地铁曲线轨道钢轨波磨黏滑机制的振动特性

王志强; 豆硕; 刘鹏飞

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503363

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (9) :3771-3777 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503363

机械、仪表工业

地铁曲线轨道钢轨波磨黏滑机制的振动特性

王志强 ¹^,² ,
豆硕 ² ,
刘鹏飞 ²

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Vibration Characteristics of Rail Corrugation Stick-slip Mechanism in Metro Curved Track

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摘要

为研究地铁线路钢轨波磨黏滑机制的波长固定条件,从频域方面分析了系统振动特征与钢轨波磨的关系。以钢弹簧浮置板曲线轨道上的外轨波磨为研究对象,利用有限元方法,构建了车辆-轨道耦合三维实体数值模型,并探讨了轮轨系统黏滑振动对钢轨波磨的影响。同时,结合参数敏感性分析,给出了波磨控制的相关建议。现场调研显示,曲线轨道外轨存在显著的短波波磨,波长为42.25~50.91 mm,通过频率为437~526 Hz。数值结果表明,钢轨接触节点位移频响曲线的主要特征频率478 Hz处于实测区间钢轨波磨的通过频率437~526 Hz范围内,且对应位移幅值较大。外轨波磨的形成机制为系统特征频率478 Hz对应的导向轮对外轮横向弯曲振动诱发了外轨波磨的产生。适当地调整扣件垂向刚度和钢弹簧隔振器垂向刚度能够促使钢轨波磨特征频率趋于消失,而改变其余参数对钢轨波磨特征频率均无影响,表明适度改变扣件垂向刚度和钢弹簧隔振器垂向刚度可以有效抑制钢轨波磨发展。

Abstract

In order to study the wavelength-fixed condition of rail corrugation stick-slip mechanism in the metro line, the relationship between the system vibration characteristics and rail corrugation was investigated in terms of frequency domain. Taking the outer rail corrugation on the curved track with steel spring floating slabs as the research object, the finite element method was utilized to construct a three-dimensional solid numerical model of the vehicle-track coupling and the effect of the stick-slip vibration of wheel-rail system on the rail corrugation was explored. In the meantime, combined with the parameter sensitivity analysis, relevant recommendations for the corrugation control were given. The field research shows that significant short-pitch corrugation exists on the outer rail of the curved track, with wavelengths in the range of 42.25~50.91 mm and passing frequencies in the range of 437~526 Hz. The numerical results indicate that the dominant eigenfrequency of 478 Hz of the displacement frequency response curve of the rail contact node is within the range of 437~526 Hz of the passing frequency of rail corrugation in the measured section, and it corresponds to a large displacement amplitude. The formation mechanism of the outer rail corrugation is that the lateral bending vibration of the outer wheel of the guiding wheelset corresponding to the system eigenfrequency of 478 Hz induces the generation of the outer rail corrugation. Appropriate adjustment of fastener vertical stiffness and steel spring vibration isolator vertical stiffness can promote the eigenfrequency of rail corrugation tends to disappear, while changing the rest of the parameters have no effect on the eigenfrequency of rail corrugation, indicating that moderate variation of fastener vertical stiffness and steel spring vibration isolator vertical stiffness is effective in inhibiting the development of rail corrugation.

Graphical abstract

关键词

地铁 / 钢轨波磨 / 有限元方法 / 黏滑振动 / 特征频率

Key words

metro / rail corrugation / finite element method / stick-slip vibration / characteristic frequency

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王志强, 豆硕, 刘鹏飞. 地铁曲线轨道钢轨波磨黏滑机制的振动特性[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(9): 3771-3777 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503363

WANG Zhi-qiang, DOU Shuo, LIU Peng-fei. Vibration Characteristics of Rail Corrugation Stick-slip Mechanism in Metro Curved Track[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(9): 3771-3777 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503363

