CN107761480A - 一种减少钢轨波浪磨耗的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减少钢轨波浪磨耗的方法，所述钢轨由轨枕支撑，并由扣件将其扣压固定在轨枕上；所述钢轨轨道对车轮进行导向，所述钢轨与车轮相互作用形成轮轨系统；所述减少钢轨波浪磨耗的方法为降低轮轨柔度差及钢轨振动，特别是轮轨系统横向；通过本发明所提供的减小钢轨波浪磨耗的方法，可减小振动噪声、改善钢轨波浪磨耗，从而改善轮轨关系，减小轮轨振动和噪声，延长钢轨与车轮的使用寿命，并提高轨道扣件的有效性，最终提高行车安全。

Description

一种减少钢轨波浪磨耗的方法
技术领域
本发明涉及铁路轨道保护技术领域，尤其涉及一种减少钢轨波浪磨耗的方法。
背景技术
城市轨道交通引发的钢轨异常波浪形磨耗不仅直接产生轨道及环境剧烈振动和噪声环保问题，而且恶化轮轨动态稳定导致零部件失效危及行车安全，也大大地降低了钢轨及车轮等使用寿命及增加了日常的维修工作量，同时也直接影响轨道交通运输效率。
钢轨波浪磨耗形成和发展机理十分复杂，自上个世纪70年代以来，国内外大量的学者及研究者长期从事这方面的研究，寻求波浪磨耗产生机理和发展的规律及防治措施，进行了大量的理论研究及实验研究，但因车辆及轨道相互作用影响因素繁多，车辆车轮及转向架系统和轨道系统的动态特性、轮轨材料特性及滚动接触条件，车辆运行特征激励及轮轨表面初始不平顺粗糙度等的复杂性，使得钢轨波浪磨耗的产生和发展原因及控制研究变的非常困难，人们对其产生的原因及控制手段仍然没能完全给出一致的解释和有效的解决办法。
由于轨道系统的规则的不连续支承及车辆运行固定的运行速度,系统本身的固有特性是条件钢轨波浪磨耗的产生和发展原因之一，寻找轮轨系统相互作用及响应等固有特性是解决问题的关键。
有鉴于此，提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减少钢轨波浪磨耗的方法，以解决上述问题。
本发明研究发现轮轨柔度差变和钢轨不连续支承及轨道支承刚度变化是短波长钢轨波浪磨耗形成的主要原因之一。这种轮轨柔度差机理在垂直方向(如图1所示)表现为“波动接触”，由于车轮沿钢轨滚动时作用点的位置不同及轮轨柔度差的存在，轮轨之间的相互作用及接触产生一个非稳态动态作用力，在非稳态动态垂向轮轨相互作用力的激励下，也包含轮轨各自粗糙度等不平顺激励，在大于一定的某频率时(例如p-p频率)，在垂直方向钢轨的振动位移大于车轮的振动位移，从而使钢轨和车轮之间产生“接触-分离-碰撞-接触”的非稳态滚动。如果在某频率的相互差别很大及在固定的运行车速和轨道条件下，这种“接触-分离-碰撞-接触”使轮轨相互作用力形成周期性波动，使车轮沿钢轨滚动方向在轮轨表面形成波长固定的变化痕迹；这种轮轨柔度差机理在横向(如图2所示)表现为“波动滑动”，当车轮沿钢轨滚动时，车轮和钢轨接触表面除了沿轨道纵向滚动及纵向滑动外,由于轮轨接触踏面的斜度设计，轮轨接触面之间的横向滑动不可避免，另外横向轮轨各自动态柔度同样存在柔度差，特别在p-p频率段及沿钢轨纵向的柔度变化(如图4所示)，在横向周期性相对振动位移差导致轮轨接触面相互滑动摩擦磨损，当车速固定时，这种钢轨横向振动及垂向分量导致的接触力波动及横向交变滑动，由于车轮柔度、钢轨柔度及两者的差和柔度差沿纵向的变化，同时轮轨接触力沿钢轨纵向的变化，使钢轨表面磨损大小将沿钢轨纵向呈现驻波型磨痕，如图3所示车轮柔度，钢轨柔度及其两者差别在半个支承间距的幅值变化，实际中由于轮轨之间的赫兹接触面呈椭圆形及车辆运行踏面带宽，横向振动滑动磨损呈现一定宽度的宽带状。
