地鐵線路鋼軌波磨對車輛振動特性的影響

董勇，康彥兵，張華鵬，吳磊

地鐵線路鋼軌波磨對車輛振動特性的影響

董勇，康彥兵，張華鵬，吳磊*

（西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031）

某地鐵線路運營過程中，在通過波磨區(qū)段時車輛振動水平加劇，從而導致車輛的軸箱蓋螺栓、一系懸掛彈簧等部件頻繁發(fā)生疲勞斷裂。為了研究鋼軌波磨對車輛振動特性的影響，首先在車輛各主要部件上安裝振動加速度傳感器，然后在存在鋼軌波磨的線路上開展車輛振動測試，根據(jù)獲取的振動加速度數(shù)據(jù)來分析鋼軌波磨、軌道結構及鋼軌打磨前后條件下車輛軸箱、彈簧座、構架和車體地板的振動特性。結果表明：鋼軌波磨對車輛軸箱、彈簧座和構架的振動影響較大，但對車體地板的振動影響不明顯。輪軌系統(tǒng)振動在傳遞過程中，二系懸掛系統(tǒng)起到了較大的衰減振動能量的作用。當打磨后的鋼軌波磨依然存在但波深顯著降低的前提下，車輛軸箱和構架的振動水平顯著降低，車體地板振動水平無明顯變化。

波磨；鋼軌打磨；振動特性；地鐵線路

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，各城市的地鐵線路不可避免地出現(xiàn)了不同程度的鋼軌波磨。鋼軌波磨的存在會導致車輛軌道結構劇烈振動，產(chǎn)生噪聲，影響車輛和軌道結構的使用壽命[1-2]。

鋼軌波磨是指鋼軌接觸表面出現(xiàn)的像波浪似的不均勻磨損現(xiàn)象[3]。GRASSIE等[4-5]對波磨的理論及相關治理措施進行了研究，并將波磨按其損傷機理和固定波長機理進行了分類，論述了各種波磨的成因及其預防策略。TASSILY等[6]通過對法國地鐵波磨的研究，發(fā)現(xiàn)波磨的特征頻率與輪對的自然頻率和軌道的共振頻率有關。Sato Y等[7]綜合陳述了針對鋼軌波磨開展的相關機理研究。李霞等[8]研究了地鐵普通短軌枕軌道結構小半徑曲線上的125～160 mm波長波磨形成機理，總結該軌道結構的動態(tài)特性與鋼軌波磨的關系。崔曉璐[9]基于輪軌摩擦耦合彈性自激振動模型，研究了直線線路科隆蛋扣件地段鋼軌波磨的產(chǎn)生機理。

宋志坤等[10]通過建立高速動車組車輛－軌道耦合振動模型，研究了輪軌諧波磨耗在不同速度、波長及幅值下的車輛動力學響應。李慧娟等[11]結合車輛－軌道動力學模型和實測鋼軌波磨，分析了常見特征波磨下鋼軌扣件參數(shù)對軸箱振動特性的影響。劉國云等[12]采用剛柔耦合動力學理論構建車輛模型，基于Timoshenko梁、有限元理論和模態(tài)疊加法構建軌道模型，分析了鋼軌波磨激勵對車輛系統(tǒng)動態(tài)響應的影響。谷永磊等[13]通過建立高速鐵道車輛－軌道動力學數(shù)值分析模型，研究不同深度的鋼軌波磨對輪軌作用和車輛運行穩(wěn)定性的影響。

徐寧等[14]通過對高速動車組進行現(xiàn)場振動測試，研究了高速動車組各部件間的頻域響應特征和動車組車輛系統(tǒng)振動傳遞特性。劉衛(wèi)豐等[15]通過對北京地鐵在剪切型減振器扣件區(qū)段大量出現(xiàn)的鋼軌波磨現(xiàn)象進行試驗研究，表明在剪切型減振器扣件內增設橡膠墊塊可有效地控制鋼軌波磨發(fā)展，并起到部分消減鋼軌波磨的作用。陳迅等[16]通過測試地鐵車輛通過波磨軌道時的車輛各部件的振動特性，分析了鋼軌波磨對車輛動態(tài)行為的影響。賈尚帥等[17]通過試驗以及模態(tài)分析研究，分析了車體和設備、座椅之間的模態(tài)匹配等對車輛振動性能的影響，探討了修改座椅減振器參數(shù)對車輛消除顫振的作用。

