重载铁路钢轨隐伤病害处振动特性分析

刘光鹏， 肖 宏， 王宏阁， 金 锋， 杨松林

(北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

近年来随着我国经济建设和社会的快速发展，重载铁路的轴重和速度都大幅提高。作为行车基础的钢轨，伤损病害变得日益严重，不仅出现早而且发展快，尤其在小半径曲线地段或钢轨接头附近，车轮对钢轨的挤压、冲击、摩擦作用均比一般地段大，钢轨疲劳伤损病害问题也更为突出[1-2]。钢轨隐伤病害作为钢轨接触疲劳伤损病害的一种，其病害特点为：早期不明显、后期逐渐发展为钢轨表面压陷、疲劳开裂。病害后期会改变轮轨间接触关系，增大轮轨间相互作用及整个轨道-路基的动态响应，严重时还会导致钢轨折断造成行车安全事故[3-5]。

国内外研究学者对钢轨隐伤病害已进行诸多研究。Grassie对类似钢轨隐伤病害原因、产生条件及可能的预防措施进行了详细的总结。Deng等[6]通过为期5年的现场跟踪监测，对波磨区引起的钢轨隐伤病害产生原因及发展规律进行了详细的分析。Andersson等[7]通过数值模拟分析，研究了不同平顺性、摩擦因数对钢轨隐伤病害区动态应力和应变的影响规律。Bernsteiner等[8]通过室内试验和数值模拟分析，对钢轨隐伤病害的产生机理进行了详细分析。Andris等[9]采用近场动力学理论对钢轨隐伤病害钢轨表面的裂纹扩展及隐伤病害的发展规律进行了研究。Li等[10]通过现场调研与数值模拟分析，研究了钢轨隐伤病害产生的可能原因与车辆-轨道耦合的某些固定频率相关。Naeimi等[11]通过对现场钢轨隐伤病害的裂纹扩展规律进行了室内CT扫描和数值模拟分析，对隐伤区的裂纹扩展角度进行了归纳与总结。Farjoo等[12]通过大量现场调研和数值模拟分析对钢轨隐伤病害的易产生条件进行了详细分析。

刘洋等[13]通过数值模拟分析，研究了钢轨轨面剥离掉块伤损区域的长度和深度对轮轨接触应力的影响规律。高建敏等[14]通过数值模拟研究了钢轨焊接区低塌不平顺对轮轨动力响应的影响特征，分析了接头低塌不平顺波长和幅值对轮轨动力响应的影响规律。李伟等[15]通过现场测试与数值模拟相结合研究了钢轨波磨对轨道及车辆的振动的影响规律。蔡小培等[16]通过现场测试，从振动时域和频域的角度研究了钢轨波磨对不同减振结构的影响分析。

由上可以看出，目前国内外研究学者针对钢轨长期服役后的钢轨隐伤病害分析主要采用理论分析、现场调研的方法，而进行现场的系统测试分析较少。事实上，当钢轨一旦发生伤损病害后，势必改变轮轨的接触关系并不断演变、恶化，采用理论分析和现场调研都存在局限性。同时现阶段大部分研究学者针对钢轨隐伤病害主要集中在这种病害的产生机理、动态应力方面，而对这种病害产生后对轨道-路基的振动影响机制研究较少。

基于此，本文选取病害典型断面和非病害断面同时开展试验研究，对比分析伤损病害引起的轨道及路基振动时频域特性与传递规律，揭示钢轨隐伤病害对线路-路基的振动影响机制。

1 伤损病害静态测试

通过总质量约为6.6×108t后重载线路出现的典型钢轨隐伤病害，如图1所示。病害位置在一般路基直线地段，钢轨为75 kg/m、轨枕为Ⅲ型枕、扣件为弹条Ⅱ扣件。图1(a)为病害区打磨前的照片，图1(b)为病害区局部打磨之后的照片。

