韋紅亮，練松良，劉 揚(yáng)

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，上海201010）

近年來(lái)，城市軌道交通誘發(fā)的振動(dòng)噪聲問題越來(lái)越明顯，其根源之一在于軌面短波不平順。國(guó)內(nèi)外研究[1]表明，軌面短波不平順雖幅值不大（通常小于2 mm），但會(huì)使輪軌之間產(chǎn)生劇烈沖擊，引起巨大的輪軌沖擊力，進(jìn)一步增大振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致扣件松動(dòng)，危害行車安全等。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從理論分析和試驗(yàn)測(cè)試角度對(duì)軌面短波不平順和軌道交通振動(dòng)噪聲之間的關(guān)系展開研究，Thompson[2-5]、Berggren Eric[6]、Gullers[7]和 Remington[8]、Wei[9]等通過采用建立理論模型，分析了軌面不平順對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)及噪聲、輪軌相互作用及車輛動(dòng)力特性等方面的影響；Hardy[10]、Cordier[11]、劉秀波[12]、Verheijen[13]、Thompson[14]及 Dings等[15]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)鐵路干線輪軌短波不平順特性及其對(duì)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等問題進(jìn)行了研究。由于各地車輛軌道類型、運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)方式等因素的差異，相應(yīng)的軌面短波不平順分布狀況與特性也不同，在開展城市軌道交通減振降噪研究時(shí)，對(duì)城市軌道交通軌面短波不平順的分布規(guī)律和平順度進(jìn)行調(diào)查分析是十分必要的。

本文通過對(duì)上海城市軌道交通和部分提速線路的軌面短波不平順進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，在對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了軌面短波不平順的幅值分布特性，并進(jìn)行了平順度評(píng)價(jià)，為城市軌道交通的減振降噪提供數(shù)據(jù)支持和參考。

1 測(cè)試概況

為對(duì)城市軌道交通軌面平順度進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文采用SEC-RC鋼軌電子平直儀對(duì)上海城市軌道交通部分線路及我國(guó)部分提速線路的軌面短波不平順進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析，該儀器為德國(guó)施密特鋼軌技術(shù)有限公司所生產(chǎn)，采樣間隔為每米200個(gè)測(cè)量點(diǎn)，數(shù)據(jù)來(lái)源及樣本數(shù)如表1所示，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及軌面短波不平順數(shù)據(jù)樣本如圖1和圖2所示，測(cè)試區(qū)段線路狀況見表2。

圖1 軌面平順度測(cè)試圖Fig.1 Test of rail surface irregularity

表1 軌面不平順樣本分布及數(shù)量Tab.1 Number and distribution of rail surface irregularity

圖2 軌面短波不平順數(shù)據(jù)樣本Fig.2 Data sample of rail surface short-wave irregularity

表2 測(cè)試區(qū)段線路狀況Tab.2 Line condition of test line sections

2 平穩(wěn)性檢驗(yàn)

隨機(jī)信號(hào)的平穩(wěn)性檢驗(yàn)是信號(hào)檢驗(yàn)中最重要的一種。目的是檢查被測(cè)隨機(jī)信號(hào)是否屬于平穩(wěn)隨機(jī)過程，因?yàn)闇y(cè)試數(shù)據(jù)滿足平穩(wěn)性與否直接影響到相應(yīng)的分析方法。檢驗(yàn)方法是通過檢驗(yàn)信號(hào)的基本物理因素是否隨時(shí)間變化，若不變，則滿足平穩(wěn)性假設(shè)，最常用的平穩(wěn)性檢驗(yàn)方法[16]有輪次檢驗(yàn)和逆序檢驗(yàn)。

