北京地铁采用调频式钢轨减振器治理钢轨波磨的试验研究

刘卫丰 张厚贵 陈嘉梁

摘要： 北京地铁近年来投入运营的几条线路中，剪切型减振器扣件区段大量出现钢轨波磨现象，调研测试表明：在地铁列车运行过程中，剪切型减振器扣件轨道系统在150-400 Hz频段内存在共振效应，且此频段内轨道阻尼过小，无法有效抑制钢轨的振动。采取在轨腰处安装一种调频式钢轨减振器来增加轨道系统阻尼，抑制列车运行过程中钢轨的振动，并在北京地铁线上进行了现场试验，对调频式钢轨减振器安装段和对比段的钢轨粗糙度进行了16个月的跟踪测试。结果表明：安装调频式钢轨减振器可有效减缓钢轨波磨的发展，延长钢轨的打磨周期。

关键词： 调频式钢轨减振器; 地铁; 钢轨波磨; 剪切型减振器扣件; 钢轨粗糙度

中图分类号： TB535; U213.4+2  文献标志码： A  文章编号： 1004-4523（2019）04-0695-06

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.04.017

1 概 述

北京地铁多条线路的很多区段采用了轨道减振措施来降低地铁振动对周围环境的影响，在这些轨道减振措施中大量采用了剪切型减振器扣件。而采用剪切型减振器扣件的轨道出现了一些问题，其中一个比较突出的问题是这些区段出现了大范围的钢轨波磨。

2007年以来，北京地铁多条线路出现钢轨波磨现象，例如，北京地铁5号线、10号线一期、4号线、6号线、亦庄线、房山线等线路上陆续发现了钢轨波磨，出现钢轨波磨的轨道形式主要包括剪切型减振器扣件轨道、梯式轨道、普通整体道床轨道以及小半径条件下的浮置板轨道等。图1显示了北京地铁剪切型减振器扣件典型的钢轨波磨。

调研发现，剪切型减振器扣件轨道钢轨波磨的主要特点有[1-4]：（1）波磨在新线开通试运营后不久便出现;（2）绝大多数波磨出现在列车速度大于60 km/h的地段;（3）不论直线段还是曲线段均有波磨出现;（4）特征波长为50-100 mm，属于短波波磨;（5）波磨较为严重，钢轨打磨无法根治，打磨后较短时间内波磨又快速发展。

国内外对钢轨波磨的治理措施进行了广泛的研究。包括钢轨打磨、轨顶摩擦控制[5-6]、采用硬质钢轨[7]、降低轨下垫板刚度[8-9]、调整线路状态 [10]、改变行车模式[11]等等。到目前为止，对于北京地铁剪切型减振器扣件钢轨波磨的控制，主要还是以钢轨打磨为主，但钢轨打磨只能暂时缓解波磨。钢轨波磨不仅降低了钢轨使用寿命，增加了钢轨养护维修的工作量，也降低了乘车舒适性，甚至影响行车安全，所以波磨问题受到各方面的关注。

在总结前人大量研究成果的基础上，提出将钢轨波磨分为6个类别[12]。经过大量的调查、跟踪测试和理论研究发现，北京地铁剪切型减振器扣件地段的波磨应归为特殊轨道结构形式出现的波磨。在地铁列车运行过程中，剪切型减振器扣件轨道系统在150-400 Hz频段内存在轨道共振效应，文献[4，13]通过实验室实验及建立轮轨系统分析模型详细阐述了这种共振效应的发生机理，而这种轨道共振效应也是特殊轨道结构形式波磨的普遍特征[12]。

另外，北京地铁5号线剪切型减振器扣件区段的现场测试发现：在150-400 Hz频段，轨道的竖向及横向阻尼比均小于2%[2]，较小的轨道系统阻尼，使得此频段内列车运行引起的钢轨振动无法通过轨道阻尼获得有效的衰减。在这一频段内采取相应措施提高轨道阻尼，抑制振动在钢轨上的传播是延缓波磨快速增长的一个重要措施[14]。基于此目的，北京地铁选择了一种调频式钢轨减振器来抑制钢轨的振动[15]，并在北京地铁亦庄线旧宫站-亦庄桥站区间进行了现场试验，来测试调频式钢轨减振器对抑制钢轨波磨发展的实际效果。