上述開展的主要是鋼軌波磨的理論與仿真研究，關于波磨對地鐵車輛振動特性影響的現(xiàn)場試驗研究較少，尤其缺少研究鋼軌波磨打磨前后對車輛振動特性的現(xiàn)場試驗研究。

本文通過現(xiàn)場調查和試驗測試的方法，對地鐵車輛各部件在不同特征波長的鋼軌波磨以及鋼軌打磨前后條件下的振動特性進行測試和分析，來研究鋼軌波磨對車輛各部件振動特性的影響以及鋼軌打磨前后波磨對車輛部件振動特性的影響。

1 鋼軌波磨現(xiàn)場測量

為便于掌握地鐵線路鋼軌波磨的狀態(tài)，將地鐵A站和B站之間的軌道線路作為調查對象，使用鋼軌不平順測量設備Corrugation Analysis Trolley Mark-3型（簡稱CAT）測量線路上的鋼軌不平順水平。該線路上的軌道結構及直曲線線路形式如圖1所示，主要有普通短軌枕和12 mm彈性短軌枕兩種軌道結構，曲線形式為大半徑曲線（＞800 m），圖中還包含車輛在線路上運行時對應的里程和速度信息。

圖1 線路信息和車輛運行速度曲線

鋼軌不平順測試結果如圖2所示，線路主要存在四種不同波長的鋼軌波磨，且在兩種軌道結構上均有出現(xiàn)。其中普通短軌枕軌道上的鋼軌波磨為長波，主波長為400 mm；彈性短軌枕上的鋼軌波磨類型為長短波共存，長波鋼軌波磨波長為400 mm，短波鋼軌波磨波長分別為125 mm和160 mm。

圖2 鋼軌不平順1/3倍頻譜

車輛通過波磨區(qū)段時的不平順通過頻率可以表示為：

式中：為鋼軌波磨的通過頻率，Hz；為車輛運行速度，km/h；為鋼軌波磨的波長，mm。

計算結果如表1所示。

表1 各波磨里程通過頻率計算結果

2 振動測試試驗方案

為獲得車輛在鋼軌波磨區(qū)域運行時各部件的振動特性，分別在軸箱、彈簧座、構架以及車體地板上安裝振動加速度傳感器，用于測量車輛各部件在運行過程中的垂向振動加速度。

如圖3所示，軸箱測點布置在軸箱中部最上方，彈簧座測點布置在一系懸掛彈簧底座的下表面，構架測點位于一系懸掛彈簧正上方的構架處。如圖4所示，車體地板振動測點布置在距心盤一側1 m處的車體地板面上。

圖3 車輛轉向架振動測點布置示意圖

圖4 車體地板振動測點布置示意圖

3 振動測試結果分析

3.1 典型區(qū)間的車輛振動特性

為了研究鋼軌波磨對車輛各部件振動特性的影響，分別從時域和頻域的角度，來對車輛在鋼軌波磨區(qū)段運行時測得的垂向振動加速度數(shù)據(jù)進行分析。

3.1.1 時域分析

將振動加速度對應的時間歷程轉換為對應的車輛行駛里程，從而便于分析鋼軌波磨區(qū)段車輛部件垂向振動加速度的變化情況。

由圖5可知，左側軸箱的垂向振動加速度水平要高于右側，這是因為左軌鋼軌波磨的不平順水平高于右軌；振動水平較大的位置主要有三處，分別在0.4～0.8 km、1.0～1.4 km和1.4～1.6 km里程范圍內，依次對應三種特征波長的鋼軌波磨，可見線路上存在的鋼軌波磨是引起軸箱劇烈振動的主要原因。

