重載鐵路小半徑曲線波磨演化過程實測分析

金 鋒,肖 宏,趙 越,岳會婷,劉萬莛

(1.北京交通大學(xué)軌道工程北京市重點實驗室,北京 100044； 2.鄭州市地鐵集團有限公司,鄭州 450000； 3.國家能源集團神朔鐵路分公司,陜西榆林 036203)

引言

隨著我國鐵路貨運需求的不斷增長，重載運輸整體向著大軸重、長編組快速發(fā)展[1]。我國重載線路多建設(shè)在山區(qū)，導(dǎo)致了貨運線路選線中小半徑曲線較多、上下坡線路較多等特性。小半徑曲線由于機車車輛輪軌接觸關(guān)系復(fù)雜，具體體現(xiàn)為接觸應(yīng)力大、多點接觸，蠕滑率、沖角較大等，導(dǎo)致小半徑曲線存在較為普遍的傷損情況，其中鋼軌波磨是主要病害之一。隨著波磨的產(chǎn)生與發(fā)展，將加速惡化諸如滾動接觸疲勞導(dǎo)致的魚鱗紋、剝離掉塊等病害，嚴重影響運輸安全性。

Grassie與Kalousek等[2]對波磨現(xiàn)象進行了較為詳盡的闡述，將波磨分為六類，并且通過固定波長機理及損傷機理，對各類波磨的成因進行了描述，并認為P2力共振及軌頭材料塑性流動是產(chǎn)生重載波磨的原因。劉啟躍等[3-4]通過室內(nèi)JD-1型摩擦試驗機，再現(xiàn)了塑流型波磨的基本情況，并通過金相分析，表明了表面塑性流動等的厚度與形成方向。劉學(xué)毅等[5-6]對于鋼軌波磨進行了較為詳細的對比試驗段研究，并對比了多種波磨減緩措施的效果。金學(xué)松與溫澤峰[7-8]通過構(gòu)建彈塑性輪軌接觸有限單元法對于鋼軌波磨的演化過程進行了描述。陳光雄等[9-10]基于輪軌自激理論，結(jié)合現(xiàn)場試驗及復(fù)模態(tài)計算，對鋼軌波磨產(chǎn)生機理進行了研究。Teng等[11]通過二維激光測距儀進行了對鋼軌波磨幾何的精準測量。魏琿等[12]通過組合弦測法提出了一種波磨廣域測量方法，優(yōu)化了波磨測量中的有效波長。徐曉迪[13]基于改進的時頻分析方法，根據(jù)車輛軸箱加速度數(shù)據(jù)對波磨病害進行了精準識別。Hirofumi等[14]使用Logistic模型對波磨增長趨勢進行了描述，并應(yīng)用于針對鋼軌波磨病害的預(yù)防性鋼軌打磨策略的制定中。

基于慣性基準的連續(xù)性測量裝置由于其測量長度長、精度高等特點，近年來較受歡迎，在高速鐵路[15]、城市地鐵[16]得到了廣泛應(yīng)用。而對于小半徑曲線較為普遍的重載鐵路，關(guān)于重載鐵路波磨連續(xù)性跟蹤測試相關(guān)成果較少，大部分測量由于人員條件、現(xiàn)場條件的限制，未能在較長時間內(nèi)開展連續(xù)性測試。對于重載鐵路波磨病害而言，由于其發(fā)展速度較快，過低的測量密度易將波磨演化過程中關(guān)鍵信息遺失，對于指導(dǎo)理論模型及為現(xiàn)場工務(wù)段提供措施建議存在一定的局限性。

基于重載波磨研究不足的現(xiàn)狀，對神朔重載鐵路小半徑曲線地段鋼軌波磨演化過程進行了長達5個月的不間斷測試，相比于傳統(tǒng)的間隔數(shù)月測試方法，測量密度大、次數(shù)多。通過不間斷測試的形式，捕捉小半徑曲線地段重載波磨演化過程中，波磨發(fā)展的不同階段性差異及對應(yīng)的波深、波長特征，為重載鐵路鋼軌波磨研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為更深入研究重載波磨生成、演化機理提供實測依據(jù)。

1 現(xiàn)場基本條件

1.1 線路基本情況

神朔鐵路主要承擔(dān)神府東勝煤田的外運任務(wù)，復(fù)線全線貫通后，運輸能力達1.4億t/年，隨著新型大功率八軸機車[17]的投入使用，年運量基本呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢，至2018年，運量已超過2.6億t/年。隨著運量的增大及速度的提升，神朔鐵路部分地段出現(xiàn)了較為嚴重的鋼軌波磨現(xiàn)象，成為神朔重載鐵路鋼軌傷損的主要形式之一。鋼軌波浪形磨損將加劇惡化軌道其他部件的傷損，如彈條斷裂[18]、剝離掉塊等，極大地增加工務(wù)段養(yǎng)護維修成本，影響運輸安全。

