上部鎖緊式雙層非線性減振扣件鋼軌波磨的控制

王志強，化一寧，孟鴻濤

（1.中國船舶重工集團公司 第七二五研究所，洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南 洛陽 471000 2.南京地鐵運營有限責任公司，南京 200125）

軌道結(jié)構(gòu)是振動傳播途徑中的一個重要環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)（質(zhì)量、剛度、幾何尺寸等）直接影響周邊結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，因此以軌道動態(tài)特性為對象研究地鐵的減振性能成為比較常用的方法之一。然而隨著軌道支承剛度下降，可能會引起更高的鋼軌振動及滾動噪聲[1]。列車產(chǎn)生的噪聲通過車輪以及軌道的振動輻射向周圍環(huán)境，振動產(chǎn)生的主要原因是輪軌之間接觸所產(chǎn)生的動態(tài)力，而其中最為重要的動態(tài)激勵之源就是鋼軌表面的粗糙度以及滾動摩擦力，尤其在曲線地段這種鋼軌表面的粗糙度及滾動摩擦力更為明顯[2–3]。

由于出現(xiàn)了較為嚴重的鋼軌波磨現(xiàn)象，2014年12月19日對現(xiàn)有的剪切型減振器路段進行鋼軌打磨，2015年1月15－16日對南京南站至雙龍大道下行線K7+429～K7+917區(qū)間進行了部分扣件更換。此區(qū)間為地下線路，曲線半徑R=350 m，將K7+600－K7+675區(qū)間原剪切型減振器（Egg扣件）更換為上部鎖緊式雙層非線性減振扣件（GJ-32扣件）。此區(qū)間在未進行鋼軌打磨時連續(xù)跟蹤測試了6個月，觀察此區(qū)間內(nèi)鋼軌波磨的變化情況。

1 上部鎖緊式雙層非線性扣件

上部鎖緊式雙層非線性扣件主要由軌下彈性墊、上鐵墊板、中間彈性墊、下鐵墊板和絕緣自鎖套等組成，具有優(yōu)良的動態(tài)減振性能，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，預壓緊力可調(diào)，安裝及維修方便，如圖1所示。

圖1 上部鎖緊式雙層非線性扣件

上部鎖緊式雙層非線性扣件的主要特點如下：

（1）非線性彈性墊板：采用了獨有技術(shù)“非線形高扭抗減振墊板”設(shè)計；扣件橫向、扭轉(zhuǎn)剛度高，具有良好的過載保護功能，安全性好。

（2）非粘接無螺栓可拆卸式結(jié)構(gòu)：不用螺栓而能傳遞縱、橫向力及翻轉(zhuǎn)力矩，組裝和拆卸方便。

（3）扣件系統(tǒng)自身預緊力可調(diào)：扣件上鐵墊板和下鐵墊板之間的預緊力可通過自鎖機構(gòu)中的調(diào)整墊片進行現(xiàn)場調(diào)整，滿足線路安裝調(diào)整及維護需求。

（4）有效改善波磨：優(yōu)化了扣件上鐵墊板的固有頻率及扣件系統(tǒng)連接剛度，有效抑制鋼軌波磨發(fā)展，同時減少鋼軌振動和噪聲，提高乘車舒適性。

2 鋼軌波浪磨耗

鋼軌波浪磨耗是在軌道運營過程中在鋼軌踏面沿鋼軌縱向產(chǎn)生的一種波長規(guī)則化的典型鋼軌粗糙度現(xiàn)象，其主要特點是磨耗的波長基本固定。在產(chǎn)生波浪磨耗的鋼軌上，可以在軌頭部分很容易地觀察到磨耗的痕跡，以及明顯的波峰與波谷[45]。

“非連續(xù)支承諧振機理”是最主要的波長固定機理[6]。非連續(xù)支承頻率f可按下式(1)進行計算[7]

