尹皓，伍向陽，步青松，劉蘭華，邢星

(中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鋼軌波磨是各國鐵路線路上普遍存在的一種鋼軌損傷形式。列車通過波磨地段時會引起輪對、轉向架、車體的劇烈振動，不僅加劇了車輛及軌道部件的損壞，增加了維修費用，同時，鋼軌波磨的形成和發(fā)展導致鐵路機車車輛和軌道強烈的振動和噪聲，嚴重影響旅客列車的舒適性，也會對沿線居住聲環(huán)境質量產(chǎn)生較大的影響;嚴重時甚至會危及行車安全。隨著鐵路運輸不斷向重載、高速發(fā)展，波磨也越來越嚴重。因此，各國鐵路工作者對此現(xiàn)象進行了較深入的研究［1-5］。

1993年，Grassie和Kalousek審查了42份參考文獻，并出版了題為《鋼軌波磨:特性、致因和治理措施》的論文，可幫助人們了解1970-1990年之間進行的研究工作。他們根據(jù)豐富的經(jīng)驗，將波磨分為6個類組:①重載波磨(200～300 mm);②輕軌波磨(500～1500 mm);③彈性支撐塊軌枕波磨(45～60 mm);④接觸疲勞波磨(150～450 mm);⑤車轍波磨(50 mm(電車)，150～450 mm);⑥鋼軌轟鳴波磨(25～80 mm)。多數(shù)車轍波磨在德國被稱為波浪磨損(長波波磨)，而轟鳴波磨則被稱為 Riffeln(短波波磨)。短波波磨主要發(fā)生在高速線路的直線軌道(或者具有較大半徑的曲線軌道)上［6］。

目前，國外針對鋼軌波磨檢測主要有短弦弦測法、慣性法和慣性基準法。國內(nèi)北京交通大學通過測試北京地鐵4號線(地下線)的鋼軌加速度和車內(nèi)噪聲來研究地鐵交通的異常波磨情況［3］。2011年鐵科院在某高鐵異常波磨區(qū)段嘗試通過測試列車運行噪聲來研究異常波磨的聲學特點，從測試結果來看，鋼軌發(fā)生異常波磨后的列車通過噪聲存在較明顯的變化。

2 試驗測試方案

2．1 主要測試系統(tǒng)和設備

(1)數(shù)采分析儀:B＆K PULSE 3560C，2套(見圖1);(2)傳聲器:BK4370，8個;(3)聲級校正器:BK4231，2 個。

以上系統(tǒng)和設備在測試前、后均經(jīng)檢驗標定，符合國家有關標準。

圖1 多通道噪聲實時數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

2．2 測點的布置和測試方法

2．2．1 測點布置

測試工作在某高鐵線路橋梁區(qū)段進行，測點周圍地勢平坦、無房屋等障礙物;對發(fā)生波形磨耗和未發(fā)生波形磨耗的軌道線路進行了噪聲對比測試。測點布置如圖2所示。

圖2 測點布置示意圖

2．2．2 測試方法

列車輻射噪聲測量按《聲學鐵路機車車輛輻射噪聲測量》(GB/T 5111—2002)和《鐵路車輛輻射噪聲測量》(ISO 3095—2005)中的規(guī)定進行。

3 測試結果和分析

圖3、圖 4給出了動車組以 300 km/h、250 km/h速度通過測試區(qū)段時，發(fā)生波形磨耗和未發(fā)生波形磨耗的軌道線路處噪聲頻域信號對比圖。

由測試結果可以看出:

(1)對于300 km/h動車組，發(fā)生波磨與未發(fā)生波磨的測試數(shù)據(jù)結果相比較，動車組通過時段的等效聲級遠軌側前者比后者增加2～4 dB(A)，近軌側前者比后者增加5～7 dB(A);315 Hz及以下的低頻噪聲基本不發(fā)生變化，在630 Hz、1 250 Hz處出現(xiàn)增量峰值，峰值增量接近10 dB(A)。

(2)對于250 km/h動車組，發(fā)生波磨與未發(fā)生波磨的測試數(shù)據(jù)結果相比較，動車組通過時段的等效聲級變化不明顯〔1．0 dB(A)以內(nèi)〕;315 Hz及以下的低頻噪聲基本不發(fā)生變化，在500 Hz、1 000 Hz處出現(xiàn)增量峰值，峰值增量2～3 dB(A)。

圖3 發(fā)生波磨和未發(fā)生波磨的軌道線路輻射噪聲頻域信號對比圖(遠側軌數(shù)據(jù))

圖4 發(fā)生波磨和未發(fā)生波磨的軌道線路輻射噪聲頻域信號對比圖(近側軌數(shù)據(jù))

