城市轨道钢轨波磨研究

彭小兵

身份证号码：43102219860919xxxx

摘要：地铁线路钢轨波磨在不同类型轨道的钢轨波磨出现固定频率特性。本文主要就城市轨道钢轨在不同情况下的波磨进行研究，供同行借鉴参考。

关键词：地铁；波磨分类；减振扣件

一、我国地铁钢轨波磨分类

根据我国地铁钢轨波磨特征，可将钢轨波磨按照其频率特征分为：低频（40-140Hz）波磨、中频（140-300Hz）波磨和高频（300－1500Hz）波磨。不同轨道类型的钢轨波磨的频率特征总结见图1所示。可知，减振型扣件轨道的直线和曲线段波磨均为中高频波磨；普通扣件轨道和浮置板道床轨道曲线段表现为低频波磨，其直线段为高频波磨；弹性短轨枕轨道波磨为中频波磨；梯形轨枕轨道波磨为中低频波磨。图1我国地铁不同轨道类型的钢轨波磨的频率特征。

（一）＂减振扣件型＂短波长波磨：我国地铁减振型扣件（包括：剪切型减振扣件、浮轨式扣件和压缩型减振扣件）轨道在直线和曲线段均易产生30－63mm短波长钢轨波磨，且在曲线波磨较直线表现严重，波磨幅值（波峰到波谷距离）范围为化0.5－0.25mm。由于在不同曲线半径上，车辆运营速度不同（40－90km/h），因而钢轨波磨的通过频率表现在200－840Hz。该频带不在P2共振频率（30-120Hz）和钢轨垂向Pinned-Pinned共振频率（950-1200Hz）的范围。对于减振型扣件轨道这种确定的短波长特征（30-63mm）和波磨通过频率（200-840Hz的现象，定义为“减振扣件型”短波长波磨。

目前地铁减振扣件型短波长波磨主要会造成轮轨的中高频（200-840Hz振动，引起车轮、钢轨、扣件系统（包括：弹条，橡胶垫板，螺栓等）和车辆转向架部件等的过早疲劳失效；也导致了严重振动噪声问题。

（二）"P2共振型”中波长波磨：地铁非减振普通扣件轨道（简称普通扣件轨道）在所有小半径（R<800m）曲线段均出现钢轨波磨现象，其波长为100-250mm，对应的波磨通过频率范围为50-140Hz。采用普通扣件钢弹簧浮置板道床轨道在部分直线段和曲线段也出现了钢轨波磨现象，其主波长（160-250mm）和波磨通过频率（50-125Hz）与普通扣件轨道的类似。这类波磨通过频率范围与轮对一轨道系统的P2共振频率（30-120Hz）相似，对于普通扣件轨道和普通扣件钢簧浮置板道床轨道（属于普通扣件减振型轨道）小半径（小于800m）曲线出现的100-250mm波长波磨现象，定义为“P2共振型”中波长波磨。

（三）“弹性短轨枕型”波磨：地铁采用的弹性短轨枕轨道的钢轨波磨波长为50-160mm，主要发生在半径小于800m曲线段，对应波磨通过频率范围为130-280Hz。由于弹性短轨枕轨道的波磨通过频率特征（130-280Hz）不同于“减振扣件型”短波长波磨和“P2共振型”波磨，其出现与弹性短轨枕轨道的固有特性相关。这种出现在地铁线路弹性短轨枕轨道曲线段的波磨现象称为“弹性短轨枕型”波磨。

对于“弹性短轨枕型”波磨和“P2共振型”波磨，其激励的轮轨振动频率范围分别在130-280Hz和50-140Hz，其会导致轨枕、轨道板和车辆转向架部件的疲劳失效；该频带的振动易传递到隧道和大地，造成地面建筑结构的二次振动问题。

（四）“梯形轨枕型”波磨：对于曲线段的梯形轨枕轨道（属于普通扣件减振型轨道），其钢轨波磨波长和波磨通过频率分别为80-200mm和80-200Hz。采用不同扣件的梯形轨枕轨道的波磨通过频率特征基本相同。这种与梯形轨枕结构相关的曲线段波磨现象定义为“梯形轨枕型”波磨。

（五）与轨枕间距相关的短波长波磨：采用普通扣件的非减振型轨道和减振型轨道，在轨枕间距为0.625m的地铁线路的部分大半径（R>800m）曲线和直线段均出现了30-40~短波长波磨现象，对应波磨通过频率为480-840Hz：其波磨幅值相对小半径曲线段轻微。这种采用了普通扣件，且轨枕间距为0.625m的不同轨道结构线路出现的30-40mm短波长波磨，定义为“轨枕间距相关型“短波长波磨。

