地铁钢轨波磨的基本特征、形成机理和治理措施综述

对世界各国地铁钢轨波磨的基本特征进行了系统梳理,总结了其普遍性与时间集中性,及其与曲线、轨道结构、车辆及其他因素相关性等典型特征,并对其分类方法、形成机理和治理措施进行了综合评述。研究结果表明：钢轨波磨普遍存在于地铁与有轨电车线路中,在新线开通初期与线路改造初期最为严重;一般而言,相对于直线和大半径曲线,小半径曲线的钢轨波磨最为普遍,低轨侧波磨波长短,幅值大,但也有例外,部分大半径曲线及直线上也有分布;波磨的波长特征和发展速度与轨道结构密切相关,轨道结构及部件不匹配时,易出现快速发展的波磨;车轮踏面廓形、轮对定位、悬挂刚度与簧下质量等车辆结构参数会对波磨萌生、发展与表现特征产生影响;波磨的产生还可能与钢轨材质、牵引和制动、运行环境、湿度及摩擦因数有关。地铁钢轨波磨的形成机理主要基于轮轨系统共振、轮轨黏滑(摩擦自激)振动、钢轨振动波反射等理论,对波磨形成过程的纵向动力学影响与系统非线性因素考虑不完善,关于黏滑自激振动与轮轨负摩擦特性对波磨影响的认识还不统一,难以解释直线以及曲线高低轨波磨特征的差异等,对波磨的形成和发展缺乏理论上的主动预测和试验验证;各国主要以钢轨打磨来控制波磨发展,通过调节轨道结构、运行环境,采用钢轨吸振器和轮轨摩擦调节装置,以及优化车辆设计等主动措施来控制波磨的研究仍需进一步开展;未来应针对车辆-轨道系统的动态特性以及实际运行工况下的轮轨微观接触行为和黏滑自激振动特性,开展车辆-轨道系统的轮轨动态磨耗演化仿真,掌握地铁钢轨波磨形成机理和关键因素影响规律,提出控制地铁钢轨波磨的主动措施和轮轨匹配优化设计原则。     

剪切型减振器扣件轨道钢轨波磨特性测量

钢轨波磨的准确测量及评价是研究钢轨波磨问题的基础.根据国际标准BS EN 15610：2009要求,采用精密仪器CAT钢轨波磨测量分析小车,对北京某地铁线钢轨波磨的发展过程进行了跟踪测量,并分析了波磨的典型特征、波长谱特性及发展规律.结果表明：钢轨波磨与轨道结构型式密切相关;钢轨波磨典型波长的波磨发展并不会持续增加,而是会扩展为长波波磨及短波疲劳裂纹.跟踪监测表明,制定出合理的打磨计划和验收标准对经济、高效缓解波磨的发展具有重要意义.     

地铁钢轨波磨对车辆和轨道动态行为的影响

采用钢轨波磨测量仪测量了钢轨波磨特征, 采用加速度和位移传感器测量了钢轨打磨前后车辆和轨道零部件的振动加速度, 分析了钢轨波磨对车辆和轨道零部件振动的影响, 建立了车辆-轨道耦合动力学模型, 研究了钢轨波磨对轮轨相互作用力的影响, 确定了钢轨打磨限值。研究结果表明: 钢轨波磨主波长为30~40 mm, 次波长为16 mm; 钢轨轨头和弹条在650~800 Hz的振动和轴箱在670~800 Hz的振动与30~40 mm波长对应的车辆通过振动行为一致, 因此, 短波钢轨波磨导致地铁车辆和轨道零部件振动过大, 是车辆一系钢弹簧和轨道扣件弹条疲劳断裂的主要原因; 钢轨打磨可以有效解决疲劳断裂问题, 打磨前钢轨轨头、弹条、轨枕和道床振动加速度均方根分别为243.4、309.3、17.1、2.6 m·s^-2, 打磨后振动加速度均方根下降为51.5、8.8、1.5、0.5 m·s^-2; 轮轨垂向力和横向力均对钢轨波磨波长非常敏感, 当钢轨波磨波深为0.1 mm时, 35、80 mm波长对应的轮轨垂向力分别为307、109 kN, 横向力分别为56、25 kN; 当车辆运营速度为90~120 km·h^-1时, 根据轮重减载率限值标准, 35 mm波长钢轨波磨波深为0.05~0.08 mm, 根据轮轨垂向力限值标准, 35 mm波长钢轨波磨波深为0.03~0.06 mm, 建议30~40 mm短波钢轨波磨波深达到0.05 mm时进行打磨处理。     