(a) 病害区钢轨打磨前照片

由图1(a)可知，病害区钢轨光带范围内存在凹陷低塌和3处明显的局部剥离掉块病害。同时在轨头的轨距侧存在明显的斜裂纹，裂纹扩展方向与行车方向大致呈60°左右的夹角。图1(a)中1区域钢轨，轨距侧斜裂纹在长期轮轨接触应力作用下逐渐向轨头外侧扩展，在轮轨接触位置形成了表面的剥离掉块现象。轮轨接触首先发生在1区域，随着1区域病害的发展，轮轨接触关系逐渐发生变化，轮轨接触发生多点接触[17]，主要在1区域和3区域。在长期车轮滚动接触和材料的棘齿形滞回共同作用导致病害区钢轨轨头靠近外侧表面发生了一定的塑性流变现象[18]。

由图1(b)可知:图中3个区域的裂纹主要沿线路纵向扩展，均呈交叉Y型裂纹;其中在1、3区两个轮轨主要接触区域裂纹的扩展长度最长，病害最严重;中间2区的裂纹长度相对较短。在1、3区受到长期垂直向下的轮轨作用力下，中间2区由于受到1、3区的影响会产生沿轨头横轴向的弯、拉作用力，长期作用下也逐渐出现疲劳开裂现象，因此整体上1、3区伤损最严重，2区伤损情况相对较轻。同时可以看出，3个区的裂纹有即将贯通整个轨头的趋势，继续恶化有可能造成此处钢轨发生断裂。

综合图1(a)和图1(b)可知，整个病害区域不仅发生了局部的剥离掉块和低塌病害，而且在整个轨头出现了明显的多裂纹扩展现象。为查明此处病害钢轨的具体凹陷深度，利用钢轨表面平直度测量仪对病害钢轨进行了测试，测量长度为1 m，分辨率为500测点，现场测试情况如图2(a)所示，测试结果如图2(b)所示。

(a) 平顺性测试现场

由图2(b)可知，病害区位置存在长度为65 mm，深度为0.5 mm的凹陷区。在病害区行车方向0.6 m位置存在一处钢轨焊接接头。参照《普速铁路线路修理规则》中相关规定，病害区的深度虽然未达到钢轨重伤2 mm的规定，但钢轨轨头表面具有多条纵向裂纹确已达到钢轨重伤标准。

2 伤损病害动态测试

2.1 测点布置

为了进一步研究钢轨病害对轮轨作用及下部基础的动态影响，对病害断面进行了现场动态行车测试。同时为更好的对比分析，选取正常无病害断面开展对等测试，正常断面和病害断面在同一线路相距约500 m。

病害断面与正常断面测试内容相同，主要包括钢轨、轨枕、道床及路基表层振动加速度，测点布置情况如图3(a)、图3(b)所示。现场仪器安装情况如图3(c)所示。振动加速度测试采用压电式加速度传感器，数据采集系统采用IMC动态数据采集仪，振动采集频率为5 000 Hz。

(a) 仪器现场布置平面图

2.2 试验列车介绍

试验现场运营车速约70 km/h。列车的编组形式为2辆机车+103辆货车。货车主要车型为C80型货车，轴重为25 t，由三大件组成：轮对、转向架及车体。货车结构示意图如图4所示。货车车体的基本构造尺寸为：转向架轴距L1=1.83 m，邻轴距L2=1.97 m，车体定距L3=8.2 m，车长L4=12 m。

图4 C80货车车体示意图

3 动态测试结果分析

3.1 振动时域特征

由于现场测试的货车都是百辆编组以上，整体数据较多，为了清楚表现数据的时程特征，截取了整辆编组货车其中的部分货车运行时间段的数据。测试得两个对比断面的钢轨、轨枕、道床及路基表层的振动加速度典型时程曲线如图5所示。

(a) 钢轨振动加速度对比

由图5可以看出：车轮动载在经过病害断面和正常断面时，钢轨、轨枕、道床及路基均会随着列车运行发生周期振动；病害断面和正常断面由上到下，钢轨-轨枕-道床-路基振动大小逐层递减，与客观认识相符。