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钢轨波磨是地铁线路轨道结构的常见病害之一,表现为轨面纵向上的周期性波状不平顺。钢轨波磨破坏了接触表面的平整性,极易引发轮轨系统高频振动和异常噪声,从而影响乘客乘坐舒适性和列车运行稳定性^[1-2]。正确判别钢轨波磨形成机制一直是铁路领域的难题之一,其主要与车辆-轨道系统耦合程度高、变量参数多有关。在地铁系统中,钢轨波磨频发于曲线区间,且曲线半径越小,钢轨波磨发生概率越大,这表明钢轨波磨的发生可能受制于轮轨接触几何关系^[3-5]。同时,钢轨波磨的周期性反映出波磨形成和系统振动特性密切相关,因此,系统振动特性是理解钢轨波磨形成机制的重要切入点。

目前,业界存在较多用于解释波磨成因的理论模型,而且多数模型均能很好地确定大部分钢轨波磨的形成机制。Grassie等^[6-7]最早对钢轨波磨进行了系统的分类,并分别阐述了对应波磨的形成机理和控制措施。之后,针对具体的地铁项目,Grassie^[8]分析了线路上最有可能发生的波磨类型并提出了相关的波磨控制建议,且线路开通后的监测结果表明上述建议是有效的^[9]。王誉蓉等^[10-11]研究了弹性轨道上的钢轨波磨问题,发现移动车轮间的低频驻波是波磨增长的主要原因,波长与轮距的关系构成了钢轨波磨的波长固定性,且钢轨阻尼器能够推迟钢轨波磨的出现,但难以根除钢轨波磨。Li等^[12-13]、Zhang等^[14]利用有限元方法分析了短波波磨的形成机制,得出钢轨纵向压缩振型是造成波磨形成的原因,且轮轨系统垂向弯曲和纵向压缩特征频率之间的一致性是波磨增长的必要条件。Chen等^[15-16]提出了摩擦自激振动诱发钢轨波磨的观点,并结合现场测试波磨数据验证了上述观点的有效性^[17]。Sun等^[18-19]从黏滑振动角度解释了钢轨波磨的演化过程,并对黏滑过程进行了详细的参数分析。虽然铁路行业对于波磨成因存在不同的观点,但是不可否认的是其均从特定方面描述了波磨的固有属性。

钢轨波磨状态及演化趋势直接影响钢轨服役性能,因此阐明波磨发展规律有利于控制线路运维成本^[20-22]。黏滑理论中滑移造成的磨耗赋予了波磨发展的损伤机理,而对其波长固定机理并未形成共识。现主要对钢轨波磨黏滑机制的振动特征展开进一步研究,黏滑振动的特征频率可以反映出钢轨波磨的敏感波长,因此,分析系统黏滑振动特性能够确定钢轨波磨的波长固定条件^[23-25]。基于此,现以一条地铁曲线钢弹簧浮置板轨道为研究背景,首先详细介绍线路基本情况和实测钢轨波磨特征;然后,参考实际线路条件,利用有限元方法,建立车辆-轨道耦合三维实体数值模型,并利用数值模型分析轮轨系统的黏滑振动特性及其与钢轨波磨的关系;最后,对钢轨波磨的可能影响参数进行敏感性分析,并给出钢轨波磨的控制建议。该研究从车轨耦合系统层面阐释黏滑振动诱发钢轨波磨的波长固定机理,以期为钢轨波磨有效控制提供见解。

1 现场调研

实测区间位于深圳地铁14号线路,全天运营时长为17.5 h,工作日日均客运量约56.05万人次(2025年2月数据),单日最高客运量约67.8万人次,高峰行车间隔最小约2.83 min。运营车辆采用A型车,8节编组,列车轴重为17 t,最高运行速度为120 km/h。轨道结构为钢弹簧浮置板轨道,由钢轨、扣件、预制钢筋混凝土轨道板、钢筋混凝土基底、钢弹簧隔振器、剪力铰及其他附属设施组成,其中钢轨类型为60 kg/m,材质为U75V,标准轨距为1 435 mm,钢轨下方承轨台最小高度为35 mm,轨底坡为1∶40,通过预制板上的承轨台实现;扣件类型为WJ-14型,扣件高度为35 mm,扣件间距为600 mm;轨道板浮置通过嵌固于其中的钢弹簧隔振器实现,超高在基底实现,采用外轨抬高超高值一半,内轨降低超高值一半的方式;列车运营供电方式为DC 1 500 V架空接触网供电。

