钢轨波磨对地铁车辆动态行为影响试验研究

RAILWAYLOCOMOTIVE

铁道机车车辆 &

CAR

Vol. 37 No. 5

Oct. 2017

文章编号：l〇〇8 — 7842 (2017) 05 — 0103 — 06

钢轨波磨对地铁车辆动态行为影响试验研究

陈迅，张月军，吕晓俊

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111)

摘

要

调查并测量了某地铁线路科隆蛋减振轨道钢轨波磨的情况，现场测试了该地铁车辆通过严重波磨轨道时

车辆各部件子系统的振动特性，分析了钢轨波磨对车辆动态行为和车辆运行品质的影响情况。研究结果表明：地 铁车辆通过波磨严重的科隆蛋减振轨道时，车辆各部件垂向振动剧烈；40

mm主波长波磨通过频率在轴箱、构架、

和车体地板的垂向振动频谱中均有十分明显的体现，该波磨对车辆的动态行为和运行品质有很大影响；经典的垂 向舒适度指标已不能很好地用于评价频率较高的短波长波磨对列车运行品质的影响，建议在后续的研究中，结合 实际情况制定出高频振动显著的客车运行平稳性评价标准。

关键词钢轨波磨；轴箱；构架；车体;振动；动态行为；运行品质中图分类号：239.5

U

文献标志码：

Adoi：10. 3969/j. issn. 1008-7842. 2017. 05. 26

我国某地铁线路开通后不久，其科隆蛋减振轨道直 线和曲线区段均出现了严重的短波长波磨，如图1所

示，其主波长为40〜50 mm。这种短波长波磨的出现会 加剧车辆轨道结构的振动，加速车辆轨道结构部件的老 化，缩短其使用寿命，对车辆轨道系统的服役性能有很 大的影响。为此，国内外的学者进行了大量的研究，科 隆蛋减振轨道的扣件由德国研制，首次应用于科隆地 铁，因其外形呈蛋型，故称之为科隆蛋扣件。Gmss-

1

ie[1-2]、Sato[3]和NILSEN[4]等人对近几十年钢轨波磨的 研究进展和相应的减磨措施做了详细地综述。Ahlbeck 和Daniels[5]对由多种轨道形式构成Baltimore城市地

铁的波磨情况展开了比较全面的研究，通过跟踪试验和 数值建模分析了该地铁波磨的可能成因。Diana等人[6]结合现场调查和理论模型对米兰地铁短波波磨的产生

图1钢轨波磨

钢轨波磨现场测量

为了便于掌握现场钢轨波磨的情况，在该地铁线路

站和B站之间的科隆蛋减振轨道上选取了一段作为

A

调查对象。利用ODS钢轨不平顺测量系统对该调查区 段进行了测量。该系统现场安装及测量情况如图2所 示，将该装置安装在钢轨上可以同时测量距钢轨内侧 20,30,40 mm 3个位置处的纵向不平顺。

机理展开了研究。王小文等人[7]根据现场调查和试验 测试介绍了广深准高速铁路钢轨波状磨耗的特点。谭 立成等人[]提出轮对摩擦自激振动是钢轨波磨形成的 基本机理。Jin等人[]通过滚动台试验再现了钢轨短波 波磨现象，研究结果表明波磨形成与轨道结构特性相 关。由于波磨的成因很复杂，至今还没得出统一的解决 办法，国内的相关研究中，大多数学者都是借助于理论 仿真计算，现场试验研究偏少，系统地研究波磨对车辆 动态行为影响的文章也很少，因此，结合某地铁线路实 际情况，对其波磨情况展开调查，并借助于试验手段研 究科隆蛋减振轨道上严重的钢轨波磨对车辆动态行为 的影响情况。

图2 ODS钢轨不平顺系统

现场测试示意图

陈迅（1960—）男，高级工程师（修回日期：2017 — 06 — 16)

104铁道机车车辆

第37卷

对该调查区段（2 000 m曲线，近似于直线，科隆蛋 减振轨道）的测试结果如图3所示，给出了距钢轨内侧 30 mm位置处的波磨情况。从图3可知，该区段左轨 波磨最大波深（峰到谷）大约0. 123 mm，右轨波磨最大 深度大约0.075 mm。左轨的波磨深度大于右轨的深 度，这可能是因为轨道结构设置不对称造成的。