所測區(qū)段為重車線，線路及軌道結(jié)構(gòu)基本參數(shù)見表1。在所測區(qū)段中除了長編組貨運列車外，每日還開行一列通勤客運列車，客運列車速度為70 km/h，貨運列車速度為50 km/h?，F(xiàn)場為了優(yōu)先考慮客運列車的行駛舒適性，實設(shè)超高為105 mm。

表1 線路及軌道結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

1.2 典型病害發(fā)生情況

圖1為曲線內(nèi)外軌傷損情況，由圖1(a)可知，曲線內(nèi)軌表面存在較為明顯的波磨現(xiàn)象，并且在接觸光帶邊界存在明顯的塑性流動紋路；由圖1(b)可知，外軌接觸光帶由于過超高現(xiàn)象，存在向線路中心偏移的趨勢。曲線內(nèi)軌存在明顯以鋼軌波磨為主的病害。由于波磨病害的存在，隨著時間的推移，軌面魚鱗紋、剝離掉塊等病害將明顯惡化，如圖2所示。

圖1 曲線內(nèi)外軌表面狀態(tài)

圖2 剝離掉塊

2 測試內(nèi)容及方法

2.1 測試設(shè)備

本次試驗采用連續(xù)型測量的高精度波磨小車(Corrugation Analysis Trolley， CAT)對試驗段進行了鋼軌走行帶粗糙度的跟蹤測試，現(xiàn)場實測情況如圖3所示。

圖3 CAT軌檢小車測量波磨

現(xiàn)場使用設(shè)備進行鋼軌表面粗糙度測量時，由于人員操作、現(xiàn)場環(huán)境等原因，部分實測數(shù)據(jù)存在異常值。本文使用國際標準BS EN 15610:2009[19]的建議方法，進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，處理內(nèi)容包括異常值處理、缺失值處理、輪徑誤差校正等。

2.2 測試方案

在神朔鐵路開行的百節(jié)編組重載列車碾壓下，小半徑曲線地段波磨病害發(fā)生、發(fā)展極其迅速，若測量周期過長，將丟失波磨發(fā)生、發(fā)展過程中的關(guān)鍵信息。因此，在155 d的完整打磨周期內(nèi)，以每周2～3次的頻率，在圓曲線地段進行波磨測量工作(一周天窗為2～3 d)，單日曲線內(nèi)外軌各測量1次，單次測量長度為100 m。

2.3 評價指標

本次跟蹤試驗主要通過現(xiàn)場測量PPV(移動波深幅值峰峰值，peak-to-peak values)、1/3倍頻程、幅值累積百分比等多個指標，對現(xiàn)場鋼軌表面波磨嚴重程度及演化規(guī)律進行描述，主要評價指標如下。

(1)峰峰值PPV與容許超限率

對于重載波磨幅值僅在鐵運[2006]146號《鐵路線路修理規(guī)則》[20]中進行了定義，但是未提出波磨的各波長對應(yīng)限值，而目前通用的連續(xù)性測量波磨小車數(shù)據(jù)應(yīng)通過濾波分析來保證數(shù)據(jù)的準確性[21]，因此本文使用分波長段峰峰值進行評價。本文使用歐洲鐵路聯(lián)盟制定的波磨測量與評價標準，根據(jù)BS EN 13231—3:2012《鐵路專用標準-軌道-工程驗收：鋼軌打磨、銑磨和刨磨驗收標準》的建議[22]，使用移動波深幅值峰峰平均值PPV作為鋼軌波磨幅值指標。

BS EN 13231—3:2012中采用移動波深幅值峰峰平均值PPV以及固定測量長度內(nèi)的超限比例作為鋼軌表面縱向不平順的評價指標。將與波磨相關(guān)的波長范圍分為10～30 mm，30～100 mm，100～300 mm和300～1 000 mm共4個部分，分別規(guī)定了分析窗長與容許限值，見表2。

表2 歐洲鐵路聯(lián)盟BS EN 13231-3:2012評價標準

(2)1/3倍頻程

對于鋼軌表面粗糙度，本次測試主要依據(jù)BS EN ISO 3095:2013[23]與GB/T 3449—2011[24]規(guī)范的計算方法，使用1/3倍頻程分析方法進行處理，并使用規(guī)范中所限定數(shù)值，與現(xiàn)場實測計算值進行對比。

