钢轨波磨对剪切型减振器段振动影响试验*

2019-05-09蔡小培钟阳龙郭亮武

振动、测试与诊断 2019年2期

蔡小培，钟阳龙，郭亮武，谭希

(北京交通大学土木建筑工程学院北京，100044)

引言

近年来，城市轨道交通发展迅猛，大量的地铁线路投入了运营。地铁列车在行车过程中会产生较大的振动和噪声。因此，在某些敏感的区段，需要采用一定的减振措施来控制振动，剪切型减振器就是一种常用的减振结构。但在复杂运营条件下，剪切型减振器也带来了一些问题，其中一个较为显著的问题就是采用剪切型减振器区段出现了钢轨异常波磨[1-3]。严重的钢轨波磨不仅会加剧轨道结构的振动及其伤损劣化速率，而且还会降低行车的安全性及稳定性。

目前，国内外的研究人员在地铁钢轨波磨产生机理及其影响等方面，提出很多创新性的理论和方法。李伟等[4-5]对地铁钢轨波磨的机理进行了调查分析，认为“科隆蛋”扣件轨道的钢轨波磨产生与轨道结构的垂向弯曲振动特性密切相关。谷永磊等[6]研究了地铁钢轨波磨对车辆和轨道动态行为的影响，研究表明短波钢轨波磨是导致地铁车辆和轨道零部件振动过大、车辆一系钢弹簧和轨道扣件弹条疲劳断裂的主要原因。钟硕乔等[7]基于地铁车辆-轨道耦合动力学模型分析了“科隆蛋”扣件轨道的钢轨波磨对车辆动力学性能的影响，分析认为钢轨波磨主要影响车辆系统的垂向振动。孙晓静等[8]对剪切型减振器扣件的钢轨频率响应特性进行了测试分析，提出车辆系统只有在特定频率的激扰下，才能诱发激烈的轮轨相互作用，导致钢轨波磨现象的发生。Ekberg等[9]基于车辆-轨道动力学模型分析了滚动接触疲劳，研究指出钢轨波磨是造成滚动接触疲劳的主要因素。文献[10-11]研究了曲线地段钢轨波磨的产生机理及防治措施，通过对运营线路进行测试并采用数值仿真分析，认为曲线地段钢轨波磨的产生是轮轨粘滑振动引起的。Egana等[12]研究了轨下垫层刚度对钢轨波磨的影响特性。Suda等[13]研究了小曲线地段钢轨波磨的特性，通过对车辆及钢轨进行振动测试，对波磨产生的机理进行了讨论分析。

既有研究主要关注钢轨波磨产生机理及其对行车的影响，而在波磨对轨道及下部基础振动特性的影响方面研究相对较少，其中针对剪切型减振器区段轨道结构振动特性的影响研究更加匮乏。剪切型减振器作为一种常用减振结构，实际应用中在钢轨波磨影响下难以充分发挥减振性能。由此可见，开展钢轨波磨对剪切型减振器区段结构振动影响的研究，对于指导优化轨道结构减振设计具有重要意义。

北京地铁4号线沿线建筑物密集，振动敏感点较多，部分地段使用了剪切型减振器扣件，符合实验地点的选取标准。本研究选取北京地铁4号线直线段的普通扣件断面、曲线段的普通扣件断面、直线段的剪切型减振器扣件断面及曲线段的剪切型减振器扣件断面，共4个典型断面进行了轨道-隧道-地面结构的现场振动加速度测试，并测量了钢轨波磨的基本特征，以分析钢轨波磨对剪切型减振器区段结构振动的影响。

1 测试方案

1.1 测点布置

在北京地铁4号线陶然亭-菜市口直线段、北宫门-安河桥北曲线段的剪切型减振器及普通扣件区域，开展轨道结构、隧道壁以及对应地面振动加速度现场测试。为准确测试减振器区域的振动特性，测试断面选择列车速度较为稳定的区段，列车速度基本在60～70 km/h之间。测试断面布置如图1所示。

图1 地铁线路测试断面Fig.1 Test section layout of subway line

测点布置主要参考铁路隧道振动测试标准《GB/T 19846—2005机械振动列车通过时引起铁路隧道内部振动的测量》[14]，如图2所示。测试内容为钢轨、道床、隧道壁及上部地面的垂向振动加速度。钢轨测点布置在扣件中间区域的轨底上表面；整体道床测点布置在钢轨测点两侧，位置与钢轨测点同一断面；隧道壁测点距轨面高度约1.2 m；地面的测点选择隧道内测试断面对应上方。

图2 隧道内测点布置图Fig.2 Test point layout of tunnel section

1.2 测试方法

钢轨波磨采用RECTIRAIL便携式钢轨平直度电子测量仪，如图3所示。测试范围为1.0 m，相应的最大测试波长为0.5 m。该测量仪精度为±12.5 μm，1 m基础上使用100个无接触式传感器。本次测试中，每个断面至少测试30组数据。