本发明同时研究比较了弯道线路不同轨道支承系统在车辆运行条件下钢轨横向动态位移、振动水平及钢轨表面粗糙度的变化，对两种不同轨道支承系统的钢轨波浪磨耗进行长周期的测试跟踪，充分了解钢轨波浪磨耗与轨道支承刚度特别是横向刚度的关系。通过对两种等效垂向隔振效果但不同横向刚度的中等减振扣件系统克隆蛋轨道减振器和双层非线性减振扣件安装在同一曲线半径350米的线路在线试验，对不同时间间隔轨道线路上钢轨粗糙度的发展在进行分析比较，实际测试结果表明降低轮轨横向柔度差变及控制钢轨横向振动尤其在曲线地段是有效抑制减振轨道系统钢轨波浪磨耗的形成与发展的关键措施之一。
钢轨波磨的形成和发展过程是一个车辆轨道动力行为与波磨相互作用的循环过程，也就是当车辆通过不规则的(曲线)轨道时，车辆和轨道产生振动，导致钢轨接触表面不均匀磨损和塑性变形，当车辆下一次通过时，轨道的不规则因素和钢轨接触表面累积的不均匀磨损和塑性变形会使车辆轨道的振动加剧，使钢轨不均匀磨损加快和塑性变形累积量增大，经过反复循环作用，导致钢轨接触表面波浪形磨损的形成。轮轨之间相互作用非常复杂，这其中夹杂有动态作用、轮轨接触作用、摩擦作用以及它们之间的相互交叉作用机理，一种分析认为，钢轨波浪磨耗是在准周期性垂直方向荷载的主要作用下而产生的，这个周期性垂直方向荷载伴随有基本恒定的切向牵引力(可能因机车牵引力和制动力引起)、导向力或者切向牵引力和导向力两者的组合；另一种分析是在轨道支承刚度条件下车辆非悬挂质量的共振机理(“P2共振”)；还有一种是认为这种波长固定机理是车辆轮对的扭转谐振机理。这几种机理都可能是曲线段轨道出现波浪磨耗的主要原因。
为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种减少钢轨波浪磨耗的方法，所述钢轨由轨枕支撑，并由扣件将其扣压固定在轨枕上；所述钢轨轨道对车轮进行导向，所述钢轨与车轮相互作用形成轮轨系统；所述减少钢轨波浪磨耗的方法为降低轮轨柔度差及钢轨振动。
优选的，所述降低轮轨柔度差及钢轨振动的方法为降低轨枕间距及降低轨枕垂向支撑刚度。
优选的，所述减少钢轨波浪磨耗的方法为提高轨道阻尼。
优选的，提高轨道横向p-p频段范围的阻尼。
优选的，所述减少钢轨波浪磨耗的方法为降低轮轨摩擦系数。
优选的，所述减少钢轨波浪磨耗的方法为增加车轮柔度和钢轨匹配，或降低钢轨柔度和车轮匹配。
优选的，所述减少钢轨波浪磨耗的方法为提高钢轨材质强度及耐磨性能。
优选的，所述减少钢轨波浪磨耗的方法为控制钢轨振动水平，以减小轨道不平顺。
优选的，所述减少钢轨波浪磨耗的方法为降低轮轨激励。
优选的，所述减少钢轨波浪磨耗的方法为：波浪磨耗出现时，消除波浪形磨耗表面。
有益效果
基于“轮轨柔度差变”机理，研究比较了弯道线路不同轨道支承系统在正常车辆运行条件下钢轨横向动态位移、振动水平及钢轨表面粗糙度的变化，通过对两种等效垂向隔振效果但不同横向刚度的中等减振扣件系统克隆蛋轨道减振器和双层非线性减振扣件安装在同一曲线半径350米的线路上钢轨波浪磨耗发展进行长周期的测试跟踪和分析比较，充分了解钢轨波浪磨耗与轨道支承刚度的关系，分析和测试结果证明降低轮轨横向柔度差变及控制钢轨横向振动是有效抑制减振轨道系统钢轨波浪磨耗的形成与发展的关键措施之一。通过本发明所提供的减小钢轨波浪磨耗的方法，可减小振动噪声、改善钢轨波浪磨耗，从而改善轮轨关系，减小轮轨振动和噪声，延长钢轨与车轮的使用寿命，并提高轨道扣件的有效性，最终提高行车安全。