图4给出了图3中钢轨波磨对应的1/3倍频程间 谱结果。从图中不难发现，该区段科隆蛋减振轨道内外

轨波磨主波长为40 mm,次波长约为20 mm和200 mm。大量的现场（所有直线段和曲线段）调查和测试 结果显示，相近速度下，该轨道形式上所形成的波磨特征基本一致。

列车通过该波磨区段的速度约为50 km/h，则对应 3个波长的波磨通过频率大约为

犳=50 X lOO/3- 6 = 347 (Hz)

犳 40犳2 = 50 X 100’3_ 6 = 694 (Hz)

犳(1)(2)(3)

=50 X:’3 6 〜70 (Hz)

2振动测试试验方案

该地铁线路采用了中车青岛四方机车车辆股份有

限公司生产的地铁B型车。现场试验时，在拖车和动 车上都布置加速度传感器来测量车辆通过波磨钢轨区

-0.08

200

400

600

800

1 000 1 200

纵向位置/mm

段的振动情况。测点布置如下：

(1) 轴箱垂向加速度测试（见图5,4位轴箱X(拖 车+动车）=8个传感器）；

(2) (3)

构架垂向加速度测试（见图5,两侧构架X(拖 车地板垂向加速度测试（心盘位置两侧1 000

车+动车）=4个传感器）；

mm的车地板X(拖车+动车）=4个传感器）。

图3科隆蛋减振轨道

钢轨波磨

昆

Is 爷裏l^K-Igp\\7b车辆振动的测试区间：A站一B站（全程），上行线。图5显示了轴箱和构架加速度传感器的安装位置。 试验时，测试人员在车厢内进行操作。

现场调查发现该地铁线路A站和B站之间分别铺 设了普通短轨枕道床（DTVI2型扣件）和科隆蛋减振轨 道整体道床，该区间总长922 m，科隆蛋轨道铺设长度

0.1

波长/m

0.01

大约760 m，占了全区间总长的84%，是该地铁整条线 路各站区间采用\"科隆蛋\"减振轨道最长的一段，上一次 钢轨打磨时间距本次测量大约一个半月。

图4钢轨波磨不平顺等级

图5轴箱和构架振动测试传感器安装位置

第5期钢轨波磨对地铁车辆动态行为影响试验研究105

3振动测试结果分析

为了便于更加直观地分析该调查区段波磨对地铁

车辆动态行为的影响情况，本小节仅介绍拖车的振动加 速度测试结果（因为动车车辆的牵引制动对其振动特性 有较大影响）。

图6和图7分别给出了拖车第2位轮对左右两侧 轴箱垂向加速度随时间历程的变化情况。图中加速度 幅值很小的区段对应于普通短轨枕轨道，加速度幅值很 大且波动明显的区段对应于科隆蛋减振轨道。从图6 和图7的结果可知，科隆蛋减振轨道上轴箱的振动十分 明显，这主要是车轮通过该波磨区段时，在钢轨波磨激 扰下强烈的振动通过车轮传递到了轴箱所引起的。对 比两幅图中的振动幅值，不难发现，左侧轴箱的个别冲 击点的加速度接近200g(即2 000 m/s2)，有不少冲击 点的加速度达到了 15 0 g;右侧轴箱个别冲击点的加速 度接近60g，有不少冲击点的加速度达到了 40“左侧 轴箱垂向最大冲击加速度大于右侧，这是因为该区间主 要分布了两条左拐的半径为2 000 m的曲线，曲线长度 分别是163 m和108 m，引起这段轴箱垂向加速度较高 的缘故就是该段钢轨波磨较严重的科隆蛋轨道太长而 打磨不及时。