圖5 左右兩側軸箱垂向振動加速度

軸箱振動加速度最大值位于1.1 km里程附近，對比圖2（c）和圖1可以發(fā)現(xiàn)，車輛在該里程附近運行時的速度較快，超過100 km/h，且該里程處的鋼軌波磨波長為160 mm，不平順水平較高，在兩者的綜合影響下，導致該里程范圍內軸箱的垂向振動最劇烈，垂向振動加速度達到350 m/s2。

如圖3所示，軸箱采用轉臂式定位，彈簧座和軸箱位于同一個轉臂上，同時彈簧座到轉臂定位點的距離大于軸箱，從而導致相同條件下軸箱振動加速度向彈簧座位置傳遞時會產(chǎn)生放大效果。

對比圖6和圖5可知，彈簧座和軸箱的垂向振動加速度變化趨勢相同。兩者的主要差異在于，彈簧座的垂向振動加速度是在軸箱振動的基礎上放大得到的，因此振動加速度水平要高于軸箱，其最大垂向振動加速接近600 m/s2，相對于軸箱的最大振動加速度提升了71%。

圖6 左右兩側彈簧座垂向振動加速度

車輛振動從彈簧座向構架傳遞的過程中，會經(jīng)過一系懸掛系統(tǒng)進行減振，需分析構架的振動特性以及一系懸掛系統(tǒng)對降低彈簧座振動水平的貢獻程度。對比圖7和圖6可知，在一系懸掛系統(tǒng)的減振作用下，構架的振動幅值相對彈簧座顯著降低，振動加速度最大值減小至200 m/s2，一系懸掛系統(tǒng)的減振效果良好，降幅達到67%。同時可以看到，構架振動劇烈位置依然與鋼軌波磨里程對應，說明鋼軌波磨依舊是影響構架振動水平的主要因素。

圖7 左右兩側構架垂向振動加速度

車體地板的振動水平是反映乘客舒適度的重要指標，需研究鋼軌波磨作用下車體地板的振動特性。由圖8可知，振動能量在從構架向車體地板傳遞的過程中顯著降低，其振動加速度最大值為11 m/s2，降幅達到95%。這是由于二系懸掛系統(tǒng)有效削減了來自構架的振動能量，從而保證了乘客的乘坐舒適度。車體地板振動劇烈位置與鋼軌波磨位置對應，可見鋼軌波磨依然對車體地板振動有影響。

圖8 車體地板垂向振動加速度

3.1.2 頻域分析

車輛各部件的振動頻譜圖可以反映不同波長類型的鋼軌波磨對部件振動特性的影響。由于車輛各部件左右兩側的振動加速度無明顯差異，因此只分析其左側的振動頻譜。

從圖9可以看出，主要有兩種振動峰值頻率，分別在60 Hz和200 Hz附近。對比不同特征波長的通過頻率可發(fā)現(xiàn)，波長為125 mm和165 mm的鋼軌波磨對應的通過頻率在200 Hz附近，而波長為400 mm的鋼軌波磨的通過頻率為60 Hz，從中可以看出，兩種峰值頻率是車輛通過鋼軌波磨區(qū)域產(chǎn)生的。

圖9 軸箱垂向振動加速度頻域圖

由圖10可以看出，相對于軸箱，彈簧座在60 Hz頻率范圍內的振動加速度變大，從5 m/s2增加到7 m/s2；而在200 Hz處的振動峰值變小，從2.5 m/s2減小到1.3 m/s2。表明振動加速度從軸箱向彈簧座傳遞的過程中，對60 Hz附近的振動加速度放大效果明顯，而對200 Hz附近的振動有削弱效果。