二、地铁钢轨波磨成因分析

（1）现象1：同样的车辆和运营条件，不同的轨道结构线路，波磨特征不同。

地铁A号线和B号线为目前我国地铁设计车辆速度最高（设计速度约为120km/h）的线路，且两段线路运营的为同一厂家同种类型的车辆（B型车辆，采用ZMA120型转向架）。两条线路的轨道结构不同，见表2。表2统计了现场测试调查的B号线和A号线的轨道状态和对应钢轨波磨特征及分布情况。可知，B号线大部分区间的大半径（R≥800m）曲线和直线段均出现了30-40~短波长波磨现象。出现这种短波长波磨的线路车辆速度约为80-90km/h，车辆运营时导致的波磨通过频率为625-833Hz。

对比B号线，在相同车辆结构和车辆运营速度下，A号线的普通扣件短轨枕轨道在大半径曲线和直线段没有出现波磨。套靴短轨枕轨道在大半径曲线和直线段没有出现波磨，在800m曲线出现了波长为125-160波磨，其通过频率为139-200Hz。

B号线和A号线地铁采用的车辆结构相同，且在R）800m曲线和直线段的运营条件基本相同。但在B号线出现了30-40~短波长波磨，而A号线没有出现。基于固定波长机理，这种30-40~短波长波磨与车辆运营时激励轮对一轨道系统的固有特性相关。

若这种短波长波磨特征仅与轮对高频弯曲共振相关，则在相同的运营条件下，B号线和A号线在大半径曲线和直线段应该出现相同波长特征波磨，但现场测试表明这两条线路钢轨出现不同的磨损特征，因而这种短波长波磨与轮对的高频弯曲共振不相关。由于这两条线路差异主要表现在轨道结构特征（见表2所示），因而，这种波磨出现与轨道振动特性相关。对于B号线的两种扣件的轨道结构在625-833Hz高频带的振动特征是否具有相似性，以及B号线和A号线的轨道固有特性以及引起的磨损特征是否不同，将借助下一章的数值仿真进行相关分析。

该地铁线路这种钢轨波磨现象不是特例，在我国北京地铁线路波磨测试就发现在同样处于800m曲线的普通扣件短轨枕轨道没有发现明显波磨，而科隆蛋扣件（或减振扣件）轨道钢轨却出现了明显的40-5Omm短波长波磨现象。若这种短波长波磨特征与轮对本身固有共振（例如：轮对弯曲和扭转共振）相关，则在相同的运营条件下，同一条曲线上的轮对共振特性相同，因而导致的钢轨波磨波长特征相同。但现场测试结果表明这包含了两种轨道形式的同一条曲线线路钢轨出现不同的磨损特征，因而调查的地铁线路轨道（整体道床轨道）短波长钢轨波磨现象与轮对本身固有共振（轮对弯曲和扭转共振）不相关。由于同一条线路差异主要表现在轨道结构特征，因而这种波磨出现与轨道振动特性相关。

（3）现象3：“科隆蛋”减振扣件轨道在曲线和直线段均出现了严重的短波长钢轨波磨现象。对其扣件进行改造更换后，该钢轨波磨现象得到明显的抑制。

地铁A号线车辆运营约3个多月后，在“科隆蛋”减振扣件轨道出现了显著的钢轨波磨现象。为了减缓该轨道钢轨波磨现象，对其部分线路轨道进行了扣件改造跟换试验；其中，改造后扣件（见图3所示）静态刚度是“科隆蛋”扣件的2.5-4倍。除了扣件进行改造更换外，轨道其他参数保持不变。试验段线路扣件改造长度约220m，其中，55m为半径800m的缓和曲线段，该段列车运行速度约为70km/h。

图3给出了扣件改造跟换后其轨道钢轨表面状态照片。由此可见“科隆蛋”扣件轨道在打磨后车辆运营约56天后出现了严重的钢轨波磨现象，主波长为50-63mm；在波长在50mm左右的粗糙度水平比IS03095标准高出了18.6-23.9dBre而扣件改造后，该50-63mm波长的波磨现象得到完全抑制。因而，轨道扣件参数是影响地铁钢轨波磨形成和发展的重要因素之一。

三、结束语

（1）目前我国地铁线路钢轨波磨主要发生在速度大于20km/h的运营线路上，且其波长范围为30-250mm。

（2）半径小于800m曲线的不同类型轨道形式均易出现钢轨波磨现象。小于800m曲线的线路波磨波长特征与曲线半径大小无关，而波磨发展速率（即严重程度）与之有关。波磨波长特征主要决定于轨道结构的形式和车辆运营速度。

（3）对于非减振型扣件普通轨道而言，曲线钢轨波磨主要发生在小于800m的曲线段，波长表现为100-250mm，导致的波磨通过频率为50-140Hz。普通扣件轨道在轨枕间距约为0.625m直线段均出现了30-40mm波长波磨；相比于曲线段波磨（波长100-250mm），其波磨幅值轻微，波长短。由于直线段车辆运营速度高（70-90km/h），该短波长波磨会激励高频（486-833Hz）的轮轨振动。