地鐵車輪多邊形磨損對浮置板軌道振動特性的影響

地鐵車輪多邊形磨損對浮量板軌道振動特性的影響溫士明;李偉;朱強(qiáng)強(qiáng);楊曉璇;溫澤峰【摘要】車輪多邊形磨損是地鐵車輛運(yùn)營過程中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，該現(xiàn)象易導(dǎo)致車輛和軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生異常振動.針對國內(nèi)某地鐵線路，在現(xiàn)場測試車輪多邊形磨損狀態(tài)基礎(chǔ)上，通過測試對比有、無車輪多邊形磨損的車輛通過地鐵線路減振式鋼彈簧浮置板道床段和非減振普通整體道床段時的軌道振動加速度，研究地鐵車輪多邊形磨損狀態(tài)對軌道振動大小和減振特性的影響.結(jié)果表明:調(diào)查的地鐵線路列車車輪存在13階~17階多邊形磨損，其粗糙度平均水平為21.3dBre1pm;當(dāng)存在車輪多邊形磨損的列車通過浮置板軌道時，鋼軌、彈條、軌枕、道床、隧道壁測點(diǎn)的垂向振動加速度均方根值分別為105.09m/s2、154.41m/s2、13.04m/s2、8.16m/s2、0.028m/s2,與無車輪多邊形磨損列車通過時相比振動水平分別增大了137.5%、145.3%、105.4%、111.9%、75.0%.車輪多邊形磨損對浮置板軌道的道床板及其以上部件振動水平的影響比對普通整體道床軌道的更顯著，對浮置板軌道隧道壁振動的影響則小于對普通整體道床軌道隧道壁的影響.存在車輪多邊形磨損的車輛通過浮置板軌道時，通過頻率為61Hz~104Hz,易激發(fā)軌道的整體垂向彎曲共振模態(tài),引起道床板振動幅值過大.在運(yùn)行列車有、無13階~17階多邊形磨損時，鋼彈簧浮置板軌道減振量分別為29.33dB和35.11dB,車輪多邊形磨損的存在降低浮置板軌道的減振效果.【期刊名稱】《噪聲與振動控制》【年(卷)，期】2018(038)004【總頁數(shù)】7頁(P116-122)【關(guān)鍵詞】振動與波;車輪多邊形磨損;鋼彈簧浮置板軌道;振動加速度;減振效果【作者】溫士明;李偉;朱強(qiáng)強(qiáng);楊曉璇;溫澤峰【作者單位】西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031;西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031;西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031;西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031;西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031【正文語種】中文【中圖分類】U211.3隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵列車運(yùn)營引起的振動噪聲問題越來越突出。針對地鐵不同減振的要求，不同減振效果的減振型軌道結(jié)構(gòu)越來越多地應(yīng)用于國內(nèi)地鐵線路上，例如：鋼彈簧浮置板軌道、隔離式減振墊道床、梯形軌枕軌道、軌道減振器、雙層非線性減振扣件軌道、先鋒扣件軌道等。其中，采用浮置板軌道結(jié)構(gòu)作為高級減振措施被重點(diǎn)運(yùn)用在具有特殊減振要求的線路區(qū)段上。由于地鐵線路曲線半徑小、牽引制動頻繁，列車運(yùn)營后易出現(xiàn)輪軌異常磨損現(xiàn)象。車輪多邊形磨損是地鐵輪軌異常磨損形式之一，目前在我國地鐵開始普遍出現(xiàn)。車輪多邊形磨損會導(dǎo)致車輛和軌道系統(tǒng)出現(xiàn)異常振動噪聲，給地鐵車輛和軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪帶來極大的挑戰(zhàn)。車輪多邊形的萌生和發(fā)展是車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)在復(fù)雜因素下相互作用的結(jié)果，車輪多邊形磨損形成后反過來又會對輪軌相互作用及車輛和軌道部件產(chǎn)生顯著影響。