其中：E是鋼軌材料的彈性模量，I是鋼軌截面慣性矩，mr是鋼軌單位長度的質(zhì)量，l是扣件支撐間距，rg是旋轉(zhuǎn)半徑，v是泊松比，K(≈0.34)是截面剪切系數(shù)。

在列車運營條件下，若已知其運行速度時，波浪磨耗的激勵頻率可按下式（2）計算

這里，fc是波浪磨耗的激勵頻率，s是列車運行速度，λ是波浪磨耗的波長。這個計算的頻率通?？梢詭椭嬲J軌道鋼軌有波浪磨耗的軌道產(chǎn)生振動和噪聲的主要振源。

3 測試地點

南京地鐵1號線在更換新扣件之前南京南站至雙龍大道站區(qū)間扣件鋪設(shè)情況如表1，其中鋼軌波磨最嚴重區(qū)間為K7+429～K7+917。

自2015年2月3日起每月進行跟蹤測試。需要說明的是，南京地鐵于4月6日進行了K7+429～K7+600區(qū)間（剪切型減振器）的鋼軌打磨，該段的3次波磨測試結(jié)果。在同樣的區(qū)間內(nèi)，詳細的跟蹤測試了南京南站至雙龍大道區(qū)間的波磨，分別于2015年2月3日、3月11日、4月10日、5月9日、6月10日、7月6日對該區(qū)間內(nèi)的波磨情況進行了測試。

4 現(xiàn)場測試

通過波磨檢測儀CAT進行鋼軌波浪形磨耗狀況測試?？勺詣佑嬎爿敵霾サ牟ㄩL、波深等信息，圖2為現(xiàn)場鋼軌的波磨檢測。CAT3鋼軌波磨測量儀采用手工測量方式，專用于測量鋼軌波磨，及其粗糙度。

典型用于打磨質(zhì)量的評估，對現(xiàn)場波磨發(fā)展的短期與長期的監(jiān)測，小型鐵路系統(tǒng)的波磨檢查，車輛聲學測試是否符合要求的現(xiàn)場示范及鋼軌波磨檢查。鋼軌波磨測量儀性能強大，測量精度精準、可靠。

表1 南京南站至雙龍大道站下行線區(qū)間扣件鋪設(shè)情況

圖2 鋼軌波磨測試

5 數(shù)據(jù)分析

5.1 鋼軌跟蹤6個月鋼軌波磨變化

圖3－圖4中表明隨著時間推移，剪切型減振器區(qū)間高低軌波磨嚴重，與現(xiàn)場觀測相同。除原有發(fā)展嚴重的低軌80 mm、40 mm，高軌63 mm、31.5 mm波長外，低軌25 mm波長、高軌20 mm波長波磨逐漸顯現(xiàn)并持續(xù)加重。

圖3 剪切型減振器低軌鋼軌波磨

圖4 剪切型減振器高軌鋼軌波磨

圖5－圖6表明，雖然上部鎖緊式雙層非線性減振扣件區(qū)間高軌也存在80 mm波磨（原有波磨在改造前未完全打磨清除），但粗糙度值在逐漸減小。其他波長波磨幅值均較小，在5月9日及以后的數(shù)據(jù)可看出，80 mm波長波磨也已經(jīng)很大程度減小，現(xiàn)場肉眼觀測無波磨現(xiàn)象。同時低軌在50 mm、40 mm波長波磨有所增加，但是增長的速度非常的緩慢。高軌的波磨在80 mm、31.5 mm波長都有所緩慢的減小，這表明上部鎖緊式雙層非線性減振扣件在抑制鋼軌波磨增長起到了很大的作用。

圖5 上部鎖緊式雙層減振扣件低軌波磨

圖6 上部鎖緊式雙層減振扣件高軌波磨

從表2可以看出剪切型減振器波長主要是集中在80 mm、63 mm、40 mm；上部鎖緊式雙層非線性減振扣件主要是集中在了80 mm、63 mm。

表2波磨跟蹤測試結(jié)果表明，南京地鐵1號線南京南站至雙龍大道站，剪切型減振器扣件區(qū)間鋼軌波磨隨著時間的發(fā)展鋼軌表面的波磨也發(fā)展十分嚴重，上部鎖緊式雙層非線性減振扣件區(qū)間鋼軌波磨控制效果明顯。