附图说明
图1为钢轨垂向-车轮纵向模型。
图2为钢轨横向-车轮轴向模型。
图3为轮-轨滚动柔度在p-p频率的幅值及幅值差。
图4钢轨沿轨道方向的横向柔度谱。
图5为本发明轨道系统简单模型。
图6为本发明钢轨横向柔度谱。
图7为本发明钢轨沿轨道方向在p-p频率550Hz时的横向柔度。
图8(a)为本发明轮-轨横向柔度谱。
图8(b)为本发明轮-轨横向柔度差。
图9(a)为本发明克隆蛋钢轨低轨粗糙度。
图9(b)为本发明克隆蛋钢轨高轨粗糙度。
图10(a)为本发明双层非线性钢轨低轨粗糙度。
图10(b)为本发明双层非线性钢轨高轨粗糙度。
图11为本发明钢轨粗糙度发展曲线图。
图12为本发明两谐振质量隔振系统相互关系示意图。
图13为本发明弹性楔块断面示意图。
具体实施方式
钢轨波磨的形成和发展过程是一个车辆轨道动力行为与波磨相互作用的循环过程，也就是当车辆通过不规则的(曲线)轨道时，车辆和轨道产生振动，导致钢轨接触表面不均匀磨损和塑性变形，当车辆下一次通过时，轨道的不规则因素和钢轨接触表面累积的不均匀磨损和塑性变形会使车辆轨道的振动加剧，使钢轨不均匀磨损加快和塑性变形累积量增大，经过反复循环作用，导致钢轨接触表面波浪形磨损的形成。轮轨之间相互作用非常复杂，这其中夹杂有动态作用、轮轨接触作用、摩擦作用以及它们之间的相互交叉作用机理，一种分析认为，钢轨波浪磨耗是在准周期性垂直方向荷载的主要作用下而产生的，这个周期性垂直方向荷载伴随有基本恒定的切向牵引力(可能因机车牵引力和制动力引起)、导向力或者切向牵引力和导向力两者的组合；另一种分析是在轨道支承刚度条件下车辆非悬挂质量的共振机理(“P2共振”)；还有一种是认为这种波长固定机理是车辆轮对的扭转谐振机理。这几种机理都可能是曲线段轨道出现波浪磨耗的主要原因。
钢轨波浪磨耗是在轨道运营过程中在钢轨踏面沿钢轨纵向产生的一种波长规则化的典型钢轨粗糙度现象，其主要特点是磨耗的波长基本固定。在产生波浪磨耗的钢轨上，可以在轨头部分很容易地注意到磨耗的痕迹，以及明显的波峰与波谷。这种钢轨波浪磨耗即所谓的“波长固定机理”是在轨道支承刚度条件下钢轨的不连续支承共振机理。
“不连续支承谐振机理”是最主要的波长固定机理。不连续支承频率f可按下式(1)进行计算：
其中，E是钢轨材料的弹性模量，I是钢轨截面惯性矩，mr是钢轨单位长度的
质量，l是扣件支承间距，rg是回转半径，ν是泊松比，和κ(≈0.34)是截面剪切常数。
波长及其波幅是确定钢轨波浪磨耗水平的重要参数，在列车运营条件下，若已知其运行速度时，波浪磨耗的激励频率可按下式计算：
fc＝s/λ (2)
这里，fc是波浪磨耗激励频率，s是列车运行速度，λ是波浪磨耗波长。这里计算的频率通常可以帮助辨认钢轨有波浪磨耗的轨道产生振动和噪声的主要振源。
为了排除不同载荷，如轴载、车速、线路曲线半径、轮轨表面条件等的影响而更准确了解不同轨道结构的振动特性及其振动传递规律，对轨道在可控制激励大小和方向的条件下计算或测试轨道的动态响应，获得系统的传递响应函数，本文采用传递响应函数之一的动柔度来描述，即单位激振力的位移响应。
