨滚动噪声的研究中发现车轮与钢轨粗糙度之间存在着直接的频谱关系[4-6]，如式(1)所示

ΔLp，grinding-average,i=(Lr,track,grinding,i⊕Lr,vehicle,i)-

(Lr,track,average,i⊕Lr,vehicle,i)

(1)

其中，ΔLp,grinding-average,i为轨道平均粗糙度谱(用average表示)与磨耗后粗糙度谱(用grinding表示)的差值引起的辐射噪声变化量，Lr,vehicle为车轮粗糙度水平；Lr,track为钢轨粗糙度水平；符号i为某一定的频带；对于给定的车轮粗糙度和平均轨道粗糙度水平，利用直接测量法得到磨耗后的特定区段轨道粗糙度水平，并将其代入式(1)中，即可得到磨耗后特定区段与轨道平均粗糙度的噪声差值ΔLp,grinding-average,i，因此轮轨噪声的变化量与钢轨表面粗糙度的变化存在着直接的关系。基于上述理论，假定知道同一轨道的A和B段之间的噪声频谱差异，则可得式(2)：

[ΔLp,A-B,i]indirect=(Lr,track,section A,i⊕Lr,vehicle,i)-

(Lr,track,section B⊕Lr,vehicle,i)

(2)

然后，将等式(2)代入等式(1)可得：

ΔLp,section A-average,i=[Lp,A,i-Lp,B,i]indirect+

[ΔLp,section B-average,i]direct

(3)

该方程给出了A区域轮轨滚动噪声水平与参考点处平均钢轨粗糙度的直接关系。在实际中，通常采用多个参考区间来衡量所测量的滚动噪声水平的频谱关系。利用最小二乘拟合变换，可以得到间接式测量噪声水平。再用参考点上直接测得的粗糙度谱计算噪声水平的关系如式(4)：

(4)

[ΔLp,reference m-average,i]direct)

(5)

2 轮轨粗糙度测量及结果分析

轮轨噪声测试前需先对试验列车车轮粗糙度进行测试，避免因为车轮高阶多边形等原因造成的测试误差。车轮粗糙度测试采用接触式测量方法，测试结果如图1所示。

图1 车轮粗糙度1/3倍频程波长图

轮轨噪声测试前后需要对线路某一区段的钢轨粗糙度进行直接接触式测量，实测的钢轨表面粗糙度可用于间接式测试方法的数据校准。本研究对武广线下行线A区段的钢轨表面粗糙度进行现场实测，测试分析结果如图2所示。

3 钢轨粗糙度间接测量法结果分析

3.1 钢轨粗糙度测试结果有效性验证

轮轨噪声测试完成后，通过对轮轨噪声数据进行分析，将A区段的钢轨(左轨)表面粗糙度直接测量结果与间接式测量结果进行对比，如图3所示。测试结果表明：直接式和间接式测量结果在主要的波长处具有很好的一致性，部分波长的幅值约2 dB的差异，间接式测量在一定程度上能够对线路钢轨粗糙度特征进行较为准确的描述。

图2 钢轨粗糙度1/3倍频程波长图

图3 左轨粗糙度直接法与间接法对比图

3.2 武广线粗糙度地图的绘制及分析

基于上述方法，利用CRH3C型动车组对武广线上行区段进行了全线路轨道状态测量。采用LλCA值来表征轨道粗糙度变化对轮轨辐射噪声的影响，该值与轮轨噪声水平成正比。在给定列车速度和轨道粗糙度谱的前提下，LλCA值[7]计算方法如下：

其中：R(λ)为轨道粗糙度谱；

Λ(λ)=-alog(λ/λ0),λ0=5 cm,a=2.5 cm;

C(λ)为接触滤波函数，如下：

通过对轮轨噪声的初步分析，结合线路公里标和GPS位置信息，在线路地图上用不同颜色来直观的表征上行线的钢轨粗糙度状况，广州南至长沙区段如图4所示。

从图中可以看出颜色较深的区域表示钢轨粗糙度引起的轮轨滚动噪声辐射较大，此区间钢轨表面粗糙度较大，相反颜色稍浅区域钢轨粗糙度引起的轮轨滚动噪声辐射小，此区间钢轨表面粗糙度较小。从图4中可以看出公里标K1818附近区间的钢轨粗糙度幅值偏大，最大值为88.9 dB，全线路的LλCA变化情况如图5所示。

图4 武广线粗糙度地图

图5 广州至长沙区段 指标变化图

图6 K1818附近钢轨粗糙度的1/3倍频程

K1818附近钢轨粗糙度谱如图6所示，此区间钢轨粗糙度水平与ISO 3095标准轨面粗糙度水平标准限值进行比较分析表明：此区间钢轨轨面短波不平顺的主要波长集中在160，80，25 mm左右范围内，各波长粗糙度水平均超出限值较多。

4 结 论

本研究搭载武广线CRH3C型动车组，开展线路轮轨噪声试验，然后对轮轨粗糙度进行测试分析，运用间接式测量方法对全线路钢轨表面粗糙度进行普查测试，分析武广线钢轨粗糙度谱。通过分析，得到如下结论和建议：

(1)直接式和间接式测量结果在主要的波长处具有很好的一致性，部分波长的幅值约2 dB的差异，在一定程度上能够对线路钢轨粗糙度特征进行较为准确的描述。

(2)运用间接测量方法对武广线(广州至长沙区间)进行分析，LλCA指标最大处为K1818附近，此区间钢轨粗糙度谱与ISO 3095限值偏差较大，钢轨轨面短波不平顺的主要波长集中在160，80，25 mm左右范围内。

(3)间接式钢轨粗糙度快速测量方法具有效率高、普查线路范围长等特点，测量精度相较直接测量方法略低。通过对间接式测量和现场实测钢轨粗糙度进行对比，能够更准确的定位钢轨粗糙度异常区段，对线路维护保养具有一定的意义。