图8和图9分别给出了构架左右侧的垂向加速度

_ 2 000'f 1 000\\ 0^ -1 〇〇〇

开

1 nnn

1 580

1 590

1 600

1 610

1 620 1 630

时间

/S

图6第2位轮对左侧轴箱垂向加速度

600922 m (站间距）

r760 m (科隆蛋扣件奋麽）

s• 300

m -)/««—參idly

a-300

，

¥1 580

1 590

1 600

时1 6间1/S 0 1

1 620 1 6301 0

图7第2位轮对右侧轴箱垂向加速度

r60

760 m (科隆蛋扣件长度）^

■sJ] Jlj I

,

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20)/姻-20

《-40 苌

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1 580

1 590 1 600

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1 620 1 6301 0

时间/s

图8构架左侧垂向加速度

6o

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日.s

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制3o铟_

异I6o

*图9构架右侧垂向加速度

随时间历程的变化情况。从图中可知，科隆蛋减振轨道

区段车辆构架左右侧的振动十分明显，其幅值达到3g 到4“其中左侧的振动略比右侧明显，但差异较小，这 主要是由于经过一系悬挂的隔振后，部分振动已经被过 滤了。另外，从两幅图中还可明显地看到，在靠近B站 时，列车进站制动时引起的构架颤振振动加速度较高， 幅度达到5g到6“大于严重波磨引起的振动幅度最高 值，这说明，车辆的制动对构架的垂向振动有很大的影 响，现场测试动车构架垂向加速度的结果也显示，列车 进出站牵引和制动时，构架的振动十分剧烈，其幅值大 于波磨所引起的振动。

图10和图11分别给出了该拖车地板左右侧1 m 处的垂向加速度随时间历程的变化情况。同样地，如前 所述，科隆蛋减振轨道区段车厢地板的振动十分明显， 其最大幅值均达到了 1. 5“其中，车厢地板左侧的垂向 最大加速度略大于右侧。

rs

•

1 580 1 590 1 600

1 610 1 620 1 630 1 0

时间/s

图10地板左侧lm处的垂向加速度

图11地板右侧lm处的垂向加速度

图12示意了拖车车辆通过A〜B站间科隆蛋轨道 区段时车辆关键部件最大垂向加速度情况。从图中可 以清晰地看到，左右侧轴箱的最大垂向加速度分别为 150g和40心尽管两侧轴箱的加速度幅值差异较大，但 是经过一系悬挂减振后，构架左右两侧的加速度最大值

106铁道机车车辆

第37卷

降到3g到4以经过二系悬挂隔振后，车厢地板垂向最 大加速度降到了 1.5心这说明该地铁车辆一、二系悬 挂系统的隔振能力优越，几乎隔掉了钢轨波磨对车体振 动和乘客舒适度的影响。

图12拖车经过科隆蛋轨道区段

相关测点最大垂向加速度分布图

图13和图14分别给出了拖车第2位轮对左右两 侧轴箱垂向加速度的功率谱密度。从图中可知，40 mm 主波长波磨通过频率（343 Hz)在轴箱加速度频谱曲线 中占绝对主导地位。图中179〜180 Hz这一峰值可能 对应于钢轨和轨道板整体的垂向一阶弯曲振动，该振动

20

343 Hz

0

_

120_

01 000

2 000 3 000

4 000 5 000

频率/Hz

图13第2位轮对左侧箱垂向

加速度功率谱密度

ap/姻衡班籥诨

0 1 000

2 000 3 000

4 000 5 000

频率/Hz

图14第2位轮对右侧轴箱垂向

加速度功率谱密度

通过轮轨系统传入到轴箱，66 Hz这一峰值对应于簧下 质量的P2共振频率，和200 mm次波长波磨通过频率 相关。

图15和图16分别给出了构架左右两侧垂向加速 度功率谱密度情况；图17和图18分别对应于车体地板 左右两侧垂向加速度功率谱密度情况。从这4幅图中 的结果可知,0 mm主波长波磨通过频率（343 Hz)在 构架、和车体地板的垂向振动频谱中均有十分明显的体 现，在179〜180 Hz附近也有比较明显的振动峰值，这

323 Hz

9P160 Hz /姻1

z

600 Hz

-50'-----1-----1-----1-----1-----1-----1-----1-----1-----1-----1

0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000

频率/Hz

图15构架左侧垂向加速度功率谱密度

第5期钢轨波磨对地铁车辆动态行为影响试验研究107

_

2

o

9P/制o_3衡

寒符o诨

_

4

频率/Hz

图18地板右侧lm垂向加速度功率谱密度

一趋势与轴箱的振动情况相似，这说明车辆通过波磨轨 道时，尽管通过一系、二系悬挂系统的隔振，大部分的振 动能量都得到了衰减，但是和主波长波磨相关的振动仍 然传递到了簧上的车辆部件，该振动在这些车辆零部件 的振动频谱中绝对占优。由于一系、二系悬挂系统没能 隔振掉这个频率，因此地铁线路上这一短波长波磨带来 的振动对车辆的动态行为和车辆子部件的使用寿命仍 然有很大影响。