图5是典型的轨道系统简单模型，包括表述钢轨的连续梁、不连续支承扣件的弹簧阻尼及基础约束，可计算沿长度方向梁上不同位置在垂直方向和横向的动柔度。
对轨道系统的动力学可将钢轨用Timoshenko梁及不连续支承弹簧的运动方程由下式描述：
-ρIω2φ+GAκ(φ-u')-EIφ”＝0 (4)
其中，u是钢轨在位置x处的振动位移，φ是钢轨在位置x处的振动角位移，ρ是钢轨单位长度的密度，A是钢轨横截面面积，G是钢轨材料的剪切模量，k是钢轨支承扣件刚度k＝k0(1+iη)，η是阻尼损耗因子，xn是钢轨支承位置，F是作用在钢轨上激励力。
图6给出了钢轨在支承正上方和扣件跨度的1/2处截面在横向的柔度谱，理论计算和现场轨道测试结果给在同一图上，比较理论计算结果和实测结果可以看出仿真计算和实测结果一致。所测试和计算的轨道等效横向轨道参数如表1所示，等效横向轨道参数对应于轨头位置的横向柔度。
从理论计算和在线测试轨道系统在无车辆载荷条件下对于60kg钢轨，普通道床扣件垂直方向刚度为75MN/m及等效轨头横向刚度为13MN/m及支承间距为0.625m的轨道系统，在横向P2轨道支承共振约110Hz；其p-p频率在横向约550Hz。
图7是在横向p-p频率时沿钢轨方向的钢轨柔度，在支承位置相对连续支承其柔度下降呈现低谷而在两支承位置之间呈现凸峰，由于大多数钢轨波浪磨耗特别是短波长钢轨波浪磨耗主要发生在800Hz以下，也就是钢轨的横向p-p频率附近。从图中可看出钢轨柔度在p-p频率的变化幅值超过10dB，这种大幅度的动态变化特性大大地增加了轨道动态不稳定性。
由于轨道系统不连续支承的特征频率及钢轨沿轨道方向柔度的变化，当车轮沿钢轨滚动时，作用点的位置不同，轮轨各自的柔度也不同，由于轮轨滚动时接触面法向作用力及相对振动位移的非线性接触特性，钢轨及车轮载接触点处各自在横向的柔度谱如图8所示。在P2共振频率附近，钢轨的柔度远高于车轮的柔度，也就是说在相近激励力的作用下，钢轨的振动位移要大于车轮的振动位移，从而产生相对大的滑动；而在钢轨横向p-p频率附近，车轮也存在多个轴向模态，动态柔度差变大并不稳定，这种不同振动位移的趋势在轮轨滚动接触过程中将导致轮轨接触力的变化及周期性波动。
由以上分析可见，钢轨短波长波浪磨耗的产生和发展应主要是在轮轨相互作用下由于钢轨及车轮柔度差变在固定的车速运营情况下，特别在因轨道不连续支承刚度引起的横向p-p频率及较高的钢轨振动导致短波长(20-80mm)钢轨波浪磨耗的产生和发展，而P2共振频率附近钢轨横向高柔度高振动会导致中长波长(100-300mm)钢轨波浪磨耗的产生和发展。
根据钢轨波浪磨耗产生和发展的机理，减缓及控制钢轨波浪磨耗需要降低轮轨柔度差及钢轨振动，特别是在轮轨系统在钢轨横向的柔度差及钢轨轨头的横向振动。
正常情况下，在中低频段车轮的动态阻抗一般比钢轨高，因此，轮轨之间的相互作用力及振动冲击会反作用回到钢轨，从而引起钢轨更大的振动。在这种频率下的振动越大，沿钢轨踏面的波浪磨耗(波峰-波谷)就会越大，反过来这种波浪磨耗又加大了对轮轨之间的激励。所以，降低钢轨的振动幅度对控制钢轨波浪式磨耗发展非常重要。控制钢轨的振动有很多不同的方式，比如：提高钢轨的阻抗或提高钢轨阻尼。