在軌面短波不平順測(cè)量的過程當(dāng)中，由于鋼軌頂面并非絕對(duì)水平，且測(cè)量?jī)x器選擇的基準(zhǔn)線在測(cè)區(qū)軌面不平順最大值處，所以測(cè)量的結(jié)果包含鋼軌本身和測(cè)量基線所引起的線性趨勢(shì)項(xiàng)，因此在數(shù)據(jù)分析和平穩(wěn)性檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)首先消除測(cè)量數(shù)據(jù)中的線性趨勢(shì)項(xiàng)。文中利用最小二乘法[17]消除測(cè)量數(shù)據(jù)中的線性趨勢(shì)項(xiàng)，然后分別采用輪次檢驗(yàn)法和逆序檢驗(yàn)法對(duì)測(cè)量結(jié)果做平穩(wěn)性檢驗(yàn)，平穩(wěn)性檢驗(yàn)的顯著性水平設(shè)定0.05，分析結(jié)果如表3所示。

表3表明，采用輪次檢驗(yàn)法對(duì)軌面短波不平順樣本進(jìn)行檢驗(yàn)的通過率小于逆序檢驗(yàn)法，軌道交通1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線、滬昆線和滬寧線的平穩(wěn)性檢驗(yàn)通過率最低分別為94.3%，96.4%，86.0%，72.7%和78.6%，說(shuō)明將樣本中的趨勢(shì)項(xiàng)消除后，軌面短波不平順總體上滿足顯著性水平為0.05的平穩(wěn)性檢驗(yàn)要求，即軌面不平順總體上為平穩(wěn)信號(hào)。

3 軌面平順度評(píng)價(jià)

3.1 幅值統(tǒng)計(jì)

對(duì)各線路焊接接頭區(qū)和非接頭區(qū)的軌面短波不平順最大幅值采用概率統(tǒng)計(jì)方法作頻率統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表4所示。對(duì)于焊接接頭區(qū)軌面短波不平順幅值而言，軌道交通1號(hào)線的最大幅值在0.3～2.0 mm范圍內(nèi)分布比較均勻，軌道交通2號(hào)線最大幅值主要分布在0.3～0.6 mm范圍內(nèi)，軌道交通3號(hào)線、滬昆線和滬寧線最大幅值主要分布在0.6～1.0 mm、1.0～1.5 mm和0.3～0.6 mm范圍內(nèi)；對(duì)于非接頭區(qū)軌面短波不平順幅值而言，軌道交通3號(hào)線、滬昆線和滬寧線最大幅值主要分布在0.1～0.3 mm、0.1～0.3 mm和0～0.1 mm的范圍內(nèi)，說(shuō)明城市軌道交通軌面短波不平順在幅值上總體大于提速線路，焊接接頭區(qū)的軌面短波不平順幅值大于非接頭區(qū)，100 m焊接長(zhǎng)鋼軌軌面不平順的最大順幅值無(wú)論在焊接接頭區(qū)還是在非接頭區(qū)均小于25 m標(biāo)準(zhǔn)焊接鋼軌。

表4 軌面不平順幅值頻率統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Frequency statistics of amplitude of rail irregularity

3.2 軌面平順度評(píng)價(jià)分析

目前我國(guó)尚未出現(xiàn)針對(duì)城市軌道交通車輪踏面和軌面平順度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上也主采用BS EN ISO3095標(biāo)準(zhǔn)[18]對(duì)輪軌短波平順度進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文采用該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軌道交通軌面平順度進(jìn)行評(píng)價(jià)，其計(jì)算式為L(zhǎng)r=20log(r/r0)。式中：Lr為軌面平順度，dB；r為軌面短波不平順的均方根值（RMS），μm；r0為參考不平順幅值，r0=1 μm 。

對(duì)焊接接頭區(qū)和非接頭區(qū)的軌面短波不平順分別進(jìn)行軌面平順度評(píng)價(jià)，然后求取其平均值并與ISO3095限值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3～4所示，圖中橫坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

圖3表明，不論是城市軌道交通還是提速線路，焊接接頭區(qū)的軌面平順度在整個(gè)分析波長(zhǎng)范圍內(nèi)均不同程度大于ISO3095所規(guī)定的限值，在對(duì)輪軌力產(chǎn)生較大影響的波長(zhǎng)范圍內(nèi)（0.1～1.0 m），軌道交通1號(hào)線、2號(hào)線和3號(hào)線及滬寧線和滬昆線分別較ISO3095限值高出25.3，21.7，22.2，17.8，10.2 dB，說(shuō)明城市軌道交通焊接接頭區(qū)的軌面不平狀態(tài)要差于提速線路。