Johansson和Nielsen通過仿真計算和選擇不圓度較明顯的貨車車輪進(jìn)行現(xiàn)場振動測試實(shí)驗(yàn)，在軌道關(guān)鍵部件上布置加速度傳感器，研究了不同類型的車輪不圓對軌道振動的影響［1］。Meywerk把輪對和鋼軌考慮為彈性體，建立輪軌動力學(xué)模型通過仿真研究車輪多邊形的萌生發(fā)展過程，并將車輪多邊形作為不平順激勵，研究了輪軌系統(tǒng)的振動［2］。Nielsen和Johansson綜述了車輪不圓的研究現(xiàn)狀，包括車輪不圓（尤其長波長不平順的車輪不圓，如1~5階車輪多邊形）的形成原因及其對車輛和軌道部件的損傷影響［3］°Jin等基于試驗(yàn)方法研究了直線電機(jī)列車車輪多邊形形成機(jī)理，并基于數(shù)值模擬方法分析了車輪多邊形對輪軌力的影響［4］。Wu等基于數(shù)值模擬方法研究了車輪高階多邊形對高速列車輪軸應(yīng)力的影響［5］。以往關(guān)于車輪多邊形問題的研究多是關(guān)注于車輪多邊形的形成機(jī)理及其對車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能的影響，而關(guān)于車輪多邊形對于軌道結(jié)構(gòu)振動及減振特性的影響研究還比較少。浮置板軌道相對于其他減振型軌道具有更優(yōu)的減振效果，關(guān)于浮置板軌道結(jié)構(gòu)振動特性及減振性能的研究受到了越來越多的重視。劉維寧采用有限元建模對鋼彈簧浮置板進(jìn)行動力響應(yīng)求解，研究了浮置板軌道的低頻減振性能，發(fā)現(xiàn)浮置板自身性質(zhì)對近場區(qū)的減振效果影響較大［6］。孫曉靜建立了車輛-軌道二維有限元模型，運(yùn)用模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析研究鋼彈簧剛度和阻尼對減振效果的影響，發(fā)現(xiàn)鋼彈簧的剛度越小，阻尼越大，浮置板軌道系統(tǒng)的減振效果越好［7］。王炯和吳天行分析了浮置板軌道結(jié)構(gòu)的減振原理，并對浮置板長度和彈簧剛度對振動的影響進(jìn)行了分析［8］。這些關(guān)于浮置板軌道結(jié)構(gòu)振動特性及減振性能影響因素的研究僅局限于軌道結(jié)構(gòu)及其設(shè)計建造參數(shù)等軌道自身因素，忽略了輪軌磨損后狀態(tài)（如車輪多邊形磨損和鋼軌波磨）等影響因素。本文針對我國某地鐵線路實(shí)際運(yùn)營過程中出現(xiàn)的車輪多邊形磨損現(xiàn)象，測試了車輪多邊形狀態(tài)，并在選有、無車輪多邊形磨損列車以相同速度通過鋼彈簧浮置板道床段和非減振普通整體道床段時，進(jìn)行軌道部件和隧道壁的振動加速度測試，定量分析地鐵車輪多邊形磨損對浮置板軌道結(jié)構(gòu)振動和減振效果的影響。1試驗(yàn)列車車輪多邊形測試所選試驗(yàn)列車包含有、無車輪多邊形磨損現(xiàn)象的2列車，編號分別為：001列、002列。其中，001列、002列車分別運(yùn)行約11萬公里和觥修后0.1萬公里。圖1和圖2分別給出了001列和002列典型車輪不圓度測試結(jié)果；其中，圖(a)為車輪不圓度極坐標(biāo)表示結(jié)果，圖(b)為車輪不圓度階次(或波數(shù))表示結(jié)果。001列、002列所有測試車輪的多邊形粗糙度水平及徑跳值(車輪最大半徑與最小半徑之差)的結(jié)果如表1所示。車輪的多邊形粗糙度水平定義為是將車輪不圓度外形粗糙度r(x)的均方值在1/3倍頻程k中進(jìn)行量化為車輪粗糙度的參考值。從測試結(jié)果可知：表1試驗(yàn)列車車輪多邊形粗糙度水平與徑跳值結(jié)果002列0.160.040.09統(tǒng)計量列車編號最大水平最小水平平均水平13~17階粗糙度水平(dBre1pm)001列33.69.721.3002列6.1-1.82.0徑跳值/mm001列0.750.170.42(1)001列車輛車輪周向不均勻磨損主要表現(xiàn)為偏心、13~17邊形磨損。所測試車輪偏心、13~17邊形的平均粗糙度水平分別為dBre1pm,所有車輪平均徑跳值為0.42mm。(2)002列車輛車輪周向不均勻磨損主要表現(xiàn)為偏心磨損，13~17邊形磨損不明顯。