根據(jù)波長固定機理，波磨的產(chǎn)生與輪軌系統(tǒng)的某階振動密切相關。鋼軌波磨的波長L與通過列車運行速度v、振動頻率f有關，即:

不同的振動頻率和行車速度產(chǎn)生的波長不同，形成不同的波磨。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，K358+531測試斷面處鋼軌波磨的波長約在14 cm左右，根據(jù)式(1)，對于250 km/h動車組，一階振動頻率約在490 Hz左右;對于350 km/h動車組，一階振動頻率約在600 Hz左右，與現(xiàn)場噪聲峰值出現(xiàn)頻率的實測結果非常接近。

為避免影響軌道交通運行的安全，必須及時對鋼軌傷損進行消除或修復。目前的修復措施主要有鋼軌涂油、鋼軌打磨等，其中鋼軌打磨由于其高效性受到世界各國鐵路的廣泛應用。鋼軌打磨主要是通過打磨機械或打磨列車對鋼軌頭部滾動表面的打磨，以消除鋼軌表面不平順、軌頭表面缺陷及將軌頭輪廓恢復到原始設計要求，從而實現(xiàn)減緩鋼軌表面缺陷的發(fā)展、提高鋼軌表面平滑度，進一步達到改善旅客乘車舒適度、降低輪/軌噪聲、延長鋼軌使用壽命的目的。德國研制生產(chǎn)的新型打磨車，車速可以達到80 km/h，不影響運營，打磨效果較好。通過打磨，可以降低噪聲3 dB(A)左右。費用為1．5 萬歐元/a·km［7］。

4 結論及建議

4．1 結論

發(fā)生波磨與未發(fā)生波磨區(qū)段的測試對比結果表明:

(1)對于300 km/h動車組，動車組通過時段的等效聲級遠軌側前者比后者增加2～4 dB(A)，近軌側前者比后者增加5～7 dB(A);315 Hz及以下的低頻噪聲基本不發(fā)生變化，在630 Hz、1 250 Hz處出現(xiàn)增量峰值，峰值增量接近10 dB(A)。

(2)對于250 km/h動車組，動車組通過時段的等效聲級變化不明顯〔1．0 dB(A)以內(nèi)〕;315 Hz及以下的低頻噪聲基本不發(fā)生變化，在500 Hz、1 000 Hz處出現(xiàn)增量峰值，峰值增量2～3 dB(A)。

(3)理論計算結果表明，對于250 km/h動車組，一階振動頻率約在490 Hz左右;對于350 km/h動車組，一階振動頻率約在600 Hz左右。與現(xiàn)場噪聲峰值出現(xiàn)頻率的實測結果非常接近。

4．2 存在問題及建議

(1)本次測試工作是首次專門針對發(fā)生鋼軌波磨線路的噪聲對比測試，由于測點距離近側軌道很近，加之傳聲器量程限制，近側測點容易出現(xiàn)過載問題。因此，測試時一定要注意傳聲器的量程。

(2)針對波磨的噪聲測試及研究工作開展不多，因此缺乏可供參考對照的數(shù)據(jù)資料和分析研究成果。本次測試結果也從另一個角度表明，鋼軌打磨對降低鐵路輪軌噪聲有明顯效果。

(3)為防止鋼軌異常波磨對鐵路尤其是高速鐵路的行車安全及旅客列車舒適性產(chǎn)生的不利影響，建議開展鐵路鋼軌波磨及其實時監(jiān)測等相關課題的研究工作，加強我國鋼軌打磨技術的研究。

［1］ 張波，劉啟躍．鋼軌波磨的試驗研究［J］．鐵道學報，2003，25(1):104-108．

［2］ 楚永萍．鋼軌波浪型磨耗對地鐵車輛振動性能的影響［J］．城市軌道交通研究，2009(8):17-20．

［3］ 劉維寧，任靜，劉衛(wèi)豐，等．北京地鐵鋼軌波磨測試分析［J］．都市快軌交通，2011，24(3):6-9．

［4］ 劉學毅，印洪．鋼軌波形磨耗的影響因素及減緩措施［J］．西南交通大學學報，2002，37(5):483-487．

［5］ 王文健，陳明韜，郭俊，等．高速鐵路鋼軌打磨技術及其應用［J］．西南交通大學學報，2007，42(5):574-577．

［6］ 佐藤吉彥，松本晃，克諾特·克勞斯．鋼軌波磨研究綜述［J］．都市快軌交通，2010，23(3):1-10．

［7］ Konstantin von Diest．鋼軌高速打磨有助于降低噪聲［J］．鐵路技術評論，2012:11-15．