(3)累積百分比

累積百分比(CDF， Cumulative Distribution Function)依據(jù)歐盟規(guī)范BS EN 13231—3:2012中對于幅值百分比的限值進行比較。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 波磨特征波長演化分析

圖4為所測小半徑曲線地段鋼軌波磨粗糙度分析對比。由圖4(a)可知，打磨后在50 mm波長出現(xiàn)明顯的峰值，在波長大于63 mm部分均低于ISO 3095:2013給定限值要求(圖中綠色粗點劃線)，并且存在明顯的以125 mm為特征波長的峰值。打磨后38 d(約2 500萬t)后，125 mm對應(yīng)波長峰值超過GB/T 5111—2011參考限值(圖中紅色粗點劃線)?？傮w而言，此階段波磨演化較為緩慢且平穩(wěn)。

由圖4(b)可知，打磨后48 d開始現(xiàn)場波磨情況發(fā)展較為迅速，在打磨后64 d，全段粗糙度水平均超過GB/T 5111—2011參考限值，并且轉(zhuǎn)變?yōu)橐?00 mm為特征波長的波磨現(xiàn)象。值得一提的是，在此快速擴展階段，小波長倍頻程能量值增加較為明顯，說明現(xiàn)場開始出現(xiàn)疲勞裂紋與剝離掉塊現(xiàn)象。打磨后120 d開始，波磨整體發(fā)展趨勢明顯放緩，直到測試結(jié)束，整體粗糙度水平增長不明顯，整體波磨情況穩(wěn)定在160 mm波長段。

圖4 曲線內(nèi)軌1/3倍頻程分析結(jié)果

圖5為所測區(qū)段曲線外軌粗糙度測量結(jié)果。

由圖5(a)可知，與內(nèi)軌相同，在打磨過后鋼軌表面殘留了波長為50 mm的殘留磨痕，打磨后3 d，表面粗糙度值提升至較高水平，而在打磨后10 d已經(jīng)降低至較低水平，并且在此后未發(fā)現(xiàn)明顯的特征波段產(chǎn)生情況，但隨著重載車輛的不斷經(jīng)過，整體粗糙度水平增加。

圖5 曲線外軌1/3倍頻程分析結(jié)果

總體而言，外軌粗糙度變化趨勢較為緩和，未見明顯的波磨產(chǎn)生趨勢，粗糙度波峰為打磨過程中殘留的磨痕所致。隨著重載運輸?shù)倪M行，曲線外軌粗糙度在全波長段提升較為均勻。

圖6(a)為第二次進行鋼軌表面波磨消除操作前曲線內(nèi)外軌粗糙度數(shù)值。從圖6(a)可以看出，曲線內(nèi)軌存在較為明顯的鋼軌波磨，并且以160～200 mm波長段為主。在其他波長段，整體粗糙度水平較高，全段均超過本文所取兩規(guī)范中參考限值。式(1)為波磨波長與激發(fā)頻率的關(guān)系

f=v/λ

(1)

式中，λ為波磨波長，根據(jù)測試結(jié)果可知為160～200 mm；v為車輛速度，本測試地段為50 km/h。可知現(xiàn)場對應(yīng)的頻率為69.4～86.8 Hz，與文獻[25]中P2力共振頻率接近。由于目前暫無針對重載鐵路的分波長段波深限值標準[26-27]，因此本文使用《高速鐵路打磨管理辦法》[28]中驗收限值與整治限值進行參考。圖6(b)為100～300 mm波長段峰峰值測量結(jié)果，大部分區(qū)域波磨波深超過150 μm，最大波深達311 μm。

圖6 第二次打磨前鋼軌波磨情況

3.2 波磨波深分布演化規(guī)律

圖7為100～300 mm波長段現(xiàn)場波磨地段幅值累積百分比示意，BS EN 13231—3:2012中對各波長段幅值對應(yīng)的累積百分比限值進行了限值，其中對應(yīng)幅值圖中使用紅色虛線表示，幅值對應(yīng)的百分比限值使用綠色虛線表示。

從圖7(a)可以看出，打磨后40 d內(nèi)，整體幅值發(fā)展趨勢較為緩慢，曲線之間分離不明顯，在打磨后17日超過規(guī)定值。根據(jù)圖7(b)所示，打磨后48 d開始，整體幅值出現(xiàn)明顯上升趨勢。