区间照片如图1所示,线路曲线半径为750 m,超高为150 mm,列车通过速度为80 km/h。通过现场调研和测量,发现轨道外轨存在严重的波磨现象,波长为42.25~50.91 mm,如图2所示。进一步,根据频率计算公式,可得外轨波磨的通过频率为437~526 Hz。频率计算公式如式(1)所示。

(1)$f=\frac{1000v}{3.6\lambda }$

式(1)中:f为波磨通过频率,Hz;v为列车通过速度,km/h;λ为波磨波长,mm。

2 黏滑振动特性分析

基于有限元理论,建立了车辆-轨道耦合三维数值模型,并利用数值模型从轮轨系统黏滑振动角度阐释了钢轨波磨的形成机制,以期进一步完善钢轨波磨黏滑振动理论。

2.1 数值模型

参考实际线路区间,建立了车辆-轨道耦合三维有限元模型,主要包括车辆、轨道和轮轨接触3个模块,如图3所示。车辆模块由1个构架和2个轮对组成,且构架和轮对之间通过一系悬挂连接;轨道模块由钢轨、扣件、轨道板、钢弹簧隔振器、道床和接地弹簧组成;在轮轨接触模块中,法向接触设置为“硬”接触,并允许物体接触后分离,而切向行为由罚函数摩擦公式表征,摩擦因数设置为0.35。数值模型的结构和材料参数如表1和表2所示^[26-28]。

数值模型中轨底坡设置为1∶40,轨道超高通过调整局部坐标系实现并设置为150 mm。在初始位置处,导向轮对的横移量设置为6 mm^[29],如图3(b)所示。数值模型中轨道结构纵向(z向)端部施加对称约束,横向(y向)端部施加横向约束,其他无任何约束。为模拟轮轨系统的黏滑运动过程,除考虑重力外,在2个轮对的轮轴端部分别施加幅值为50 000 N的纵向(z向)正弦变化力,并执行频响分析。整个模型并无其他荷载,经试算,幅值50 000 N的纵向力能够使车轮发生位移。利用建立的数值模型分析轮轨系统的黏滑振动特性,以解释钢轨波磨的形成原因。

2.2 黏滑振动特性

利用车辆-轨道耦合数值模型执行频响分析,并分别提取内外侧钢轨接触节点和车轮接触节点的频响曲线,如图4和图5所示。

由图4(a)可得,内轨接触节点位移频响曲线的主要特征频率有478、312和122 Hz,分别表现为导向轮对外轮横向弯曲振动、轮对纵向弯曲振动和构架垂向弯曲振动,如图6所示,这也可从3向位移幅值曲线中得以反映。由图4(b)可得,内轮接触节点位移频响曲线的主要特征频率为312 Hz和122 Hz,分别表现为轮对纵向弯曲振动和构架垂向弯曲振动,如图6(b)、图6(c)所示,其与图4(b)中3向位移幅值曲线一致。

类似地,图5给出了外侧轮轨接触节点的位移频响曲线,分析可得,钢轨接触节点和车轮接触节点位移频响曲线的主要特征频率与图4所示内侧轮轨系统对应的主要特征频率相同,仅在位移幅值上有所差异,这表明内外侧轮轨系统在相同频率处发生了黏滑振动。