圖10 彈簧座垂向振動加速度頻域圖

由圖11可以看出，經(jīng)過一系懸掛彈簧系統(tǒng)的減振作用，構架在60 Hz作用的振動峰值下降明顯，降幅達到64%；同時振動加速度峰值頻率范圍由60 Hz附近轉變?yōu)?0～100 Hz附近，該峰值頻率同樣是由400 mm波長的鋼軌波磨導致的，表明振動從軸箱向構架的傳遞過程中，400 mm波長的鋼軌波磨依然為構架振動的主要原因。而峰值頻率在200 Hz左右的振動水平無明顯變化，表明一系懸掛系統(tǒng)對200 Hz的垂向振動效果不明顯。

圖11 構架垂向振動加速度頻域圖

由圖12可知，車體地板的振動峰值頻率為150 Hz，相對于構架的振動峰值頻率變化明顯?？梢姸祽覓煜到y(tǒng)有效削弱了鋼軌波磨所引起的振動。對比車體地板的垂向振動加速度時域（圖8）可以看到，雖然車體地板在波磨里程處的振動水平較高，但振動頻率已經(jīng)發(fā)生變化。表明二系懸掛系統(tǒng)可以有效降低鋼軌波磨對車輛部件振動的影響。

圖12 車體地板垂向振動加速度頻域圖

3.2 典型軌道上的車輛振動特性

普通短軌枕軌道結構是鋪設地鐵線路時常用的軌道結構，為研究普通短軌枕上鋼軌波磨對車輛振動特性的影響，對車輛通過普通短軌枕軌道時車輛各部件的垂向振動加速度數(shù)據(jù)進行分析。

由圖13可見，振動從軸箱向車體地板傳遞的過程中，垂向振動加速度有效值呈先增大后減小的趨勢。振動能量由彈簧座經(jīng)一系懸掛彈簧系統(tǒng)傳遞到構架，數(shù)值衰減了58.96%。由一系彈簧上方構架左經(jīng)過二系懸掛彈簧系統(tǒng)傳遞到車體地板，振動能量衰減了92.54%。由此可見輪軌系統(tǒng)振動在向車輛各部件傳遞的過程中，二系懸掛系統(tǒng)起到了較大的衰減振動能量的作用。

圖13 普通短軌枕軌道上車輛部件振動加速度有效值

由圖14可知，當車輛通過400 mm波長的波磨區(qū)域時，軸箱在40～80 Hz附近的振動明顯，振動能量從軸箱、彈簧下方座經(jīng)由一系懸掛系統(tǒng)傳遞至構架，導致構架在該頻率附近振動顯著，隨后振動能量進一步通過二系懸掛系統(tǒng)傳遞至車體地板，導致車體地板在40～80 Hz頻段振動略大。而車體地板在110～200 Hz的垂向振動水平最明顯，該頻段與輪軌不平順激勵的頻率不相關。

3.3 鋼軌打磨對車輛振動特性的影響

為消除地鐵線路上存在的鋼軌波磨、提升地鐵車輛的運行穩(wěn)定性和乘坐舒適性，對地鐵某區(qū)間1.761～2.261 km范圍內的線路進行鋼軌打磨作業(yè)。打磨前后的鋼軌不平順測試結果如圖15所示，可知，該區(qū)間線路在打磨前存在波長為125～200 mm的鋼軌波磨。打磨后，鋼軌波磨仍然比較明顯，波磨沒有被完全打磨掉，但打磨段殘余鋼軌波磨的幅值有所減小。車輛在該波磨區(qū)域內的運行速度范圍為100～110 km/h，根據(jù)式（1）可以求得對應的波磨通過頻率范圍為138～244 Hz。