圖8為100～300 mm波長段超限百分比示意，從圖8可以看出，打磨后17 d開始，整體幅值超限率穩(wěn)步增長，整體增長較快。在打磨后146 d，增長趨勢得到遏制，超限率未明顯發(fā)展。

圖7 曲線內(nèi)軌百分比累積

圖8 限值對應(yīng)累積百分比趨勢

3.3 波磨演化階段

圖9為所測地點160 mm波長段粗糙度隨著運營時間的趨勢對比，從圖9可以看出，現(xiàn)場波磨病害發(fā)展極其迅速。打磨后27 d，160 mm區(qū)段粗糙度數(shù)值超過ISO 3095：2013標準。打磨后40 d，超過國內(nèi)標準GB/T 5111—2011的限值12.4 dB；在打磨后120 d，現(xiàn)場波磨發(fā)展情況趨勢較為緩和，波磨發(fā)展進入第二個平穩(wěn)期。

由圖9可知，打磨后，鋼軌表面粗糙度情況有所上升，這種暫時性粗糙度上升現(xiàn)象，應(yīng)歸結(jié)于打磨車磨輪殘留的磨痕，由于這種殘留磨痕深度較淺，并且重載車輪經(jīng)過時將在磨痕處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，短期內(nèi)表面粗糙度將明顯回落。

圖9 160 mm波長粗糙度級隨時間變化規(guī)律

所測區(qū)間小半徑曲線波磨生成、演化過程可分為3個階段：(1)初期萌生階段；(2)中期快速發(fā)展階段；(3)末期穩(wěn)定階段。在初期穩(wěn)定階段(所測區(qū)段為打磨后1～17 d)特征波段倍頻能量值較小，并且沒有明顯的發(fā)展趨勢；在中期迅速發(fā)展階段(所測區(qū)段為打磨后17～120 d)，粗糙度數(shù)值增長達0.47 dB/d，并且在此期間波磨峰峰值平均值發(fā)展趨勢如圖10所示，從圖10可知，在快速發(fā)展期，峰峰值平均值發(fā)展可達0.43 μm/d；在末期平穩(wěn)期，波磨發(fā)展趨勢明顯放緩，但鋼軌表面?zhèn)麚p情況較為嚴重，導(dǎo)致整體粗糙度水平較高，粗糙度全段超過規(guī)范限值。

圖10 100～300 mm波長段峰峰值平均值變化

根據(jù)以上測量及分析結(jié)果可知，重載鐵路由于軸重大、通過總重大等特性，導(dǎo)致鋼軌波磨病害演化速度較快、周期較短，并且在波磨演化周期內(nèi)存在明顯的階段性特征。伴隨特征波長的變化，在部分變化階段存在如魚鱗紋及剝離掉塊加重等現(xiàn)象。由此可見，整體波磨演化過程較為復(fù)雜，出現(xiàn)如特征波長變化、疲勞傷損惡化等情況，若按常規(guī)數(shù)月為間隔的測量方式，將較難掌握所關(guān)注區(qū)段內(nèi)波磨演化特征，建議重載鐵路鋼軌波磨跟蹤測試中盡量保證測試間隔。

4 結(jié)論

對神朔重載鐵路小半徑曲線地段鋼軌波磨演化過程進行了長達5個月的跟蹤測試，相比于傳統(tǒng)的間隔數(shù)月測試形式，此次試驗測量密度大、頻次多，并且通過此次試驗，捕捉到了重載波磨演化過程中的不同階段差異及波深、波長特征，為重載鐵路鋼軌波磨研究及現(xiàn)場波磨測試打下了基礎(chǔ)，研究結(jié)論如下。

(1)所測區(qū)段存在較為明顯的波磨現(xiàn)象，在波磨現(xiàn)象穩(wěn)定后，波磨波深最大值超過0.3 mm，特征波長為160～200 mm。

(2)通過不間斷測試結(jié)果可知，重載波磨演化過程存在較為明顯的階段性，可分為波磨初期穩(wěn)定期、中期快速發(fā)展期、后期穩(wěn)定期，其中中期快速發(fā)展過程波深及特征波長倍頻能量增加速度較快，特征波長段倍頻能量增長達0.47 dB/d，PPV平均值增長速度為0.43 μm/d，且由于波磨病害的存在，將引發(fā)較為嚴重的剝離掉塊現(xiàn)象。

(3)重載鐵路波磨演化速度較快，波磨演化過程中階段特征較為明顯，且演化過程中伴隨特征波長變化、疲勞傷損惡化等情況，為準確獲取現(xiàn)場波磨演變特征，應(yīng)保證測試間隔。