所測試車輪偏心、13~17邊形的平均粗糙度水平分別為24.9、2.0dBre1pm,所有車輪平均徑跳值為0.09mm。圖1001列典型車輪不圓度圖2002列典型車輪不圓度車輛以一定速度運(yùn)行時，車輪多邊形磨損激勵的輪軌振動頻率可表示為f=v/入，其中，v表示車輛運(yùn)行速度，入表示車輪多邊形磨損的波長(入=周長/階次)。001列車輛車輪13~17邊形波長范圍為0.16mm~0.25mm，則001列車輛以55km/h~60km/h速度運(yùn)行時，車輪13~17邊形的通過頻率為61Hz~104Hz。2車輪多邊形對軌道振動特性的影響為了調(diào)查車輛車輪多邊形磨損對浮置板軌道振動特性的影響，進(jìn)行了有、無多邊形車輪磨損車輛(001列和002列)分別通過地鐵線路鋼彈簧浮置板軌道和普通整體道床段時的軌道振動加速度測試。鋼彈簧浮置板軌道和普通整體道床軌道振動測試位置均選擇在半徑為350m的圓曲線段，兩種軌道的扣件型式均為DTVI2型，且內(nèi)軌上都存在主波長和幅值均相近的鋼軌波磨，兩種軌道的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，其波磨狀態(tài)分別如圖3和圖4所示。軌道各零部件及隧道壁測量位置處加速度傳感器的布置如圖5所示，其中隧道壁測點(diǎn)布置在離鋼軌軌面垂直距離為1.2m的位置［10］。振動測試內(nèi)容有內(nèi)軌側(cè)扣件上方鋼軌軌頭垂向加速度(加速度傳感器布置在鋼軌軌頭外側(cè))；扣件彈條垂向加速度；⑶軌枕垂向加速度；表2軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)量值3.5x1010253.20.342500固態(tài)阻尼5%~8%x1010251.60.27325000.20部件鋼彈簧浮置板軌道浮置板鋼彈簧普通整體道床軌道承軌臺參數(shù)彈性模量/(N-m-2)長度(單塊板)/m寬度/m厚度/m密度(/kg-m-3)阻尼類型阻尼比垂向剛度(/KN-mm-1)橫向剛度(/KN-mm-1)彈性模量長度(單塊板)/m寬度/m厚度/m密度(/kg-m-3)泊松比道床垂向加速度；隧道壁垂向和橫向加速度。圖6和圖7分別給出普通整體道床軌道內(nèi)軌鋼軌的垂向振動加速度時域曲線和各測點(diǎn)振動加速度有效值?？芍簣D3普通整體道床軌道鋼軌表面波磨狀態(tài)局部測試結(jié)果(主波長為200~250mm，最大波磨幅值為0.28mm)圖4浮置板軌道鋼軌表面波磨狀態(tài)局部測試結(jié)果（主波長為200~210mm，最大波磨幅值為0.31mm）圖5軌道測試斷面各測點(diǎn)加速度傳感器布置圖圖6普通整體道床軌道內(nèi)軌鋼軌垂向振動時域圖（1）有車輪多邊形磨損的001列車通過時，普通整體道床軌道內(nèi)軌鋼軌、內(nèi)軌彈條、內(nèi)軌軌枕、道床、隧道壁等測點(diǎn)的垂向振動加速度均方根值分別為126.67m/s2、152.05m/s2、4.6m/s2、1.02m/s2、0.25m/s2；運(yùn)行列車有車輪多邊形磨損時內(nèi)軌鋼軌、內(nèi)軌彈條、內(nèi)軌軌枕、道床、隧道壁等測點(diǎn)的垂向振動水平相對無車輪多邊形磨損列車通過時分別增大了43.9%、45.9%、36.5%、92.5%、127.0%。車輪多邊形磨損對非減振的普通整體道床道床板和隧道壁的振動水平影響顯著，而對鋼軌、扣件彈條、軌枕振動影響相對較小。（2）兩列試驗(yàn)列車通過時內(nèi)軌側(cè)扣件彈條的振動有效值均明顯大于其他測點(diǎn)，內(nèi)軌側(cè)鋼軌的振動小于扣件彈條?？奂到y(tǒng)對13~17邊形車輪磨損激振所致的振動衰減較弱。圖7普通整體道床軌道各測點(diǎn)振動加速度RMS值圖8至圖10分別為普通整體道床軌道內(nèi)軌鋼軌、道床及隧道壁垂向振動加速度頻域結(jié)果，有車輪多邊形磨損001列車通過時，鋼軌、道床、隧道壁各測點(diǎn)都在40Hz~110Hz頻率段垂向振動水平最高，該頻段和001列車輪多邊形磨損的激勵（通過頻率為61Hz~104Hz）有關(guān)。無車輪多邊形磨損002列車通過時各測點(diǎn)在40Hz~110Hz頻段的垂向振動水平遠(yuǎn)小于001列車通過時，但存在一定水平的振動峰值。