如圖7為剪切型減振器與上部鎖緊式雙層非線性減振扣件低軌波長在80 mm和40 mm變化情況，隨著持續(xù)根據(jù)6個月的變化趨勢，剪切型減振器低軌鋼軌波長在80 mm時，得到鋼軌的粗糙度隨著時間的其增長速度為0.6 dB/月；剪切型減振器低軌鋼軌波長在40 mm時，得到鋼軌的粗糙度隨著時間的其增長速度為2.2 dB/月；上部鎖緊式雙層非線性減振扣件低軌鋼軌波長在80 mm時，得到鋼軌的粗糙度隨著時間的其減小速度為2.1 dB/月；上部鎖緊式雙層非線性減振扣件低軌鋼軌波長在40 mm時，得到鋼軌的粗糙度隨著時間的其增長速度為0.9 dB/月。圖8為剪切型減振器與上部鎖緊式雙層非線性減振扣件高軌波長在63 mm和31.5 mm變化情況。

表2 鋼軌波磨粗糙度總級/dB(A)re 1 μm

圖7 低軌波磨在波長40 mm和80 mm的變化

圖8 高軌波長在31.5 mm和63 mm的變化

5.2 鋼軌總粗糙度變化

綜上所述，鋼軌總粗糙度變化如圖9所示，根據(jù)連續(xù)的6個月對相同區(qū)間內(nèi)的鋼軌的波磨進行跟蹤測試，得到了隨著時間地增長剪切型減振器鋼軌的波磨在緩慢的增長，剪切型減振器低軌在波長為80 mm的增長速度為0.6 dB/月、40 mm的增長速度為2.2 dB/月；剪切型減振器高軌在波長為63 mm的增長速度為2.5 dB/月、31.5 mm的增長速度為1.9 dB/月。

圖9 鋼軌總粗糙度變化

得到了上部鎖緊式雙層非線性減振扣件隨著時間的增長鋼軌波磨在緩慢地減小，上部鎖緊式雙層非線性減振扣件低軌在波長為80 mm的減小速度為2.1 dB/月、40 mm的增長速度為0.9 dB/月；上部鎖緊式雙層非線性減振扣件高軌在波長為63 mm的減小速度為0.2 dB/月、31.5 mm的增長速度為1.3 dB/月。

6 結(jié)語

根據(jù)2015年連續(xù)6個月對相同區(qū)間內(nèi)鋼軌的波磨進行的跟蹤測試，得到了隨著時間的增長剪切型減振器扣件鋼軌的波磨在緩慢地增長，高低平均增長速度為1.5 dB/月；上部鎖緊式雙層非線性減振扣件隨著時間的增長，鋼軌的波磨在緩慢地減小，高低軌平均減小的速度為0.7 dB/月。

得到了隨著時間的增長剪切型減振器鋼軌的波磨在緩慢地增長，剪切型減振器低軌在波長為80 mm的增長速度為0.6 dB/月、40 mm的增長速度為2.2 dB/月；剪切型減振器高軌在波長為63 mm的增長速度為2.5 dB/月、31.5 mm的增長速度為1.9 dB/月。得到了上部鎖緊式雙層非線性減振扣件隨著時間的增長鋼軌波磨在緩慢地減小，上部鎖緊式雙層非線性減振扣件低軌在波長為80 mm的減小速度為2.1 dB/月、40 mm的增長速度為0.9 dB/月；上部鎖緊式雙層非線性減振扣件高軌在波長為63 mm的減小速度為0.2 dB/月、31.5 mm的增長速度為1.3 dB/月。

結(jié)果可以看出，剪切型減振器區(qū)間鋼軌波磨嚴重發(fā)展，而上部鎖緊式雙層非線性減振扣件十分有效地抑制了鋼軌波磨的增長。