低刚度扣件具有较好的隔振效果，例如城市轨道交通大量使用的克隆蛋轨道减振器扣件，典型的克隆蛋扣件系统的扣件的弹性层由轨下弹性垫及在铸铁承轨座和铸铁安装底座之间的硫化橡胶层来提供，其垂向刚度范围由普通扣件的50-100MN/m降低到10-20MN/m，其横向刚度由普通扣件的10-20MN/m降低到大约4-7MN/m，但垂向刚度的降低可能会导致轨道横向刚度的大幅度下降，增加钢轨垂向变形的同时大大地增加了钢轨的横向变形，从而加剧钢轨的振动和波磨，使车辆噪声增大，舒适性降低。
双层非线性抗扭减振扣件是利用非线性轨下弹性垫及两层底板之间非硫化非线性弹性层保证低的垂向刚度和高的轨头横向刚度(10-15MN/m)，更重要的是钢轨与承轨台由弹条提供的预压力高阻抗同样通过预紧的两底板之间弹性层与道床连接，保证系统的动态阻抗及稳定性，有效地抑制了钢轨的振动及传递，降低钢轨噪声辐射及钢轨波磨。
为了比较两种不同横向刚度对钢轨波浪磨耗的影响，在南京地铁一号线路南京南站至双龙大道站下行线K7+429～K7+917区间对现有的克隆蛋扣件进行部分更换对比试验，2014年12月19日对现有路段进行钢轨打磨，2015年1月15-16日将K7+600～K7+675区间原克隆蛋减振器扣件更换为新型预压式双层非线性扣件。更换后对两种扣件系统在相同的运营条件(6节编组A型车)及相同时间比较钢轨的动态变形及波浪磨耗发展状态，其中钢轨波磨每月测试及跟踪比较直到下次维修打磨周期，本文给出的结果周期大约为200天(2014年12月19日到2015年7月7日)中6次波磨测试结果。试验段为同一半径350m的曲线段，车速65km/h。
钢轨轨头的横向最大动态变形如表1所示，可以看出轨头的横向动态位移在双层非线性扣件地段相对克隆蛋扣件有明显的改善，波浪磨耗较严重的低轨横向位移在双层非线性扣件相对克隆蛋降低约1/3。表2是钢轨在两种扣件上的钢轨轨腰处横向振动对比，横向振动双层非线性扣件相对克隆蛋降低约3-4dB。
表1钢轨动态变形(mm)车速65km/h
表2钢轨振动速度/dB(参考速度5e-8m/s)
对两种等效垂向隔振效果但不同横向刚度的中等减振扣件系统克隆蛋轨道减振器和双层非线性减振扣件安装在同一曲线半径350米的线路在线运营条件下钢轨粗糙度的发展进行实际跟踪测试，测试结果如图9-10，对粗糙度按行车速度进行频谱转换及A计权分析给出等效总粗糙度级并按打磨的时间天数分类如图11所示。
图10中表明随着时间推移，克隆蛋扣件区间高低轨波磨明显严重，除原有发展严重的低轨波长80mm，高轨波长63mm外，低轨波长40mm波磨逐渐显现并持续加重。钢轨打磨大约200天后低轨粗糙度增加了18.3dB，高轨增加了15.2dB；对于新打磨的克隆蛋扣件区间钢轨，2个月内低轨波磨增加13.4dB，高轨波磨增加5.4dB，克隆蛋扣件钢轨波磨发展快。
图10表明，虽然双层非线性扣件区间也存在波磨(原有波磨在更换前的克隆蛋扣件存在)，但粗糙度幅值在前四个月逐渐降低，总体上在半年运行后的波磨粗糙度水平基本没有变化。
把克隆蛋减振器扣件在不同地段按打磨后运行时间分类，对双层非线性扣件波磨水平的起点仍是原来在科隆蛋减振扣件打磨18天后更换时的状态绘在同一张图11中。从图中可看出克隆蛋减振器扣件低轨在打磨后第一个月增长很快，月增长10dB左右，后续增长速度减慢平均约每月2dB；高轨的波磨水平相对低轨低，并增长基本上是线性，平均每月增加2.7dB。而双层非线性扣件的波磨在更换时的中等水平基础上基本上没有变化。
对比两种不同扣件钢轨打磨5个月后的表面状态。