截取鋼軌打磨前后車輛通過波磨區(qū)域時各部件的振動加速度數(shù)據(jù)，通過頻譜分析得圖16。

圖15 打磨前后鋼軌不平順1/3倍頻譜

圖16 打磨前后車輛部件垂向振動頻域圖

由圖16可知，鋼軌打磨前，軸箱、構架和車體地板的振動峰值均在130～240 Hz頻率范圍，且該頻率范圍與波長為125～200 mm的鋼軌波磨通過頻率一致，表明鋼軌波磨是影響車輛各部件振動劇烈的主要因素。鋼軌打磨后，由于鋼軌波磨依舊存在，車輛各部件的垂向振動峰值頻率范圍仍與鋼軌波磨的通過頻率一致，但波磨幅值明顯減小，因此軸箱和構架在垂向振動峰值頻率內的振動水平明顯小于鋼軌打磨前。打磨前后軸箱和構架均在35 Hz頻率范圍內出現(xiàn)峰值，圖5和圖7中也存在同一現(xiàn)象，通過對比可發(fā)現(xiàn)，該頻率與波磨的通過頻率不相關，表示該頻率是由結構共振所導致；車體地板的振動峰值頻率范圍在打磨前后無明顯差異，表明當鋼軌打磨沒有完全消除波磨時，打磨對緩解車體地板振動水平的效果不明顯。

4 結論

本文對不同特征波長的鋼軌波磨和鋼軌打磨前后條件下車輛各部件的振動特性進行現(xiàn)場試驗，根據(jù)車輛部件的振動加速度測試結果，對鋼軌波磨和鋼軌打磨前后對車輛各部件振動的影響進行分析研究，得到以下結論：

（1）車輛軸箱、彈簧座和構架的振動峰值頻率與鋼軌波磨的通過頻率一致，而車體地板的振動峰值頻率與鋼軌波磨的通過頻率不相關；鋼軌波磨是軸箱、彈簧座和構架振動劇烈的主要因素，對車體地板的振動影響不明顯。

（2）在從彈簧座向車體地板的傳遞過程中，輪軌垂向振動加速度由下往上逐級遞減；普通短軌枕軌道上振動能量由彈簧座左經(jīng)一系懸掛系統(tǒng)傳遞到構架，振動有效值衰減了58.96%，由構架左經(jīng)二系懸掛系統(tǒng)傳遞到車體地板，振動有效值衰減了92.54%，可見輪軌系統(tǒng)振動在車輛各部件傳遞的過程中，二系懸掛系統(tǒng)起到了較大的衰減振動能量的作用。

（3）由于鋼軌打磨沒有完全消除波磨，因此打磨前后車輛軸箱和構架的垂向振動峰值頻率與對應的波磨通過頻率一致；鋼軌打磨后兩者的垂向振動水平明顯小于鋼軌打磨前；在鋼軌波磨沒有消除的情況下，鋼軌打磨對車體振動特性的影響不明顯。

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Effect of Rail Corrugation in Metro Line on Vibration Characteristics of Vehicle

DONG Yong，KANG Yanbing，ZHANG Huapeng，WU Lei

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

During the operation of a metro line, the vehicle vibration level increased when the vehicle passed through the corrugated section, which caused frequent fatigue fractures of vehicle components, such as axle box cover bolts and primary suspension spring. In order to study the influence of rail corrugation on vehicle vibration characteristics, we firstly installed vibration acceleration sensors on the main components of the vehicle, and then conducted vehicle vibration tests on the rail corrugated line. Based on the vibration acceleration data obtained, we analyzed rail corrugation and track structure and the vibration characteristics of the vehicle axle box, spring seat, frame, and car body floor before and after rail grinding. The results show that rail corrugation has a significant impact on the vibration of vehicle axle box, spring seat and frame, but the vibration on car body floor is not obvious. During the transmission of the vibration of the wheel-rail system, the secondary suspension system plays a great role in weakening the vibration energy. When the grinded rail corrugation still exists and the wave depth is significantly reduced, the vibration level of the vehicle axle box and frame is significantly reduced accordingly, but there is no significant change in the vibration level of car body floor.

rail corrugation；rail grinding；vibration characteristics；metro line

U270.1+1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.10.004

1006-0316 (2021) 10-0022-08

2021-02-18

國家自然科學基金（51775454，51605395）；四川省科技計劃（2020YJ0034，2020JDTD0012）

董勇（1994－），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要研究方向為輪軌關系，E-mail：dongyong.email@foxmail.com。*通訊作者：吳磊（1981－），男，貴州畢節(jié)人，博士，講師，主要研究方向為輪軌關系，E-mail：wuleitpl@163.com。