這與普通整體道床軌道內(nèi)軌鋼軌200mm~250mm主波長的鋼軌波磨激勵相關(guān)。圖11和圖12分別給出浮置板軌道內(nèi)軌鋼軌的垂向振動加速度時域曲線和各測點(diǎn)振動加速度有效值。可知：圖8普通整體道床軌道內(nèi)軌鋼軌垂向振動加速度頻域圖圖9普通整體道床軌道道床垂向振動加速度頻域圖圖10普通整體道床軌道隧道壁垂向振動加速度頻域圖（1）001列車運(yùn)行通過時鋼彈簧浮置板軌道內(nèi)軌鋼軌、內(nèi)軌彈條、內(nèi)軌軌枕、道床、隧道壁等測點(diǎn)的垂向振動加速度均方根值分別為105.09m/s2、154.41m/s2、13.04m/s2、8.16m/s2、0.028m/s2，運(yùn)行列車有車輪多邊形磨損時內(nèi)軌鋼軌、彈條、軌枕、道床、隧道壁等測點(diǎn)的垂向振動水平相對無車輪多邊形磨損時的分別增大了137.5%、145.3%、105.4%、111.9%、75.0%。（2）車輪多邊形磨損對浮置板軌道道床板及以上零部件振動水平的影響比對非減振的普通整體道床軌道的影響顯著。車輪多邊形磨損時對浮置板軌道隧道壁振動水平的影響則顯著小于對普通整體道床軌道隧道壁的影響。這是因?yàn)榕c普通整體道床軌道相比，有、無車輪多邊形磨損列車運(yùn)行通過鋼彈簧浮置板軌道時，經(jīng)道床板傳遞到隧道壁的振動能量均被浮置板大部分隔離，鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)的減振效果較好。圖11浮置板軌道鋼軌垂向振動時域圖圖12浮置板軌道各測點(diǎn)振動加速度RMS值圖13浮置板軌道內(nèi)軌鋼軌垂向振動加速度頻域圖圖14浮置板軌道道床垂向振動加速度頻域圖圖15浮置板軌道隧道壁垂向振動加速度頻域圖圖13至圖15給出了鋼彈簧浮置板軌道內(nèi)軌鋼軌、道床、隧道壁等測點(diǎn)的垂向振動加速度頻域結(jié)果。001列車通過時車輪13~17階多邊形激勵的振動能量沿著鋼軌、道床傳遞到隧道壁，各測點(diǎn)垂向均在50Hz~110Hz頻段內(nèi)振動水平較高，且在65Hz或98Hz附近存在顯著振動峰值。這是因?yàn)檐囕?3~17邊形磨損激勵能量向軌下結(jié)構(gòu)傳遞時激起鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)的垂向彎曲固有模態(tài)（見圖16所示)，導(dǎo)致軌道板結(jié)構(gòu)共振，引起較大的振動幅值。3車輪多邊形對軌道結(jié)構(gòu)減振特性影響普通整體道床軌道為非減振型軌道結(jié)構(gòu)，浮置板軌道為高級減振型軌道形式。為分析車輪多邊形磨損對減振型的浮置板軌道減振特性的影響，對減振型相對非減振情況下受振動物體(這里為隧道壁)振動水平降低效果進(jìn)行評價，選擇在有、無車輪多邊形磨損車輛通過時浮置板軌道隧道壁的振動與無車輪多邊形磨損車輛通過時普通整體道床軌道隧道壁的振動相比。對建筑物室內(nèi)或環(huán)境振動影響評估推薦的頻率范圍通常為1Hz~80Hz,此處對浮置板軌道減振效果系統(tǒng)評價的頻率范圍取為4Hz~200Hz［11］。對在相同或可比條件下采集的浮置板道床段和非減振的普通整體道床段隧道壁垂向振動加速度，按ISO2631/1-1997［12］規(guī)定的1/3倍頻程中心頻率Z計權(quán)因子計權(quán)處理，分別得到浮置板軌道和非減振型的普通整體道床軌道的隧道壁垂向振動加速度各中心頻率的分頻振動加速度級。以4Hz~200Hz評價頻率范圍內(nèi)無車輪多邊形磨損的002列車通過時普通整體道床軌道分別與有、無多邊形磨損列車通過時浮置板軌道的隧道壁測點(diǎn)垂向振動加速度1/3倍頻程各中心頻率計權(quán)后分頻振級的均方根差值來計算減振型的浮置板軌道系統(tǒng)在有、無車輪多邊形磨損情況下的減振量；而將最大和最小隧道壁1/3倍頻程中心頻率分頻振級的差值作為減振效果評價的輔助指標(biāo)［13］。具體計算公如下式中n為1/3倍頻程中心頻率的個數(shù)，當(dāng)振動頻率范圍為4Hz~200Hz時有18個中心頻率，n=18;AVL,main為減振量；AVL,max為減振量最大值；AVL,min為減振量最小值；VL,p(i)為作為參照基準(zhǔn)的無車輪多邊形磨損002列車通過時非減振的普通整體道床軌道隧道壁測點(diǎn)垂向在1/3倍頻程第i個中心頻率上的計權(quán)后分頻振動加速度級；VL,z(i)是鋼彈簧浮置板軌道隧道壁測點(diǎn)垂向第i個中心頻率上的計權(quán)后分頻振動加速度級。