上海轨道交通2号线钢轨波磨分布及其打磨作业效果分析

2014-03-24 01:19姚湘静
城市轨道交通研究 2014年8期
关键词:波磨粗糙度钢轨

姚湘静

(上海地铁维护保障有限公司,200233,上海∥工程师)

上海轨道交通2号线钢轨波磨分布及其打磨作业效果分析

姚湘静

(上海地铁维护保障有限公司,200233,上海∥工程师)

钢轨波磨已经成为影响城市轨道交通钢轨使用寿命、降低行车平稳性和舒适性的重要因素之一。以上海轨道交通2号线钢轨波磨的调查数据为基础,提取其波长、波幅等特征参数,并根据钢轨打磨前后的波磨数据特征,分析钢轨打磨措施的有效性。同时,结合其中存在的问题,提出了优化方案。钢轨打磨是经济、有效地改善钢轨波磨的措施之一。但打磨策略对打磨效果及其维持时间有一定的影响,尚需结合轨道交通钢轨波磨特点在理论分析和实践特征的基础上进一步深化。

城市轨道交通;钢轨;波磨;打磨

Author'saddressShanghai Metro Maintenance and Guarantee Ltd.,Group,200233,Shanghai,China

钢轨作为轨道结构中主要承载部件之一,直接承受着来自列车的重复性、周期性和随机性的荷载作用。这种荷载由于轨道结构多样性以及线路中小半径曲线较多的影响,显得更为复杂和多变,因而钢轨(特别是轨头运行表面)不可避免地会出现各种伤损。钢轨波磨就是典型伤损类型之一。

在20世纪90年代中期,钢轨波磨即出现在北美的芝加哥、马里兰、华盛顿都市区、旧金山湾区及萨克拉门托等城市[1]的轨道交通系统中,此后在东京地铁[2]、西班牙毕尔巴鄂地铁[3]、巴黎RER[4]以及国内的北京、广州、南京、上海等地铁[5-8]中也先后出现。有大量学者对此做了具体的调研和分析,并提出了一些具体的解决措施[9-13],取得了一定的效果。但因轨道交通系统各部件性能的差异及行车条件的差别等均导致了钢轨波磨形成条件的复杂性。

上海轨道交通2号线部分地段为改善曲线行车条件而采用了先锋扣件,但在此段范围内却出现较严重的钢轨波磨。为此,本文结合上海轨道交通2号线典型地段钢轨波磨问题,开展波磨特征调研及打磨作业,分析钢轨波磨的波长、波幅等特征参数及打磨效果,以期为国内同类问题的解决提供参考。

1 上海轨道交通2号线钢轨波磨的现场调研

1.1 观测地点

为深入考察钢轨波磨的变化趋势与特征,在上海轨道交通2号线上选取了一段曲线进行定期观测,以考察钢轨波磨的变化情况。观测段的线路条件如表1所示。

按观测计划,分别在2013年3月1日、5月16日及11月29日进行了观测段的钢轨波磨检测任务;同时,利用钢轨型面仪,选取典型断面测量了钢轨型面。采用的检测仪器如图1所示。其中,2013年4月25日对该曲线地段钢轨实施了打磨作业。

表1 观测段线路条件

图1 检测设备

1.2 检测内容

钢轨打磨前测量钢轨波磨,得到圆曲线段内、外轨各29组轨面不平顺数据,缓和曲线段内、外轨各23组数据,共计104组数据(均为有效数据)。钢轨打磨后测量钢轨波磨,得到内轨49组数据,外轨53组数据,共102组数据(均有效)。同步同范围内测量钢轨打磨前后的钢轨型面,共测得曲线段内、外轨各44个型面,缓和曲线段内、外轨各9个型面,总计108个型面(均为有效型面)。

钢轨波磨检测的典型数据如图2所示。

图2 钢轨波磨检测

2 钢轨波磨的数据分析

2.1 数据分析方法

首先,完成钢轨型面测量数据的分析,获取典型截面的磨耗数据;然后,对于测试得到的不平顺幅值,统计每一米的正、负峰值及峰峰值,以获取测试范围内钢轨波磨的幅值情况。利用功率谱和三分之一倍频的处理方法,以获得测试数据在频域上的特征,即波长和粗糙度水平。

2.1.1 功率谱分析

采用周期图法将每一米幅值转化为频域数据。周期图法是把随机序列x(n)的N个观测数据视为一个有限的样本序列,直接计算x(n)的离散傅里叶变换,得到X(k);然后再取其幅值的平方,除以N,作为序列x(n)真实功率谱的估计。周期图谱估计公式为:

对于空间长度上的数据,频域转换后得到的频率单位为1/m,因此对主要频率取倒数即得到原始幅值中包含的主要波长。

2.1.2 三分之一倍频

三分之一倍频分析对每一段波形按三分之一倍频程滤波,分别计算每段频率范围内的轨面不平顺幅值均方根;再将此均方根作为这一频率段内的粗糙度,由不同频率段的粗糙度得到粗糙度曲线。计算测量长度L范围内的轨面不平顺粗糙度公式为:

式中:

RMS——均方根值,即三分之一倍频;

x——连续采样时各采样点幅值,mm;

L——连续采样时的计算长度,mm;

y——离散采样时,采样点的幅值,mm;

N——离散采样时,计算长度内采样点数量。

将实测的粗糙度曲线与标准曲线(见图3)进行对比,可反映出线路在不同频率段的磨损程度。

图3 ISO-3095:2005(E)轨面粗糙度标准限值

2.2 测试结果分析

2.2.1 钢轨型面数据分析

钢轨打磨前后的型面如图4所示。钢轨磨耗数据的分布如图5所示。

2.2.2 钢轨打磨前后波磨幅值比较

经过测试得到同一测试范围的2次不同数据,并对数据进行处理。统计打磨前后测试各自幅值的最大、最小值和平均值,如表2所示。为分析打磨效果,计算打磨后表中每一项相对于打磨前的减少量,如表3所示。

由表3可见,打磨后轨面不平顺幅值的负峰值及峰峰差显著减少了将近50%,对正峰值均值的减小也有明显作用。而打磨对正峰值最大值的减小并没有非常大的效果。

图4 打磨前后钢轨型面

图5 曲线钢轨磨耗的分布

表2 打磨前后钢轨波磨幅值统计量mm

表3 打磨后钢轨波磨幅值减少量%

2.2.3 钢轨打磨前后波磨波长比较

将每一米测试数据进行功率谱分析,得到其显著波长。钢轨波磨功率谱分析的典型结果如图6所示。钢轨打磨前后的钢轨表面不平顺波长统计图如图7所示。

图7 打磨前后主要波长频率对比图

由图7可以看出,打磨前的波长主要为213 mm、160 mm、58 mm和64 mm等;打磨后有一半数据显示无主要波长,其余数据的主要波长绝大多数大于200 mm。说明打磨可在一段时间内消除短波波磨。

2.2.4 钢轨打磨前后波磨的三分之一倍频比较

用三分之一倍频处理不平顺数据,将得到的粗糙度按打磨前后分别求平均值,得到打磨前后粗糙度随波长的变化曲线,如图8所示。通过与标准值的比较,可见打磨后的粗糙度较打磨前有显著降低,且基本接近标准值。打磨前粗糙度在波长200 mm与60 mm处形成2个突峰,在打磨以后突峰有所下降,但仍然比其他波长处的粗糙度明显。因此认为打磨可以降低轨面整体粗糙度,但对于原先较为显著的波长不能完全消除。

图8 钢轨打磨前后三分之一倍频对比图

3 结语

调查数据分析表明:

(1)钢轨波磨的波长(打磨前)主要为213 mm、160 mm、58 mm和64 mm等;

(2)采取打磨措施后,钢轨波磨的负峰值和峰峰差均减少了近50%,正峰值的减小也有显著作用。

(3)采取打磨措施后,钢轨波磨的三分之一倍频显著降低,并趋近ISO-3095:2005(E)所规定的标准限值。

上述结论证明了钢轨打磨是经济、有效地改善钢轨波磨的措施之一。但是,打磨策略(如打磨时机、打磨程度、钢轨目标型面等)对打磨效果及其维持时间有一定的影响,尚需结合轨道交通钢轨波磨特点,在理论分析和实践探索的基础上进一步深化。

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中国南车集团出口印度地铁列车投入运营

近日,印度孟买首条地铁线路开通运营。线路使用的宽体大运量地铁列车由中国南车集团研制。2008年5月,中国南车集团南京浦镇车辆有限公司在国际投标中夺得孟买18列108辆宽体车辆订单。此后,中国南车集团又先后获得印度新德里古尔冈线、古尔冈南延线两条线路的地铁车辆合同。据介绍,孟买地铁1号线地铁列车车体采用不锈钢制作,列车单节长22 m、宽3.2 m、高3.8 m。列车采用4节小编组方式,单节额定载客375人,整列载客1 500人。列车最高运行时速可达80 km。

(摘自2014年7月17日《人民铁道》报,杨建光、王绍礼报道)

Distribution of Rail Corrugation and Effectiveness of Rail Grinding on Shanghai Metro Line 2

Yao Xiangjing

Rail corrugation has been one of the main factors that influence the rail service life,degrade the stability and comfort of train operation.In this paper,based on an investigation of rail corrugation data on Shanghai metro Line 2,the typical parameters of rail corrugation,such as the wavelength and amplitude are analyzed.Combined with the existing problems,an optimum scheme is proposed,which holds that rail extension grinding is an effective measurement to change the characteristics of rail corrugation,at the same time it will influence the time of maintenance and needs to be further improved based on analysis and practice on rail grinding works.

urban rail transit;rail;corrugation;rail grinding

U 213.4+2

2014-01-10)

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