圖3 焊接接頭區(qū)軌面平順度對(duì)比圖Fig.3 Contrast of rail regularity in joint area

圖4 非接頭區(qū)軌面平順度對(duì)比圖Fig.4 Contrast of rail regularity in non-joint area

圖4表明，在0.04～1 m的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，城市軌道交通3號(hào)線接頭區(qū)的軌面平順度大于ISO3095所規(guī)定的限值，在0.16 m的波長(zhǎng)上兩者差值為10.8 dB，而提速線路非接頭區(qū)的軌面平順度總體上優(yōu)于ISO所規(guī)定的限值，滬寧線和滬昆線分別在0.2，0.32 m波長(zhǎng)上與ISO限值的差值達(dá)到最大，分別為-4.2和-8.3 dB，也說(shuō)明城市軌道交通非接頭區(qū)的軌面不平狀態(tài)也差于提速線路，提速線路非接頭區(qū)的軌面平順度在5～100 cm波長(zhǎng)范圍內(nèi)滿足ISO3095的要求。城市軌道交通非接頭區(qū)軌面平順度狀態(tài)劣于提速線路，除了養(yǎng)護(hù)維修方式有關(guān)外，可能還受到因車輛頻繁加減速而導(dǎo)致更為嚴(yán)重輪軌相互作用的影響。

為分析同一線路上軌面不平順的分布狀況，將軌道交通3號(hào)線、滬寧線和滬昆線的焊接接頭區(qū)與非接頭的軌面平順度分別進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5～7所示。圖5～7表明（橫坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)），在0.04～1 m的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，不論是城市軌道交通3號(hào)線，還是提速線路滬寧線和滬昆線，接頭區(qū)軌面平順度均大于非接頭區(qū)，兩者差值范圍分別為3.1～16.6 dB、13.6～19.7 dB和8.2～16.4 dB，說(shuō)明相同線路條件下，接頭區(qū)的軌面狀態(tài)要差于非接頭區(qū)，主要原因是由于接頭區(qū)鋼軌在材質(zhì)性能等方面存在著較大的差異，在反復(fù)輪軌作用力下，常常在焊接接頭處及其附近軌頂面出現(xiàn)不均勻的磨耗，而非接頭區(qū)軌面不平順的產(chǎn)生主要是由于軌面被機(jī)車車輛的車輪擦傷、滑行、及不圓順車輪的沖擊引起。

對(duì)于軌面平順度大于ISO3095限值的線路區(qū)段，建議管理部門對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)與噪聲評(píng)估，以確定是否需要采取養(yǎng)護(hù)措施。目前，針對(duì)城市軌道交通軌面短波不平順控制方面我國(guó)尚無(wú)相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，針對(duì)城市軌道短波不平順與輪軌振動(dòng)噪聲的之間的關(guān)系開展定量研究十分必要，以為工程處理提供依據(jù)。

圖5 軌道交通3號(hào)線軌面平順度對(duì)比圖Fig.5 Contrast of rail regularity of Metro Line 3

圖6 滬寧線軌面平順度對(duì)比圖Fig.6 Contrast of rail regularity in Huning Line

圖7 滬昆線軌面平順度對(duì)比圖Fig.7 Contrast of rail regularity in Hukun Line

4 結(jié)論與建議

通過對(duì)城市軌道交通軌面短波不平順進(jìn)行測(cè)試分析，可以得出以下結(jié)論：

1）將樣本中的趨勢(shì)項(xiàng)消除后，軌面短波不平順總體上滿足顯著性水平為0.05的平穩(wěn)性檢驗(yàn)要求；

2）城市軌道交通軌面短波不平順在幅值上總體大于提速線路，焊接接頭區(qū)的軌面短波不平順幅值大于非接頭區(qū)；

3）軌道交通1號(hào)線、2號(hào)線和3號(hào)線及滬寧線和滬昆線焊接接頭區(qū)的軌面平順度分別較ISO3095限值高出25.3，21.7，22.2，17.8，10.2 dB，軌道交通3號(hào)線、滬寧線及滬昆線非接頭區(qū)的軌面平順度與ISO限值的差值分別為10.8，-4.2，-8.3 dB，城市軌道交通的軌面不平狀態(tài)總體上要劣于提速線路；