由图5(a)～5(d)可知，病害断面钢轨、轨枕、道床及路基的振动峰值均是负峰值大于正峰值，这主要是由于病害断面钢轨表面存在接触疲劳病害，当重载车轮碾压通过时，产生了一个垂直向下的较大振动冲击作用。正常断面整体上轨道、路基各结构层的振动正负峰值基本接近，车轮动载在正常断面引起的各结构层上下振动情况较为一致，表明正常断面轨面服役状态整体良好。

图5(a)中病害断面钢轨振动加速度幅值大小主要分布在±200g(g=9.8 m/s2)，负峰值均值为-157.94g；而正常断面钢轨主要在±10g，负峰值均值为-6.07g。图5(b)中病害断面轨枕振动加速度幅值大小分布在±30g，负峰值均值为-21g；而正常断面轨枕在±1.5g，负峰值均值为-0.9g。图5(c)中病害断面道床振动加速度在±8g，负峰值均值为-4.47g；而正常断面轨枕在±1g，负峰值均值为-0.35g。图5(d)中病害断面路基振动加速度在±0.3g，负峰值均值为0.21g；而正常断面路基在±0.1g，负峰值均值为0.04g。对比数值可知:病害断面的钢轨振动加速度均值是正常断面的26倍；病害断面轨枕振动加速度均值是正常断面的23倍；病害断面的道床振动是正常断面的13倍；病害断面的路基振动是正常断面的5倍。

可见，钢轨隐伤病害发展到后期严重阶段，会造成整个轨道-路基的振动响应增大，导致轨道病害加剧，应加强病害早期的监测与维护。

3.2 振动频域特征

3.2.1 频谱分析

为了分析病害断面的轨道-路基频谱分布特点，分别对车速为70 km/h时病害断面和正常断面的钢轨、轨枕、道床、路基时域数据进行求功率谱密度函数，进而得到两个断面的频谱分布对比情况，具体数据图如图6所示。

(a) 钢轨频谱对比

由图6(a)可知，病害钢轨的主要频谱范围分布明显较正常钢轨的大。病害钢轨的最大频谱峰值主要分布在326～373 Hz，而正常钢轨最大频谱峰值主要分布在101 Hz附近。病害钢轨断面最大频谱峰值主要集中在326 Hz附近，由频率计算公式得L=V/f≈65 mm，与病害区的凹陷长度接近，可见病害钢轨的最大频谱峰值主要是由于病害区的短波不平顺所引起的。同时在整个频谱分布范围内，从病害断面和正常断面的功率谱密度值来看，病害钢轨的振动能量较正常钢轨的增大倍数至少在1×102数量级。

由图6(b)可知，病害断面轨枕主要频谱峰值分布在111～326 Hz内，而正常断面轨枕主要频谱峰值分布在91 Hz附近。同时，病害断面轨枕的频谱峰值离散性较大，而正常断面轨枕的频谱分布整体连续性较好。同时在两个断面轨枕的整个频谱分布范围内，病害断面轨枕的振动能量较正常断面轨枕的增大倍数也至少在1×102数量级。

由图6(c)可知，病害断面道床主要频谱峰值分布在131～161 Hz内，而正常断面的分布在103～114 Hz内。病害断面道床中明显存在10 Hz左右的周期基频，而正常断面道床中则不存在周期基频。在两个断面道床整个频谱分布范围内，病害断面道床的振动能量较正常断面道床的增大倍数至少在10倍。

由图6(d)可知，病害断面路基主要频谱峰值分布在91～131 Hz内，而正常断面分布在48～54 Hz内。病害断面路基表层振动频谱峰值表现出明显的周期离散特征，存在10 Hz左右的周期基频，且在主要频谱峰值±20 Hz附近具有明显振动能量加强作用。