4车辆垂向舒适度

前面的分析明确了钢轨波磨对地铁车辆动态行为 的影响情况，下面将分析地铁车辆通过该波磨轨道时， 其对车辆垂向舒适度的影响情况。

目前有许多列车振动特性的评价指标，比如欧洲铁 路IS研究协会ERRIC116的平稳性指标、Sperlmg指标、

02631的平稳性指标、日本JIS平稳性指标等等。各

平稳性指标评价的主要依据是根据列车的振动频率对 人体生理学的危害以及人体对不同频带范围内的振动

敏感程度来制定的，是旅客对振动的感受。根据旅客对 振动的反应和敏感性，进行频域的加权处理，得到综合 反映旅客乘坐舒适度的指标。研究表明，对人体有不良 影响以及直接被人体所感觉的振动在40 Hz以下比较 显著，尤其是5〜16 Hz频率振动成分的影响最为显著， 40 Hz以上的振动对人体生理学的危害较小，所以，经 典的舒适度计算指标反映列车在40 Hz以上振动成分 频域加权的量很小，该频率以上的振动对平稳性指标的 影响已微乎其微。当不考虑振动频率成分情况和人的 敏感程度的相互关系时，只要求考虑对振动烈度的评 价，选用最大加速度指标更加合理。这里主要讨论钢轨 波磨（500 Hz范围内的振动）激励对地铁客车运行品质 的影响，根据上面叙述，这里选用最大加速度指标来评 价比较合理。

当客车运行平稳性按车体最大振动加速度来评定

时，GB 5599 — 1985规定，在运行速度w<140km/h时，

车体平均最大振动加速度应符合的要求为

AAmax < 0. 000 27狏+ C

(4)

m„为客车车体平均最大振动加速度，h;Cg;狏为客车运行 速度，km/为常数，取值见表1。这里只给出了垂向

运行平稳性的评价。

当车辆进行动力学试验时，每次记录的分析时间为 6s，在每个分析段中选取一个最大的加速度Am„，如果 每个速度等级有m个分析段，则平均最大加速度为

犃 max =(犪max,1 + 犪max,2 + ••• + 犪max,™)/犿

（）

表1常数C的取值

评价C«40IIz)优<良<0. 025合格

<0. 0300. 035

A〜B站间地铁车辆的运行平稳性用车体平均最大振

动加速度来评价。根据两个站间线路的实际情况，将分 析区段分为波磨区段（科隆蛋减振轨道）、无波磨区段 (普通短轨枕）。值得注意的是，按上述的最大振动加速 度标准来评价，计算Amax时，加速度需要通过截止频率 为40 Hz的低通滤波，由于波磨段车体的振动能量大部 分集中在100〜400 Hz之间，因此利用上述标准用于对 该地铁客车在波磨区段运行平稳性的评价可能不够全 面，故这里增加了一个500 Hz的滤波用于对比分析。下面将根据图10和图11中拖车地板左右侧离心 盘1m处垂向振动加速度来分析该地铁客车在波磨激 励下的运行品质。分别对图10和图11中的振动加速 度信号进行40 Hz的低通滤波和500 Hz的低通滤波， 前者可以应用现有的标准直接进行评估，后者需要进一 步完善现有的规范标准，从最大振动加速的基本理论人 手制定出更合理的评定指标来评价钢轨波磨对列车运 行品质的影响。

表2和表3分别给出了地板左右两侧1

m处的振

动分析结果。从表2中结果可知，按经典的平稳性指标 处理(40 Hz低通滤波情况），地板左侧AB全站间垂向 舒适度指标达优，无波磨段均为优，波磨严重段为良。 按照500 Hz低通滤波处理时，AB全站间垂向舒适度 指标，达到了 0. 35,波磨段达到了 0. 67,无波磨段也达

表2地板左侧lm处常数C的分析结果

~ 低通滤波/Hz

A〜B 站全程

0. 025>C>0. 0172(优）A〜A〜BB 站波磨段 0. 03>C>0. 0262( 000.3良）站无波磨段

0. 025>C>0. 0142( 0.657047

2优） 〇0. 0920

108铁道机车车辆

第37卷

表3地板右侧lm处常数C的分析结果

区段

参考文献

[1] GRASSIESL，KALOUSEKJ. Rail Corrugation: Char-

到了 0.092,这些数值也远大于经典平稳性指标的参考acteristics，Causes and Treatments [ J]. IMechE， 1993, 值。207(F)： 57-68.