通过在线比较在正常地铁运营条件下安装在曲线半径350米轨道的两种不同横向刚度中等减振扣件克隆蛋减振器及新型预紧式双层非线性线减振扣件线路段钢轨横向动态变形和横向振动及其钢轨波浪磨耗发展的实际跟踪测试，测试结果发现克隆蛋减振器扣件钢轨随时间其波浪磨耗发展很快，特别在打磨后一两个月内，月增长高达10dB左右，钢轨打磨大约200天后低轨粗糙度增加18.3dB，高轨增加15.2dB；而预紧式双层非线性线减振扣件使用半年来钢轨的波浪磨耗基本没有变化。由于钢轨相对车轮的横向变形和振动直接产生轮轨接触面之间相对滑动摩擦磨损，在横向p-p频率附近较高的钢轨振动导致短波长(20-80mm)钢轨波浪磨耗的产生和发展，而在P2共振频率附近钢轨横向高柔度高振动会导致中长波长(100-300mm)钢轨波浪磨耗的加剧，通过两种不同横向刚度减振扣件上钢轨波浪磨耗的对比试验表明降低轮轨横向柔度差变及控制钢轨横向振动是有效抑制减振轨道系统钢轨波浪磨耗的形成与发展的关键措施之一。
根据钢轨波浪磨耗产生和发展的机理，减缓及控制钢轨波浪磨耗需要降低轮轨柔度差及钢轨振动，特别是在轮轨系统横向，主要途径有:
(1)降低轨枕间距及降低轨枕垂向支撑刚度，不仅减小了钢轨柔度变化，而且提高了p-p频率，降低钢轨振动幅值；
(2)提高轨道阻尼，特别是在横向p-p频段范围的阻尼，例如采用钢轨动力谐振器；
(3)降低轮轨摩擦系数，例如采用轨道润滑或低摩擦系数材料的车轮及钢轨；
(4)优化轮轨动柔度设计，降低轮轨柔度差，对现有轮轨系统，可增加车轮柔度和钢轨匹配，或降低钢轨柔度和车轮匹配；
(5)提高钢轨材质强度及耐磨性能，减缓波浪磨耗的发展；
(6)减小轨道不平顺等，控制钢轨振动水平；
(7)降低轮轨激励，特别是横向激励，例如控制合理的与轨道半径及超高对应的运行平衡车速；
(8)及时打磨钢轨，波浪磨耗一旦出现，又反过来激化和加剧轮对粘滑振动，促进波磨进一步发展，波深越大则波磨发展越快，构成恶性循环。
钢轨谐振阻尼器与波浪磨耗控制：引起钢轨波浪磨耗的主要原因之一是轨道的不连续支承带来的共振激励，在此不连续支承共振频率下产生的振动至少有三种分量，分别是垂直方向振动、横向振动及扭转振动。正常情况下，在中低频段，车轮的动态阻抗一般比钢轨高，因此，轮轨之间的相互作用力及振动冲击会反作用到钢轨，从而引起钢轨更大的振动。在这种频率下的振动越大，沿钢轨踏面的波浪磨耗(波峰-波谷)就会越大，反过来这种波浪磨耗又加大了对轮轨之间的激励。所以，降低钢轨的振动幅度对控制钢轨波浪式磨耗发展非常重要。
控制钢轨的振动有很多不同的方式，比如：提高钢轨的阻抗或提高钢轨阻尼。使用谐振式动力阻尼减振器是最有效的方式之一。该系统可被设计为多自由度系统模式，能够覆盖一定的频段范围，且对不同模态的振动起到有效的阻尼作用。
钢轨谐振式阻尼器可与扣件系统进行组合，比如:与轨头/轨腰弹性支承式扣件进行组合。谐振质量元件可被嵌入到弹性支承楔块中，形成一个“质量－弹簧”谐振式阻尼器，通过计算，将该阻尼器对应的多阶谐振频率设计到与轨道的不连续支承频段一致，例如谐振式浮轨扣件，该扣件系统既满足扣件的隔振设计，同时又兼顾钢轨谐振式阻尼器的作用。