总体上钢轨隐伤病害到严重阶段后，轨道-路基的振动频谱分布明显较没有病害的断面要大。钢轨隐伤病害发展到后期会造成轨道-路基产生一些10 Hz左右周期性调制频率，不仅会导致轨道-路基某些频率范围内的振动加剧，而且可能会导致车辆相应产生疲劳伤损状况。钢轨隐伤病害短波不平顺产生的326 Hz的高频冲击振动对钢轨影响最为显著，轨枕次之，道床和路基表层中这种高频振动影响甚微。

3.2.2 倒谱分析

为了具体计算出病害断面具体的周期频率，以病害断面钢轨为例，对钢轨频谱进行倒谱分析。

倒谱分析的运算过程是：先对信号进行快速傅里叶变换，再取绝对值，得到信号一次傅里叶的幅值谱(TFF)，如式

S(f)=|TFF[x(t)]|

(1)

接着对幅值谱取自然对数，再进行一次傅里叶逆变换，如式

N(t)=iTFF{ln[S(f)]}

(2)

对信号进行倒频谱分析，可以有效提取信号频谱图中的周期成分，该方法的优点在于能够简化复杂频谱图中边频簇结构，识别振动信号中的调制频率[19]。钢轨频谱的倒谱分析结果，如图7所示。

图7 病害钢轨的倒频谱分析结果

由图7可知，钢轨的倒频谱图中存在明显的周期频率1/t1=f1=10.7 Hz和1/t2=f2=9.6 Hz。根据2.2节中货车转向架长度L1=1.83、邻轴距L2=1.97 m，由频率计算公式计算出这两个长度对应的频率分别为

3.3 振动衰减特性

为研究病害断面对整个轨道-路基振动能量衰减的影响情况，采用1/3倍频程分频振级分析方法，进一步对病害断面和正常断面各测点的振动响应进行定量分析。采用不计权方式，计算得到各测点的垂向振动加速度级，参考加速度为1×10-6m/s2，结果如图8所示。

(a) 病害断面振动能级衰减

由图8(a)可知，病害断面在短波不平顺引起的频谱峰值326 Hz附近，钢轨最大振级为140 dB，从钢轨-轨枕-道床-路基，共衰减了67 dB。在道床和路基主要频谱峰值80～100 Hz内，整个轨道-路基振动衰减最为均匀，从上至下振级在每层减小约11 dB，共衰减33 dB。由图8(b)可知，正常断面在326 Hz附近，从钢轨-轨枕-道床-路基，共衰减了45 dB。在80～100 Hz内，从上至下振动能量分别衰减了6 dB、9 dB、7dB，共衰减了22 dB。在326 Hz附近和80～100 Hz内，病害断面振动衰减量比正常断面大了32.8%和33.3%，较大的能量耗散量也是病害产生和加剧的主要原因之一。

图8(a)中2 000 Hz附近，病害断面钢轨到轨枕振级衰减了约37 dB，而轨枕至道床振级几乎没有发生衰减，道床至路基表层衰减了44 dB，从上至下共衰减了81 dB。在2 000 Hz附近轨枕和道床之间振动能量衰减较少，这可能是由于是道砟粉化、道床弹性失效、支撑弹性不足所引起，如图9所示。轨枕和下部道床在2 000 Hz附近均处于一个较高水平的振动能量级别，导致振动能量在两个结构之间衰减较少。图8(b)中高频2 000 Hz附近从上至下依次衰减了37 dB、21 dB、12 dB，振动能量衰减呈逐渐减小趋势，共衰减了70 dB。

图9 轨枕下方道砟局部粉化

总体上病害断面和正常断面在整个1/3倍频程范围内钢轨-轨枕-道床-路基表层振级均呈依次逐层递减趋势。病害断面在轨道-路基各结构层的主要频谱峰值范围内的振级衰减量均要大于正常断面。

3.4 车速对振动的影响

为了分析车速对病害断面和正常断面的轨道-路基振动响应影响，分别测试了运营车辆速度在15～75 km/h内轨道结构振动加速度值，并对影响趋势进行了拟合，具体对比情况如图10所示。