城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动噪声试验

为探明城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动噪声对沿线环境的影响,以某城市轨道交通高架钢轨波磨地段为研究对象,开展了列车以不同速度通过时的振动与噪声现场测试;基于测试结果分析了车速对城市轨道交通高架振动与噪声的影响,研究了城市轨道交通高架噪声的空间分布特性,解释了城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动与噪声峰值产生的原因。研究结果表明：当列车分别以20、40、60、80、100和110 km·h^-1的速度通过城市轨道交通高架钢轨波磨地段时,距线路中心线7.5 m、高于轨面1.2 m处的声压时程峰值分别约为0.6、0.9、1.3、1.9、2.3和3.3 Pa;轨面以上区域主要受轮轨噪声的影响,而梁体下方区域则主要受桥梁结构噪声的影响;轮轨噪声与车速之间存在着很强的线性相关性,而桥梁结构噪声与车速之间的线性相关性则略低,车速每增大10 km·h^-1,轮轨噪声和桥梁结构噪声分别约增大1.7和1.1 dB;不同车速下城市轨道交通高架噪声随距离的衰减规律基本一致,测点与线路中心线的距离每增大1倍,测得的噪声约减小4.33 dB;钢轨波磨对城市轨道交通高架轮轨噪声的影响较为显著,钢轨波磨的波长决定了列车以不同速度过桥时钢轨振动加速度的峰值频率,进而影响轮轨噪声的峰值频率;城市轨道交通高架结构噪声的峰值频率主要与其自身的振动特性有关,与车速和钢轨波磨的关系并不大。     

地铁弹性短轨枕轨道的钢轨波磨萌生原因

为探明我国某地铁线路弹性短轨枕轨道曲线钢轨短波长波磨萌生原因,采用现场试验和数值仿真方法对其开展了研究.首先,通过现场试验确定钢轨波磨波长与轨道动态特性对应关系;其次,利用车辆-轨道耦合动力学模型计算轮轨接触参量,通过力锤敲击法获得现场轨道导纳特性;最后,基于轮轨接触参量和轨道导纳结果,建立钢轨波磨频域线性分析的数值模...     

振噪融合的地铁钢轨波磨快速测量方法

为实现数据驱动的钢轨波磨状态修,提出一种时-空密集型的钢轨波磨测量方法.首先,采用智能终端检测列车编组车体振动和车厢噪声,对列车编组不同车体三向加速度进行波形匹配,得到延时估计值,修正列车运行速度和里程估计误差;其次,基于声纹谱能量法分析车厢声纹数据,并定义“波噪比”指标,量化钢轨波磨噪声能量及其高阶谐波能量占噪声总能量的比值,作为钢轨波磨自动识别的依据;最后,建立列车响应到钢轨波磨状态的反向映射关系,获取波噪比超限时的钢轨波磨波长和里程信息,以地铁某区间实测为例,采用钢轨波磨仪测量1.6 km范围的轨面短波不平顺,将测量结果 [0,50] mm波长范围的波深峰峰值与车厢声纹波噪比进行对比.结果表明：当波噪比阈值取为0.2时,基于声纹数据识别的钢轨波磨与线路分布一致,验证了该方法可为钢轨波磨状态评估提供数据支撑.     