式（1）至式（3）的計算結(jié)果如表3所示。鋼彈簧浮置板軌道在有車輪多邊形磨損的001列車通過時的減振量為29.33dB，比無車輪多邊形磨損002列車運(yùn)行通過時的小約6dB。且有多邊形磨損時的減振量最大值和最小值也都小于無車輪多邊形磨損的情況。表3鋼彈簧浮置板軌道減振量計算結(jié)果無車輪多邊形磨損35.1140.2310.58計算量/dB減振量減振量最大值減振量最小值有車輪多邊形磨損29.3333.2610.26圖16鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)彎曲模態(tài)振型計算結(jié)果圖17浮置板軌道隧道壁垂向振級未計權(quán)對比損失圖17給出有、無車輪多邊形磨損列車通過時鋼彈簧浮置板軌道分別與無車輪多邊形磨損列車運(yùn)行通過時普通整體道床軌道在隧道壁垂向1/3倍頻程各中心頻率上未計權(quán)分頻振級的對比損失。有車輪多邊形磨損列車通過時鋼彈簧浮置板軌道隧道壁垂向在10Hz~200Hz頻率范圍內(nèi)的對比損失明顯小于無車輪多邊形磨損列車通過時的情況。綜上，不論從Z計權(quán)后的減振量計算結(jié)果（見表2）或未計權(quán)的分頻振級對比損失（見圖17）看，運(yùn)行列車出現(xiàn)車輪多邊形磨損后，浮置板軌道系統(tǒng)仍能具有一定的減振性能，但相對無車輪多邊形磨損時的情況其減振效果有所減弱。4結(jié)語（1）001試驗(yàn)列車車輪具有明顯的13~17階多邊形磨損，其13~17邊形的粗糙度平均水平為21.33dBre1pm。在車輪有多邊形磨損的試驗(yàn)列車通過時鋼彈簧浮置板軌道的內(nèi)軌鋼軌、彈條、軌枕、道床和隧道壁的垂向振動加速度水平比車輪無多邊形磨損列車通過時的分別增大137.5%、145.3%、105.4%、111.9%、75.0%。（2）列車車輪多邊形磨損對浮置板軌道的道床板及其以上軌道部件振動水平的影響比對非減振的普通整體道床軌道大，對浮置板軌道隧道壁振動水平的影響則顯著小于對普通整體道床軌道隧道壁的影響。地鐵列車車輪多邊形磨損對浮置板軌道結(jié)構(gòu)振動特征頻率影響顯著。車輪具有13-17邊形磨損的試驗(yàn)列車以55km/h~60km/h速度運(yùn)行時的激勵頻率為61Hz-104Hz，其導(dǎo)致的輪軌振動在浮置板軌道各部件均有體現(xiàn)。該振動能量向軌道下傳遞時，會激起鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)的垂向彎曲固有模態(tài)，導(dǎo)致軌道板結(jié)構(gòu)共振，引起較大的振動幅值。相對車輪無多邊形磨損列車通過普通整體道床軌道引起的振動，鋼彈簧浮置板軌道在車輪有13~17階多邊形磨損列車運(yùn)行通過時的減振量為29.33dB，比車輪無多邊形磨損列車通過時的情況小約6dB。車輪有多邊形磨損的列車通過浮置板軌道時會導(dǎo)致其減振效果降低?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】JOHANSSONA,NIELSENJCO.Out-of-roundrailwaywheels-wheel-railcontactforcesandtrackresponsenumericalsimulations[C].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineersPartF-JournalofRailandRapidTransit,2003,217(2):135-146.MEYWERK.Polygonalizaitonrailwaywheels[J].ArchiveofAppliedMechanics,1999,69(2):102-120.NIELSENJCO,JOHANSSONA.Out-of-roundrailwaywheels-aliteraturesurvey[C].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineersPartF-JournalofRailandRapidTran