机 第 54 卷第 4 期 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 2018 年 2 月 Vo l . 5 4 No.4 Feb. 2018 DOI：10.3901/JME.2018.04.064 北京地铁 DTVI2扣件钢轨波磨整治措施的试验研究 陈嘉梁 1 刘维宁 1 刘卫丰 1 冯奇境 2 张厚贵 3 (1. 北京交通大学土木建筑工程学院 北京 100044； 2. 深圳希伦斯轨道交通科技有限公司 深圳 518054； 3. 北京市劳动保护科学研究所 北京 100054) 摘要：DTVI2 扣件是目前北京地铁最常用的一种扣件型式，并在长期的使用中保持了良好的稳定性。然而，在新运营线路上 采用 DTVI2 扣件的区段却出现了钢轨波磨问题。针对该问题，提出在钢轨上安装调频式钢轨阻尼器(Tuned tail damper， TRD) 的治理措施，并在北京地铁 6 号线某区段进行了现场试验研究。对 DTVI2 扣件轨道安装 TRD 区段与未安装 TRD 区段进行对 比试验，测试了钢轨的频响函数和振动衰减率，并对钢轨走形带粗糙度进行了为期 456 天的跟踪监测。试验结果表明：安装 TRD 可以改变钢轨频率响应动力特性，消除竖向 209 Hz 及横向 845 Hz 等多处共振峰，竖向与横向一阶 pinned-pinned 共振 响应幅值分别下降 23%与 25%；安装 TRD 显著提高了轨道系统 200～5 000 Hz 频段阻尼，钢轨竖向振动衰减率最大提升约 16 倍(315 Hz)，钢轨横向振动衰减率最大提升约 8 倍(160 Hz)；DTVI2 扣件钢轨波磨典型波长为 25～80 mm，跟踪监测结束 时未安装 TRD 区段钢轨表面粗糙度级最大超出 ISO3095 限值达 17 dB 左右(50 mm)，而安装 TRD 区段无显著钢轨波磨，安 装 TRD 可以有效抑制 DTVI2 扣件钢轨波磨的发展。 关键词：地铁；DTVI2 扣件；波磨；调频式钢轨阻尼器 中图分类号：U211 Demonstration Test on Treatment Solution Against Rail Corrugation Occurs at DTVI2 Fastener Track Sections in Beijing Metro CHEN Jialiang1 LIU Weining1 LIU Weifeng1 FENG Qijing2 ZHANG Hougui3 (1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044; 2. Shenzhen Silens Rail Transportation Technology Co. Ltd., Shenzhen 518054; 3. Beijing Municipal Institute of Labour Protection, Beijing 100054) Abstract：DTVI2 fastener is the most common used fastening system in Beijing Metro, and demonstrated as a stable system by long term usage. However, unexpected rail corrugation occurs on DTVI2 fasteners sections in a new open metro line. In order to provide a treatment solution for this unexpected problem, tuned rail damper (‘TRD’ for short) is proposed to suppress the growth of rail corrugation by installing. The demonstration test track is conducted in a section of Beijing Metro Line 6, which is suffering serious rail corrugation. TRDs are mounted at both sides of rail in the test track section, while the rail remained the original state in the control section. A measurement campaign is conducted to compare the direct rail frequency response prosperities and the decay rate of track for both sections. The results indicate that the dynamic properties of DTVI2 fastener track are optimized by TRD. For one side, some resonant peaks (such as the vertical resonant peak at 209 Hz and the transverse peak at 845Hz etc.) are removed and the vertical/transverse first-order pinned-pinned