谐振式浮轨扣件的谐振设计：低刚度扣件具有较好的隔振效果，但如果轮轨振动能量只是被隔离，而未被耗散，则会反作用于钢轨和车辆，从而加剧钢轨的振动和波磨，使车辆噪声增大，舒适性降低。谐振系统对此进行了专门设计和改进。谐振式浮轨减振降噪扣件把约束钢轨的部位由轨脚移动到了钢轨的轨腰及轨头下面，呈倒置的“V”型结构，从钢轨的两侧夹紧钢轨，正常工作时钢轨处于悬浮状态，可以最大限度地获得较低的垂向刚度，在保证轨道安全的条件下增加扣件系统的隔振效果，降低轮轨冲击振动向轨下基础的传播，从而控制隧道、站台及地面建筑物等的振动。在浮轨扣件弹性楔块中同时设计了谐振系统，有效地抑制了钢轨的振动，降低钢轨噪声辐射及钢轨波磨。
谐振式浮轨扣件中的橡胶支撑楔块内含谐振质量块，借助橡胶支撑楔块的弹性层形成动力吸振器。当钢轨发生振动时，通过谐振质量块及弹性层在特定设计的频率产生谐振效应，谐振式浮轨扣件的设计在低频、中频和高频段内转移和吸收钢轨的振动能量，从而降低了钢轨的振动和噪声辐射。
图12为两谐振质量隔振系统原理示意图，当钢轨受到激励时，主要有谐振子系统一和谐振子系统二以及主弹簧系统(隔振弹簧系统)反相位相互作用。
图13是一个典型的三阶谐振质量设计的谐振式浮轨扣件弹性楔块断面结构。为了在浮轨扣件设计中实现谐振系统的功能，根据钢轨振动的低、中、高频段设计了三阶谐振质量块。
应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种减少钢轨波浪磨耗的方法，所述钢轨由轨枕支撑，并由扣件将其扣压固定在轨枕上；所述钢轨轨道对车轮进行导向，所述钢轨与车轮相互作用形成轮轨系统；其特征在于：所述减少钢轨波浪磨耗的方法为降低轮轨柔度差及钢轨振动。
2.根据权利要求1所述的减少钢轨波浪磨耗的方法，其特征在于：所述降低轮轨柔度差及钢轨振动的方法为降低轨枕间距及降低轨枕垂向支撑刚度。
3.根据权利要求1所述的减少钢轨波浪磨耗的方法，其特征在于：所述减少钢轨波浪磨耗的方法为提高轨道阻尼。
4.根据权利要求3所述的减少钢轨波浪磨耗的方法，其特征在于：提高轨道横向p-p频段范围的阻尼。
5.根据权利要求1所述的减少钢轨波浪磨耗的方法，其特征在于：所述减少钢轨波浪磨耗的方法为降低轮轨摩擦系数。
6.根据权利要求1所述的减少钢轨波浪磨耗的方法，其特征在于：所述减少钢轨波浪磨耗的方法为增加车轮柔度和钢轨匹配，或降低钢轨柔度和车轮匹配。
7.根据权利要求1所述的减少钢轨波浪磨耗的方法，其特征在于：所述减少钢轨波浪磨耗的方法为提高钢轨材质强度及耐磨性能。
8.根据权利要求1所述的减少钢轨波浪磨耗的方法，其特征在于：所述减少钢轨波浪磨耗的方法为控制钢轨振动水平，以减小轨道不平顺。
9.根据权利要求1所述的减少钢轨波浪磨耗的方法，其特征在于：所述减少钢轨波浪磨耗的方法为降低轮轨激励。
10.根据权利要求1所述的减少钢轨波浪磨耗的方法，其特征在于：所述减少钢轨波浪磨耗的方法为：波浪磨耗出现时，消除波浪形磨耗表面。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108978368A (zh) * 2018-10-08 2018-12-11 华东交通大学 一种降低铁路曲线段轮轨磨耗装置
CN113737580A (zh) * 2021-09-30 2021-12-03 北京钦博科技有限公司 强化钢轨倾翻刚度控制钢轨波浪形磨耗的钢轨连接装置
CN114508007A (zh) * 2020-11-16 2022-05-17 兰州交通大学 一种轨道交通轮轨非正常磨耗抑制装置及其安装方法