通过与实测区间钢轨波磨的通过频率437~526 Hz进行对比,可得轮轨系统接触节点位移频响曲线的主要特征频率478 Hz处于上述频率范围内,且该频率对应的位移幅值较大,因此,钢轨波磨的形成与主要特征频率478 Hz相关。由此,可将实测地铁区间钢弹簧浮置板曲线轨道上外轨波磨的形成机制阐述为轮轨系统在特征频率478 Hz处的模态振型诱发了外轨波磨的生成,且该模态振型表现为导向轮对外轮横向弯曲振动。

3 钢轨波磨影响参数分析

基于2.1节构建的数值模型,对钢轨波磨的可能影响参数进行分析,选择的参数包括一系悬挂3向刚度和垂向阻尼、扣件3向刚度和3向阻尼、钢弹簧隔振器3向刚度和3向阻尼,共计16个参数。分析方法采用控制变量法,通过变化某一特定参数并固定其他参数,研究该参数变化对钢轨波磨特征频率(即478 Hz)的影响。在分析过程中,各个参数的变化幅度均设置为原始值的±5%,随后进行频响计算,观察钢轨波磨特征频率是否存在并予以提取(如存在),相应结果绘制于图7~图9。

由图7可得,当改变一系悬挂3向刚度和垂向阻尼时,钢轨波磨特征频率均未发生变化,说明一系悬挂参数对钢轨波磨形成影响不大。由图8可得,当改变扣件垂向刚度时,钢轨波磨特征频率消失,而改变扣件其他参数均未引起钢轨波磨特征频率发生变化,说明调整扣件垂向刚度(不小于±5%)可以有效抑制原有波磨的发展。同样地,根据图9可以看出,当改变钢弹簧隔振器垂向刚度时,钢轨波磨特征频率不复存在,而改变钢弹簧隔振器其他参数均未导致钢轨波磨特征频率发生变化,说明调整钢弹簧隔振器垂向刚度(不小于±5%)也能够有效控制钢轨波磨。

对于实测地铁钢弹簧浮置板曲线区间,适当地改变扣件垂向刚度和钢弹簧隔振器垂向刚度,可以阻止外轨波磨的继续发展,从而随着车辆的往复运行,外轨波磨将趋于消失,同时外轨波磨的不利影响也将趋于减弱。

4 结论

主要对钢轨波磨黏滑机制的振动特征展开研究。以地铁曲线钢弹簧浮置板轨道上的外轨波磨为研究对象,利用有限元方法,建立了车辆-轨道耦合三维实体模型并分析了轮轨系统黏滑振动特性与钢轨波磨的关系,以解释钢轨波磨的波长固定机制。结合参数敏感性分析,提出了钢轨波磨的控制建议。主要得到如下结论。

(1)现场调研发现,实测曲线轨道外轨存在明显的短波波磨,波长为42.25~50.91 mm,通过频率为437~526 Hz。

(2)频响分析显示,钢轨接触节点位移频响曲线的主要特征频率478 Hz处于实测区间钢轨波磨的通过频率437~526 Hz范围内,且对应位移幅值较大。实测地铁线路区间外轨波磨的形成机制可描述为系统特征频率478 Hz对应的导向轮对外轮横向弯曲振动诱发了外轨波磨的产生。

(3)参数分析显示,适当地调整扣件垂向刚度和钢弹簧隔振器垂向刚度能够导致钢轨波磨特征频率趋于消失,而改变其余参数对钢轨波磨特征频率均无影响,表明适度改变扣件垂向刚度和钢弹簧隔振器垂向刚度可以有效抑制实测线路区间上的波磨现象。

系统振动特性分析显示,针对实测区间钢轨波磨,可通过调整扣件和钢弹簧隔振器垂向刚度予以减缓;然而,具体的调整范围未能有效明确(仅给出大致范围5%),因此在实际工程施工过程中难以开展量化工作。为解决上述不足,以区间过程为代表的量化分析方法成为下一阶段的研究重点,以实现波磨发展的精准表征与高效管控。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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