2 调频式钢轨减振器基本构造

原理上，调频式钢轨减振器由弹性体与质量块共同组成了一个具有高阻尼性的质量-弹簧系统，其横剖面如图2所示。通过调整弹性体内的2-3个质量块的质量、形状以及它们之间的相对位置，可以设计调频式钢轨減振器的调谐频率，使其能够在特定频段内增加轨道系统的阻尼，这个频段称为工作频段。本文采用了具有400 Hz和800 Hz两个调谐频率的调频式钢轨减振器，其工作频段可以调低至100 Hz，这样它可以提高在剪切型减振器扣件轨道的典型波磨特征频率范围（150-400 Hz）内轨道结构的阻尼，降低该频率范围的轮轨相互作用引起的钢轨振动能量水平，从而达到抑制钢轨波磨发展的目的。

3 钢轨波磨的测量及评价指标[16]

本文试验采用连续形测量进行钢轨波磨测试。连续形测量所测的钢轨粗糙度值是相对于测量原点的高差值，其结果可以视为由不同波长、不同相位和不同幅值的钢轨表面随机不平顺波的叠加，通常采用随机过程理论进行统计参数的分析。

根据欧盟标准BS EN ISO 3095： 2013 《铁路专用标准-声学-轮轨系统引起的噪声测量》[17]、BS EN 13231-3： 2012《铁路专用标准-轨道-工程验收：钢轨重新修复轮廓验收标准》[18]以及BS EN 15610： 2009 《铁路专用标准-噪声排放-与引起轮轨滚动噪声相关的钢轨表面短波不平顺的测量》[19]，钢轨粗糙度的评价指标包括钢轨粗糙度级和移动波深幅值峰峰平均值。本文试验采用上述的两个评价指标来分析钢轨波磨的特征参数以及波磨的发展程度。

3.1 钢轨粗糙度级

4 现场试验

现场试验段选择了两段，分别为调频式钢轨减振器安装段（以下简称安装段）和对比段，两段都是剪切型减振器扣件，列车运行条件和线路条件基本相同，而且在安装调频式钢轨减振器之前，两段的波磨状况也基本相同。

试验段选为地铁亦庄线旧宫站-亦庄桥站区间，试验段长度为200 m，安装段为旧宫站-亦庄桥站下行K6+830-K6+930，对比段为旧宫站-亦庄桥站下行K6+730-K6+830，两段处于同一条曲线上，曲线半径为595 m，列车速度为60 km/h。

GUO Jianping， LIU Weining， LEI Qianxiang， et al. Survey on and solutions to abnormal rail corrugation problem of Beijing metro line 4 [J]. Urban Rapid Rail Transit， 2011， 24（3）： 10-13.

[4] 张厚贵. 北京地铁轨下支点模态频率诱导型钢轨波磨研究[D]. 北京：北京交通大学， 2014.

ZHANG Hougui. Investigation of track-support special rail corrugations on Beijing metro： Mechanisms and treatments[D].Beijing：Beijing Jiaotong University， 2014.

[5] Eadie D，Kalousek J，Chiddick K. The role of high positive friction （HPF） modifier in the control of short pitch corrugations and related phenomena [J]. Wear，2002，253（1-2）：185-192.

[6] Tomeoka M，Kabe N，Tanimoto M，et al. Friction control between wheel and rail by means of on board lubrication [J]. Wear，2002，253（1-2）：124-129.

[7] Heyder R，Girsch G. Testing of HSH rails in high-speed tracks to minimize rail damage [J]. Wear，2005，258（7-8）：1014-1021.

[8] Hiensch M，Nielsen J C O，Verheijen E. Rail corrugation in The Netherlands—Measurements and simulations [J]. Wear，2002，253（1-2）：140-149.

[9] Egana J I，Vinolas J，Seco M. Investigation of the influence of rail pad stiffness on rail corrugation on a transit system [J]. Wear，2006，261（2）：216-224.