由图10(a)可知，列车速度对两个断面的钢轨振动加速度影响均呈直线增大关系。车速由15 km/h增大到75 km/h，病害钢轨加速度的线性斜率为3.6而正常钢轨的为0.22。可见，车速对病害钢轨的振动影响较大，车速越大，车轮对病害钢轨处的振动冲击作用越强烈。

由图10(b)可知，车速对病害断面轨枕的振动影响呈负指数增大关系，而对正常断面轨枕的振动影响呈直线增大关系。当车速在15～45 km/h低速段，随着车速增大，病害断面轨枕的振动呈不断增大趋势；当车速在45～70 km/h较高速度段，病害断面轨枕振动的变化量逐渐减小，此速度区间内随着车速增大车轮动载对下部轨枕的冲击作用不再显著增大。正常断面轨枕振动大小在整个速度区间内随着速度增大相应不断增大。

由图10(c)可知，车速对病害断面道床和正常断面道床振动加速度影响均呈直线增大关系，两个断面的道床影响斜率分别为0.04和0.03，相差不大，可见车速增大对两个断面道床的影响大小相近。

(a) 车速对钢轨振动加速度影响

由图10(d)可知，车速对病害断面路基表层振动加速度影响呈指数增大关系，而对正常断面路基表层振动加速度影响呈直线增大关系。随着车速的不断增大，车轮动载在钢轨病害位置引起的冲击作用对下部路基的影响逐渐减弱。

总体上随着车速由15 km/h增大到75 km/h，在各个速度区间均为病害断面轨道-路基振动大于正常断面的振动。

4 结 论

本文在对运营现场钢轨隐伤病害调研分析的基础上，分别选取典型钢轨隐伤病害断面和正常断面对钢轨、轨枕、道床及路基振动大小及传递衰减规律进行了系统测试分析，具体结论如下：

(1) 通过静态测试发现，病害钢轨轨头由于长期轮轨滚动接触作用，逐渐形成了局部低塌、剥离掉块和多裂纹扩展的复杂接触疲劳伤损病害。对轨头病害区局部打磨之后发现，在病害区会形成3个明显的裂纹扩展区，裂纹扩展均呈Y型交叉扩展，继续发展有贯通整个轨头的趋势。

(2) 通过动态测试可知，车轮动载对病害断面整个轨道-路基会产生垂直向下的较大冲击振动。病害断面的轨道-路基振动大小明显较正常断面的大，病害断面的钢轨振动加速度均值是正常断面的26倍，轨枕振动加速度均值是正常断面的23倍，道床振动是正常断面的13倍，路基振动是正常断面的5倍。

(3) 从频域特征来看，病害断面的轨道-路基主要频谱峰值分布范围都较正常断面的大。同时，病害断面轨道-路基整个频谱分布中存在10 Hz左右的周期性调制频率。通过倒谱分析得出，10 Hz左右的周期频率主要是由列车转向架和列车邻轴距为基频所引起。正常断面轨道-路基频谱分布呈连续频谱分布特征，无明显周期调制频率存在。

(4) 通过1/3倍频程分析得，两个断面中钢轨-轨枕-道床-路基振动能量在各频率范围内由上至下均呈不断减小趋势。病害断面由于轨枕与道床脱空导致振动能量在2 000 Hz附近几乎没有发生衰减。在2 000 Hz附近病害断面轨道至路基，振动能量共衰减了87 dB；正常断面轨道-路基振动能量衰减相对较小为70 dB，从上至下在钢轨-轨枕、轨枕-道床及道床-路基之间依次衰减了37 dB、21 dB和12 dB。

(5) 车速由15 km/h增大到75 km/h，对病害断面钢轨振动冲击作用最强烈，对病害断面下部轨枕及路基的影响作用在45～75 km/h内逐渐减弱，对正常断面轨道-路基各结构层振动影响均呈直线增大关系。