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and treatments [J]. Part F: J. Rail and Rapid Transit性指标处理(40 Hz低通滤波情况），AB全站间、波磨段

2009, 223:581-596.和无波磨段，车辆的垂向舒适度指标均为优。但是对于

[3] SATOY，MATSUMOTOA，KNOTHEK. Reviewon 500 Hz的低通滤波结果，AB全站间、波磨段和无波磨

rail corrugation studies[J]. Wear，2002，253:130-139.

段的C值也远远超过了经典计算方法的标准值。但

[]NIELSENJ，LUNDENR，JOHANSSONA，et al. Tain-

是，由于目前还没有关于含高频分量的评估标准，所以

track interaction and mechanisms of irregular wear on wheel

很难对此结果做出优良判断，因此在后续的研究中，应 and rail surfaces[J]. Vehicle System Dynamics，40，2003,1 考虑结合实际情况和理论知识制定出高频振动显著的 (3)： 3-.客车运行平稳性评价标准，以满足工程应用。[5] AHLBECK D，DANIELS L. Investigation of rail corru­5结论gations on the Baltimore Metro [J]. Wear， 1991，144:

197-210.(1) 地铁车辆通过波磨严重的科隆蛋减振轨道时，

[6] Diana G，Cheti F，Bruni S， et al . Experimental and nu­车辆各部件垂向振动剧烈，其中轴箱加速度个别点达到

merical investigation on subway short pitch corrugation 了 200心有不少点达到了 150幻构架加速度达到了 3尽到

[J]. Vehicle System Dynamics， 1998， 29(suppl): 234­

4心列车进站制动时引起的构架颤振使得其加速度达到

245

了 5g到叱，大于严重波磨引起的最大加速度值。经过

[]王小文，章欣，冯文相.广深准高速铁路钢轨波状磨耗

二系悬挂减振后，车体地板的加速度降到了 1.5g左右。

特点和发展规律[].中国铁道科学，1998，19(2): 28­

(2) 40 mm主波长波磨通过频率(343 Hz)在轴箱、

34

构架和车体地板的垂向振动频谱中均有十分明显的体 []谭立成，俞铁峰.钢轨波状磨损形成机理的初步试验和 现；由于一系、二系悬挂系统没能隔振掉这个频率，因此 理论研究[].中国铁道科学，1985，6(1): 28-52.

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bology， 2007, 221(J): 675-698.

振动成份对列车运行品质的贡献，它已不能很好地用于

A—B站全程

A— B站波磨段AiB站无波磨段

40

0.025>〇0.0170(优）0.025>〇0.0216(优）0. 025>C >0.0079(优）

低通滤波/iz

50000.3520〇0.67400.0686

评价频率较高的短波长波磨对列车运行品质的影响。 因此在后续的研究中，应考虑结合实际情况制定出高频 振动显著的客车运行平稳性评价标准，以满足工程应 用。

Test Research of Effects on the Dynamic Behavior of

Metro Vehicles by Rail Corrugation

CHEN Xun，ZHANG Yuejun，LYU Xiaojun

(CRRC Qingdao Sifang Co. Ltd.，Qingdao 266111 Shandong, China)

Abstract: An investigation and extensive field measurements of rail corrugation were conducted on the Cologne vibration damping track in a met­ro line, a field test on the vibration properties of each component and subsystem of the metro vehicle when the vehicle passes through the seri­ously corrugated track was conducted, and an analysis effects of the rail corrugation on dynamic behavior and riding quality of the vehicle was conducted. The results show that the vertical vibration of each component of the metro vehicle is excessive when the vehicle passes through the seriously corrugated Cologne vibration damping track； the passing frequency of 40 mm dominant wavelength of the corrbodied in vertical vibration spectrum of axle box, frame and carbody floor, and the corrugation has a great influence on dynamic behavior and rid­ing quality of the vehicle； the classic vertical comfort index has been unable to be used to assess the effects of short wavelength of corrugation of high frequency on riding quality of train. tt is recommended to prepare evaluation criteria of train running stability undehigh frequency by combining actual situation in the subsequent research.Keywords: ral corrugation; axle box; frame; car body； vibration； dynamic behavior； running quality