CN114687256A (zh) * 2020-12-30 2022-07-01 洛阳科博思新材料科技有限公司 一种宽频轨道阻尼减振降噪装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1355592A1 (ru) * 1985-09-17 1987-11-30 Днепропетровский Металлургический Институт Им.Л.И.Брежнева Подкрановый рельс
CN102953303A (zh) * 2011-08-19 2013-03-06 北京市重大项目建设指挥部办公室 地铁钢轨波磨的整治方法
CN202989694U (zh) * 2012-12-25 2013-06-12 西南交通大学 可抑制波磨的小半径曲线铁路轨道
JP2015101820A (ja) * 2013-11-21 2015-06-04 公益財団法人鉄道総合技術研究所 レール削正台車およびレール削正方法
CN205088530U (zh) * 2015-10-21 2016-03-16 中铁二院工程集团有限责任公司 一种可抑制波磨的城市轨道交通轨道结构

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1355592A1 (ru) * 1985-09-17 1987-11-30 Днепропетровский Металлургический Институт Им.Л.И.Брежнева Подкрановый рельс
CN102953303A (zh) * 2011-08-19 2013-03-06 北京市重大项目建设指挥部办公室 地铁钢轨波磨的整治方法
CN202989694U (zh) * 2012-12-25 2013-06-12 西南交通大学 可抑制波磨的小半径曲线铁路轨道
JP2015101820A (ja) * 2013-11-21 2015-06-04 公益財団法人鉄道総合技術研究所 レール削正台車およびレール削正方法
CN205088530U (zh) * 2015-10-21 2016-03-16 中铁二院工程集团有限责任公司 一种可抑制波磨的城市轨道交通轨道结构

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王安斌等: "钢轨波浪磨耗产生和发展机理及其控制", 《材料开发与应用》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108978368A (zh) * 2018-10-08 2018-12-11 华东交通大学 一种降低铁路曲线段轮轨磨耗装置
CN114508007A (zh) * 2020-11-16 2022-05-17 兰州交通大学 一种轨道交通轮轨非正常磨耗抑制装置及其安装方法
CN114687256A (zh) * 2020-12-30 2022-07-01 洛阳科博思新材料科技有限公司 一种宽频轨道阻尼减振降噪装置
CN113737580A (zh) * 2021-09-30 2021-12-03 北京钦博科技有限公司 强化钢轨倾翻刚度控制钢轨波浪形磨耗的钢轨连接装置

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