4）相同線路條件下，焊接接頭區(qū)的軌面平順狀態(tài)要差于非接頭區(qū)。

建議進(jìn)一步對(duì)城市軌道交通、提速線路與客運(yùn)專線的軌面短波不平順進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)查，尤其是開展針對(duì)城市軌道軌面不平順與輪軌動(dòng)力響應(yīng)之間影響關(guān)系的定量研究，以為后續(xù)的減振降噪研究提供必要的數(shù)據(jù)支持。

[1]上海鐵路局，同濟(jì)大學(xué).提速線路鋼軌短波不平順軌道動(dòng)力學(xué)分析及打磨技術(shù)研究[R].上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.

[2]THOMPSON D J.Train noise and vibration（Mechanisms，Modelling and Means of Control）[M].Oxford：Elsevier Science Publisher，2009：127-174.

[3]THOMPSON D J.The influence of the contact zone on the excitation of wheel/rail noise[J].Journal of Sound and Vibration，2003，267：523-535.

[4]THOMPSON D J AND REMINGTON P J.The effects of transverse profile on the excitation of wheel/rail noise[J].Journal of Sound and Vibration，2000，231：537-548.

[5]WU T X，THOMPSON D J.Theoretical investigation of wheel/rail non-linear interaction due to roughness excitation[J].Vehicle System Dynamics 2000，34（4）：261-282.

[6]BERGGREN ERIC G，MARTIN X D，SPANNAR LI JAN.A new approach to the analysis and presentation of vertical track geometry quality and rail roughness[J].Wear，2008，265：1488-1496.

[7]GULLERS P，ANDERSSON L，LUNDéN R.High-frequency vertical wheel-rail contact forces-field measurements and influence of track irregularities[J].Wear，2008，265：1472-1478.

[8] Remington P J，Webb J.Estimation of wheel/rail interaction forces in the contact area due to roughness[J].Journal of Sound and Vibration，1996，193（1）：83-102.

[9]WEI H L，LIAN S L.Analysis of Dynamic Characteristic of Train caused by Rail Head Roughness in Speed-Increase Line[C]//.International Conference on Railway Engineering，Beijing，Science Press，2010：185-189.

[10] HARDY A E J，JONES R R K.The influence of real-world rail head roughness on railway noise prediction[J].Journal of Sound and Vibration，2006 ，293：965-974.

[11]CORDIER J F，F(xiàn)ODIMAN P.Experimental characterization of wheel and rail surface roughness[J].Journal of Sound and Vibration 2000，231（3）：667-672.

[12]劉秀波，吳衛(wèi)新.鋼軌焊接接頭短波不平順功率譜分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2000，21（2）：26-34.

[13]VERHEIJEN E.Asurvey on roughness measurements[J].Journal of Sound and Vibration，2006，293：784-794.

[14]THOMPSON D J.On the relationship between wheel and rail surface roughness and rolling noise[J].Journal of Sound and Vibration，1996，193（1）：149-160.

[15]DINGS P C，DITTRICH M G.Roughness on dutch railway wheels and rails[J].Journal of Sound and Vibration 1996，193（1）：103-112.

[16]張樹京，齊立心.時(shí)間序列分析簡(jiǎn)明教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003：1-5.

[17]王廣斌，劉義倫，金曉宏，等.基于最小二乘原理的趨勢(shì)項(xiàng)處理及其MATLAB的實(shí)現(xiàn)[J].分析研究，2005（5）：4-8.

[18]European Committee for Standardization.BS EN ISO3095：2005.Railway applications-acoustics-measurement of noise emitted by rail bound vehicles[S].London：Standards Policy and Strategy Committee，2005.