图3 剪切型减振器区段钢轨波磨Fig.3 The rail corrugation of egg fastener area

振动加速度测试采用压电式加速度传感器，参数如表1所示。数据采集系统采用德国集成测控(integrated measurement & control，简称IMC)-C1动态数据采集仪，可进行无时差8通道采样，最高频率可达100 kHz。

表1 加速度传感器参数

2 钢轨波磨及其影响机制

地铁线路剪切型减振器区段出现严重波磨，钢轨波磨对行车、轨道及下部基础振动特性等方面有明显影响，因此，分析钢轨波磨对剪切型减振器区段结构振动的影响具有重要意义。

2.1 现场钢轨波磨测试结果

研究钢轨波磨对不同形式及结构的轨道振动特性影响，需要了解波磨区域磨耗的基本特征，现场钢轨波磨如图3所示。试验首先对剪切型减振器扣件和普通扣件的直线区段和曲线区段钢轨表面波磨进行测量，波磨的波长和波深特征参数测量结果见表2。

表2 钢轨波磨测量结果

Tab.2 Measurement results of rail corrugation mm

通过对表2波磨数据分析发现：相比于直线段，曲线段的钢轨波磨波长和波深均较大。根据既有实验[15]和表2数据可以发现，减振器区段的钢轨波磨程度比普通扣件区段钢轨波磨程度更为严重，减振器直线区段的平均波深比普通扣件直线地段大0.002 mm，而减振器曲线区段平均波深比普通扣件曲线地段大0.072 mm。

在北京地铁，剪切型减振器用于地铁4号线、亦庄线、15号线等部分地段，还有地铁13号线、八通线部分车站低速、直线段。现场调研发现，4号线运量是亦庄线的2倍，大约是15号线的4倍，3条线路剪切型减振器区段出现钢轨波磨的时间也呈正比关系；而部分车站低速、直线地段却没有出现波磨。现场小曲线半径地段设置剪切型减振器时，由于横向刚度低、轨道动态变形量大，进一步恶化了轮轨关系、蠕滑作用加强，加大了波磨发生几率和发展速度。目前，剪切型减振器不建议应用在运量较大、线型条件较差的区段；根据工程需要，可考虑在车速较低、直线段的车站范围适当应用。

2.2 钢轨波磨的影响机制

车辆-轨道是一个动态相互作用的体系，见图4所示，其中W为车体及构架质量，kF为悬挂体系刚度，cF为悬挂体系阻尼，Mv为车轮质量，kCH为轮轨接触刚度。波磨增加了钢轨表面的粗糙度，引起的轮轨冲击力主要与簧下质量有关。钢轨的基本动力方程如式(1)所示。

图4 轮-轨-下部基础作用关系Fig.4 Interaction relationship of wheel-rail

-F(t)δ(x-vt)

(1)

其中：EI为钢轨弯曲刚度；ρ为钢轨钢密度；A为钢轨截面积；kp为钢轨基础刚度；F(t)为轮轨接触力，F(t)=kCH(zw(x,t)-zr(x,t)+z(x,t))；zw(x,t)为车轮位移；zr(x,t)为钢轨位移；z(x,t)为钢轨波磨即轨面短波不平顺；v为行车速度；t为行车时间：

钢轨波磨会增加系统的振动，在钢轨波磨区段，轮轨垂向力变化频率和变化幅值要远大于无波磨地段。轮轨冲击会加剧钢轨受力与变形，扩大轨面不平顺，同时通过扣件等介质的传递，进一步增加道床、隧道、地面的振动。因此，分析波磨对车辆、轨道及下部结构的影响，对保证车辆运行的安全性和平稳性及乘客的舒适度有重要意义，而文中重点关注波磨对地铁剪切型减振器区段的影响，后续作进一步分析。

3 振动响应时域分析

隧道内测试断面每天有280余组测试数据；地面测点早晚高峰时段各测试2 h，每个测点有60余组数据。数据处理前进行滤波处理，消除信号干扰。

3.1 振动时域特征分析

钢轨、道床、隧道壁以及地面振动加速度的典型时程曲线如图5所示。

通过图5分析发现，振动加速度从钢轨-道床-隧道壁-地面传递过程中，加速度量值逐级递减。车辆荷载经过测试断面时，各个结构的振动加速度出现峰值，随着荷载的远离结构的振动逐渐衰减。

图5 结构振动时程曲线Fig.5 Time history curve of structure vibration

3.2 直线段振动加速度

本节统计分析了剪切型减振扣件直线区段和普通扣件直线区段的钢轨、道床、隧道壁及地面振动加速度，如表3所示。

表3 直线地段垂向振动加速度

Tab.3 Vertical acceleration of straight line (m·s-2)

由表3可以得出，剪切型减振器直线区段的钢轨、道床、隧道壁以及地面振动加速度峰值分别为982.08，12.57，1.78，0.19 m/s2。普通扣件直线区段的钢轨、道床、隧道壁及地面的振动加速度峰值分别为362.40，5.31，0.78，0.09 m/s2。剪切型减振器扣件地段钢轨、道床、隧道壁以及地面的振动加速度峰值分别是普通扣件地段的2.7倍，2.4倍，2.3倍，2.0倍；各结构振动加速度平均值分别为普通扣件地段的2.5倍，1.6倍，2.5倍，3.9倍。