科隆蛋扣件区段钢轨吸振器抑制钢轨波磨的机理

开展了重庆地铁1号线钢轨波磨的现场调研,建立了科隆蛋扣件小半径曲线区段车辆-轨道系统的动力学模型,研究了导向轮对通过该区段时的动力学特性;基于轮轨系统摩擦自激振动理论建立了相应区段轮对-钢轨-吸振器系统的有限元模型,应用复特征值法和瞬时动态法研究了钢轨波磨的形成机理和钢轨吸振器的抑制机理;采用控制变量法探究了钢轨吸振器连接参数和安装方式对钢轨波磨的影响规律。研究结果表明：科隆蛋扣件小半径曲线区段导向轮对与钢轨间的蠕滑力趋于饱和,容易引起轮轨系统发生频率为477.65 Hz的摩擦自激振动,从而导致低轨表面形成30~40 mm的钢轨波磨;安装钢轨吸振器能有效降低轮轨系统对应频率下的摩擦自激振动,进而抑制科隆蛋扣件小半径曲线区段钢轨波磨的产生;在一定范围内增大钢轨吸振器的连接刚度和连接阻尼,或改变钢轨吸振器的安装方式均有助于减小轮轨系统的摩擦自激振动,从而抑制波磨的产生和发展;当钢轨吸振器横向连接刚度和阻尼分别为60 MN·m^-1和50 kN·s·m^-1,纵向连接刚度和阻尼分别为60 MN·m^-1和50 kN·s·m^-1,垂向连接刚度和阻尼分别为120 MN·m^-1和100 kN·s·m^-1,并且钢轨吸振器连续安装在钢轨轨腰两侧,轮轨系统发生摩擦自激振动的可能性最小。     

钢轨波磨预测模型验证工况的研究

钢轨波磨会降低乘坐舒适性,增大轨道结构伤损,甚至影响列车的安全运行. 为判断钢轨波磨预测模型的准确性,首先,基于钢轨波磨现场调研数据,统计地铁线路和干线铁路的钢轨波磨发生率;其次,针对现有钢轨波磨预测模型验证方法的局限性,同时结合钢轨波磨发生的规律性,提出预测模型验证的3种基本工况:线路曲线半径≤350 m时的内轨波磨和外轨波磨、曲线半径 ≥ 650 m时的非科隆蛋扣件曲线线路或者直线线路钢轨的波磨,并进行实例验证;最后,根据基于轮轨蠕滑力饱和情况,提出了一种快速预测钢轨波磨发生的新方法. 研究结果表明:现有的波磨预测模型验证工况缺乏一般性,大部分没有考虑线路曲线半径的影响,忽视了从新轨到波磨出现阶段的钢轨振动演变规律,造成通过验证的波磨预测模型预测准确率偏低;所提出的波磨快速预测方法准确率可达到85.00%.      

短轨枕区段钢轨吸振器对钢轨波磨抑制机理的研究

钢轨波磨是地铁轨道中最显著的损伤问题之一,迄今未能得到有效解决,其中钢轨吸振器对钢轨波磨具有良好的抑制作用,但其抑制机理尚不明确。根据重庆地铁1号线双碑—石井坡区间的现场调研结果,建立了短轨枕支撑小半径曲线的车辆-轨道系统动力学模型,分析了地铁车辆通过小半径曲线区段的动力学特性;结合现场测试和动力学分析结果,基于轮轨系统摩擦自激振动诱导钢轨波磨的观点,建立了轮对-钢轨-吸振器系统的有限元模型;采用复特征值法和瞬时动态法从频域和时域角度分析了钢轨吸振器对钢轨波磨的抑制机理,对比了轨底吸振器和轨腰吸振器的抑制作用,分析了钢轨吸振器关键参数对钢轨波磨的影响规律。研究结果显示：钢轨吸振器能有效抑制轮轨系统的摩擦自激振动,进而抑制钢轨波磨的产生与发展,轨底吸振器与轨腰吸振器对钢轨波磨的抑制效果相近;同时在一定范围内增加了钢轨吸振器的质量比和连接刚度能降低轮对-钢轨-吸振器系统发生摩擦自激振动的可能性。