resonance response amplitudes are decreased by 23%/25% shown on the frequency response curves. For the other side, the damping characteristics are significantly improved at 200～5 000 Hz. The vertical decay rate curve achieves the maximum growth of 16 times at 315 Hz, and the transverse one is 8 times at 160Hz. In addition, the growth of rail roughness was also traced for a period of more than 456 days after the installation. The monitoring data shows that the corrugation is already serious in the control section and the typical wavelengths of the corrugation are 25～80 mm. However, the rails basically remain ‘silent’ in the test track section. Therefore, TRD is demonstrated as an effective solution for suppressing the growth of such rail corrugation occurs at DTVI2 fastener track sections. Key words：metro；DTVI2 fastener；rail corrugation；tuned rail damper* 20170612 收到初稿，20171220 收到修改稿 月 2018 年 2 月 陈嘉梁等：北京地铁 DTVI2 扣件钢轨波磨整治措施的试验研究 0 前言 目前，我国城市轨道交通正处于一个快速发展 的阶段。地铁大规模建设的同时，已开通运营线路 的养护维修也面临新的问题，例如钢轨波磨、弹条 断裂、车辆晃动、接触网不均匀磨耗等。这一方面 加大了养护维修的工作量，另一方面也影响着行车 安全与乘客舒适性。其中，北京地铁某些曲线甚至 直线段出现的不同程度的钢轨波磨备受关注[1]，异 常钢轨波磨的治理也成为研究热点。 近年来，国内外学者对钢轨波磨进行了大量研 究并取得丰硕成果，针对不同成因的波磨整治措施 已较为丰富，主要包括改变钢轨物理特性，如钢轨 表面摩擦因数、钢轨硬度[2]，调整轨下支撑刚度或 阻尼[3-4]，改善行车条件[5]等。其中，刘卫丰等对北 京地铁采用剪切型扣件的钢轨波磨机理和整治措施 进行了研究，并取得良好的波磨治理效果[3,6]。但目 前对于采用 DTVI2 扣件的普通整体道床轨道发生钢 轨波磨问题的研究相对较少。 DTVI2 扣件在地铁轨道中铺设比例高，在此扣件 区段出现的钢轨波磨会恶化轮轨关系并增加养护维 修的工作量[7-8]。据统计，北京地铁 6 号线普通整体 道床铺设 DTVI2 扣件发生钢轨波磨的区段占全线波 磨总长度的 53.85%，其中 21.32%发生在半径大于 1 000 m 的曲线段或直线段。这类波磨通常表现为塑 性流动状波磨，波谷存在明显剥离掉块和表面擦伤， 波谷边缘的挤出现象明显，出现飞边和压溃(图 1)， 波磨控制波长范围一般为 25～80 mm，为短波波磨。 图1 地铁 DTVI2 扣件区段钢轨波磨 刘维宁等[1]对北京地铁 5 号线 DTVI2 扣件进行 的钢轨模态测试表明，在大于 280 Hz 频段该扣件轨 道竖向、横向阻尼比均较低(约 2%)。换言之，列车 运行产生的大于 280 Hz 频段的振动无法通过扣件 系统良好衰减。而调频式钢轨阻尼器(TRD)，能有 65 效提高钢轨一定频率范围的振动衰减能力，并抑制 列车运行过程中某些频段的钢轨振动能量，这为抑 制钢轨波磨发展提供了一种可能[9-11]。已有工程案 例表明，TRD 能有效优化剪切型减振器扣件轨道阻 尼等动力特性，从而抑制其钢轨波磨的发展[12-13]。 结合 DTVI2 扣件区段钢轨波磨的特点与上述研究 成果，本文提出采用 TRD 治理北京地铁 DTVI2 扣 件区段钢轨波磨的方法，并开展了线上试验段试验 研究。 1 线上试验段 为验证 TRD 对 DTVI2 扣件钢轨波磨的治理效 果，在北京地铁 6 号线某区间选取连续的两段 DTVI2 扣件轨道为试验段：一段为 TRD 安装段，另 一段为未安装 TRD 的对比段。所选安装段在对比段 之后(沿行车方向)，两段的列车运行时速均为 85 km/h，匀速通过；两段的线路条件相同，处于同一 大半径曲线段(R=2 000 m)，在 TRD 安装之前，两 段的钢轨均发生较为严重的钢轨波磨(图 1)。 试验段安装的 TRD 由具有高阻尼损失系数的 弹性体(橡胶或类似橡胶材料)和在弹性体内按确定 的几何和物理特性要求设置的质量体(谐振部件)组 成。弹性体与质量体一起构成了一个阻尼性质量－ 弹簧减振系统，它可以在特定频段内提高轨道系统 的阻尼，降低钢轨振动的平均能量水平，抑制轮轨 相互作用能量在钢轨上的传播。TRD 通过特制的弹 性金属卡夹紧密贴合地安装在钢轨两侧的轨腰上， 如图 2 所示。 图2 调频式钢轨阻尼吸振器(TRD)横剖面