可见，剪切型减振器扣件直线区段的钢轨、道床、隧道壁以及地面振动加速度峰值和平均值均明显大于普通扣件直线区段。波磨较为严重的剪切型减振器扣件区段比波磨较轻的普通扣件区段振动响应大，这说明波磨对轨道结构振动具有显著影响。

3.3 曲线段振动加速度

本节统计分析了剪切型减振器扣件曲线区段和普通扣件曲线区段的钢轨、道床、隧道壁及地面振动加速度，如表4所示。

从表4可以得出，剪切型减振器扣件曲线区段的钢轨、道床、隧道壁及地面振动加速度峰值分别为1 123.27，27.39，0.91，0.09 m/s2；普通扣件曲线区段各结构加速度峰值分别为413.05，15.51，0.70，0.07 m/s2。剪切型减振器扣件区段的钢轨、道床、隧道壁以及地面振动加速度峰值分别为普通扣件区段的2.7倍，1.8倍，1.3倍，1.4倍；剪切型减振器扣件曲线区段的钢轨、道床、隧道壁以及地面振动平均值分别为普通扣件曲线地段的2.4倍，1.5倍，1.9倍，2.1倍。

表4 曲线地段垂向振动加速度分析

Tab.4 Vertical acceleration of curve line (m·s-2)

剪切型减振器扣件区段结构振动加速度峰值和平均值明显高于普通扣件区段，且剪切型减振扣件曲线地段波磨平均波深比普通扣件曲线地段更大，曲线地段测试结果同样说明了波磨对结构振动具有显著影响。

4 振动响应频域分析

本研究从振动传递规律及减振效果两个方面，对比分析剪切型减振器地段和普通扣件地段结构的1/3倍频程谱，从而进一步说明波磨对轨道结构振动的影响。

4.1 振动传递规律特性分析

由于直线地段干扰因素较少，振动规律较为明显，且曲线地段振动衰减规律与直线地段类似。因此，文中振动衰减分析以直线地段为例，如图6所示。

图6 直线地段振级Fig.6 Vibration level of straight line

由图6(a)可知，在剪切型减振器直线区段，钢轨-道床-隧道壁-地面的振级逐渐递减。钢轨振级峰值为135.0 dB，道床振级峰值为105.4 dB，隧道壁振级峰值为96.8 dB，地面振级峰值为80.4 dB。从钢轨-道床、道床-隧道、隧道-地面振级分别递减了29.6，8.6，16.4 dB。图中钢轨、道床、隧道壁及地面振动响应均在40 Hz附近出现峰值,这说明剪切型减振器主频在40 Hz附近。

由图6(b)可知，普通扣件直线地段，振动从钢轨-道床-隧道壁-地面传递过程中，振级逐渐递减。钢轨振级峰值为106.7 dB，道床振级峰值为75.8 dB，隧道壁振级峰值为67.8 dB，地面振级峰值为56.6 dB。从钢轨-道床、道床-隧道壁、隧道壁-地面振级分别递减了30.9，8.0，11.2 dB。剪切型减振器区段轨道结构的振动从钢轨-道床衰减量值明显高于普通扣件地段。

4.2 减振效果分析

由于三分之一倍频程谱能够有效地反映出特定频段的振动能量，因此，结构振动问题中采用三分之一倍频程谱更为普遍。根据国标《GB10070—1988城市区域环境振动标准》[16]，加速度振级采用式(2)计算，记为VAL，单位为dB

VAL=20lga/a0

(2)

其中：a为1/3倍频程对应的振动加速度有效值(m/s2)；a0为基准加速度(10-6m/s2)。

根据铁路隧道振动测试标准《GB/T 19846—2005机械振动列车通过隧道时引起铁路隧道内部振动的测量》[16]，隧道壁的Z振级是一个重要的衡量振动效果指标。笔者对剪切型减振器、普通扣件区段的隧道壁振动加速度进行了1/3倍频程分析，如图5、图6所示。

图7(a)分析可知，直线地段小于1.6 Hz频率范围内，减振器区段隧道壁振级大于普通扣件区段。在1.6～31.5 Hz频带内，剪切型减振器区段隧道壁振级小于普通扣件区段。在40 Hz时，减振器区段隧道壁振级突增，明显大于普通扣件区段。在40 Hz以上频带内，剪切型减振器表现出良好的减振效果，其隧道壁振级明显小于普通扣件区段。由以上分析可知，剪切型减振器区段隧道壁振级在40 Hz左右出现峰值，是减振效果不理想的主要原因。

由图7(b)分析可知，在曲线地段，1～8 Hz频率范围内，剪切型减振器区段隧道壁振级和普通扣件区段相差不大。在8 Hz以上频带范围内，剪切型减振器区段隧道壁振级整体上大于普通扣件区段。在曲线存在钢轨波磨的地段，剪切型减振器区段发挥不了减振效果。