[10] Grassie S L，Elkins J A. Tractive effort， curving and surface damage of rails：Part 1. Forces exerted on the rails[J]. Wear，2005，258（7-8）：1235-1244.

[11] Matsumoto A，Sata Y，Tanimoto M，et al. Study on the formation mechanism of rail corrugation on curved track[J]. Vehicle System Dynanics，1996，25：450-465.

[12] Grassie S L. Rail corrugation： Characteristics， causes， and treatments[J]. Journal of Rail and Rapid Transit 2009， 223： 581-596.

[13] Zhang Hougui， Liu Weining， Liu Weifeng，et al. Study on the cause and treatment of rail corrugation for Beijing metro[J]. Wear， 2014， 317（1-2）： 120-128.

[14] 谷愛军， 刘维宁， 张厚贵， 等. 地铁扣件刚度和阻尼对钢轨异常波磨的影响[J]. 都市快轨交通， 2011， 24（3）： 17-21.

GU Aijun， LIU Weining， ZHANG Hougui， et al. Impact of rail fasteners' stiffness and damping on abnormal rail corrugation[J]. Urban Rapid Rail Transit， 2011， 24（3）： 17-21.

[15] 刘卫丰， 张厚贵， 孟 磊， 等. 北京地铁采用调频式钢轨减振器抑制钢轨振动的试验研究[J]. 振动工程学报， 2016， 29（1）： 105-111.

LIU Weifeng， ZHANG Hougui， MENG Lei， et al. A test study on suppressing rail vibration by tuned rail damper for Beijing metro[J]. Journal of Vibration Engineering， 2016， 29（1）： 105-111.

[16] 刘卫丰， 刘维宁， 吴宗臻， 等. 北京地铁剪切型减振器扣件钢轨波磨治理的试验研究[J]. 机械工程学报， 2015， 51（21）： 73-79.

LIU Weifeng， LIU Weining， WU Zongzhen， et al. Test study on treating rail corrugation for egg fastener in Beijing metro [J]. Journal of Mechanical Engineering， 2015， 51（21）： 73-79.

[17] BS EN ISO 3095： 2013 Acoustics-railway applications-measurement of noise emitted by railbound vehicles [S]. London： BSI-British Standards Institution， 2013.

[18] BS EN 13231-3： 2012 Railway applications-track-acceptance of works-Part 3：Acceptance of reprofiling rails in track[S]. London： BSI-British Standards Institution， 2012.

[19] BS EN 15610： 2009 Railway applications-Noise emission-Rail roughness measurement related to rolling noise generation[S]. London： BSI-British Standards Institution， 2009.

[20] 陈嘉梁， 刘维宁， 刘卫丰， 等. 北京地铁DTVI2扣件钢轨波磨整治措施的试验研究[J]. 机械工程学报， 2018， 54（4）： 64-69.

CHEN Jialiang， LIU Weining， LIU Weifeng， et al. Demonstration test on treatment solution against rail corrugation occurs at DTVI2 fastener track sections in Beijing metro [J]. Journal of Mechanical Engineering， 2018， 54（4）： 64-69.

Abstract： The rail corrugation on the tracks fitted with the Egg fastening system becomes a serious problem on several lines of Beijing metro operated in recent year. The investigations and field measurements showed the resonance vibration happened on the track around 150-400 Hz during the operation of metro trains， and the damping in the Egg fastening system track in this frequency range is not sufficient to effectively suppress the resonance vibration. To suppress the vibration of rail， the tuned rail dampers were installed on the rail web to provide effective damping in the Egg fastening system track. A test was carried out in Beijing metro to evaluate the effect of slowing the rail corrugation. And the running band roughness of corrugated rail in the sections with and without the tuned rail dampers has been measured for about 16 months. The measurement results show that the tuned rail damper is an effective measure for slowing the growth of rail corrugation in the Egg fastening system track and delaying the rail grinding.

Key words： tuned rail damper; metro; rail corrugation; Egg fastening system; roughness of rail

作者簡介： 刘卫丰（1975-），男，博士，副教授。电话：（010）51682752;E-mail：wfliu@bjtu.edu.cn