基于地鐵波磨測試的鋼軌打磨標準研究

　　摘要：隨著城市交通運輸壓力不斷增加，地鐵列車行駛速度、行車密度大幅提高，對列車軌道要求也越來越高，導致鋼軌頻繁出現(xiàn)波磨病害。波磨的產(chǎn)生直接影響列車行駛平穩(wěn)性和舒適性，甚至危及行車安全，而我國現(xiàn)行的鋼軌打磨標準不能科學的指導北京地鐵鋼軌打磨作業(yè)，因此，需針對北京地鐵線路具體情況，制定相應的鋼軌打磨標準。通過連續(xù)波磨測量設備對北京地鐵某波磨嚴重地段進行鋼軌表面不平順測試，并對鋼軌打磨前后數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)段存在嚴重的63mm短波波磨；隨后根據(jù)測試車輛通過該地段時軸箱的振動加速度值，結(jié)合波磨指數(shù)和構(gòu)架疲勞壽命S-N曲線，對鋼軌波磨等級進行四級劃分并給予相應打磨建議。研究結(jié)論：當鋼軌波磨指數(shù)大于10dB時需進行鋼軌打磨作業(yè)，若打磨后各波長對應的鋼軌粗糙度級小于相應限值，可判斷打磨質(zhì)量合格。

　　關鍵詞：地鐵；鋼軌；波磨；打磨標準；粗糙度級；波磨指數(shù)；構(gòu)架疲勞壽命

　　引言

　　地鐵具有舒適、方便、安全和綠色等特點，是當今許多城市交通運輸?shù)闹匾绞健Ｈ欢?，隨著市內(nèi)人口不斷增加、交通壓力越來越重，使得地鐵列車行駛速度、行車密度大幅提高，導致鋼軌出現(xiàn)波浪形磨耗（簡稱“波磨”）[1-3]，尤其在曲線部分更為嚴重[4]。波磨的產(chǎn)生會加劇輪軌之間相互作用力，降低車輛和軌道使用壽命，引發(fā)輪軌噪聲[5]，增加養(yǎng)護維修費用，影響列車行駛平穩(wěn)性和舒適性，甚至危及行車安全[6]。目前，緩解波磨病害最有效的辦法是周期性打磨[7-8]。合理的打磨標準能夠及時發(fā)現(xiàn)鋼軌波磨，延緩其發(fā)展與惡化，降低輪軌作用力和維護成本[9]。因此，研究鋼軌打磨標準具有重要的理論意義和工程應用價值。

　　1北京地鐵鋼軌波磨的現(xiàn)狀

　　目前，北京地鐵線路波磨情況較為嚴重，運營的輪軌式軌道交通的14條線路中，波磨地段有143.7單線延長千米。鋼軌波磨大部分發(fā)生在曲線地段，部分線路直線段出現(xiàn)了鋼軌波磨。如圖1所示，北京地鐵某區(qū)間曲線地段出現(xiàn)了較為嚴重的鋼軌波磨，且內(nèi)軌表面有明顯的流塑現(xiàn)象。由于我國的鋼軌波磨評價指標及打磨維護規(guī)范指標單一且量值相對寬松，不能分波長進行評價，亟需開展城市軌道交通鋼軌波磨評價指標的系統(tǒng)化科學研究，指導和判斷鋼軌打磨的周期和質(zhì)量，降低車輛的軸箱加速度值，減少扣件和車輛零部件傷損，降低車內(nèi)噪聲和提高乘車的舒適度和服務品質(zhì)。

　　2鋼軌波磨的現(xiàn)行打磨標準

　　目前，我國現(xiàn)有的鋼軌打磨標準為普速鐵路線路修理規(guī)則、北京市地方標準和高速鐵路標準。普速鐵路線路修理規(guī)則中對波磨深度超過0.3mm傷損時應進行修理性打磨或銑磨。地方標準城市軌道交通設施養(yǎng)護維修技術規(guī)范中，對線路上成段的鋼軌波浪形磨耗（波深0.3mm）、飛邊、馬鞍形磨耗和焊縫凸凹等病害，使用打磨車采用修復性打磨，對于既有運營線路應每年不少于一次進行預防性打磨，消除疲勞傷損，延長鋼軌使用壽命。

　　3現(xiàn)場波磨測試

　　北京地鐵某線R=450m的曲線段為典型波磨區(qū)段，近幾年運營期內(nèi)發(fā)生了大量的彈條和T形螺栓斷裂現(xiàn)象。選取該地段進行波磨測試和車內(nèi)噪聲測試。波磨測試采用可連續(xù)測量的CAT鋼軌波磨測量分析小車，對測量范圍內(nèi)的鋼軌進行不間斷測試[15]。車內(nèi)噪聲測試通過運營結(jié)束后地鐵列車添乘，在客車室內(nèi)布置測點，測得該地段不載客工況下的全線車內(nèi)噪聲[16]。噪聲評價方法參考GB14892-2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》[17]，車內(nèi)噪聲的評價指標采用A計權的等效聲壓級，限值為83dB。

　　4鋼軌波磨評價指標

　　4.1鋼軌粗糙度

　　規(guī)范BSENISO3095:2013《鐵路專用標準聲學輪軌系統(tǒng)引起的噪聲測量》使用鋼軌表面不平順粗糙度級Lr作為波磨的評價指標，其定義是鋼軌表面波磨幅值有效值與其參考值的比值。該評價指標采用1/3倍頻程波長譜的形式，描述了不同波長對應的鋼軌波磨幅值水平，并以分貝作為等級區(qū)分。具體表達式如下2rmsr2010logrLr?(1)式中，Lr為鋼軌表面不平順譜值，dB；鋼軌表面短波不平順參考值r0=1μm；rrms為鋼軌表面波磨幅值有效值。

　　4.2鋼軌波磨指數(shù)

　　鋼軌波磨指數(shù)法，用于鋼軌波磨嚴重程度的診斷，從對某條線的實際測量數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實際波磨情況來看，診斷出鋼軌波磨準確率相當高，且能反映出輪軌直接作用力的大小和波磨嚴重程度。本小節(jié)將以鋼軌波磨指數(shù)與架構(gòu)疲勞壽命作為評價指標，對鋼軌波磨指數(shù)進行分類[18]。

　　5結(jié)論與建議

　　根據(jù)北京地鐵鋼軌和車輛兩種測試數(shù)據(jù)來源，分析總結(jié)了鋼軌粗糙度級和波磨指數(shù)兩個重要指標的作用，提出了以波磨指數(shù)作為鋼軌是否需要打磨、以粗糙度作為檢驗鋼軌打磨是否合格的評價標準，具體結(jié)論如下。

　?。?）選取北京地鐵某線的典型曲線波磨區(qū)段進行現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)盡管現(xiàn)場波磨最大波深小于我國規(guī)范限值0.3mm，僅為0.11mm，短波波磨引起的高頻振動還會導致T形螺栓發(fā)生斷裂，同時噪聲級超過規(guī)范限值達到95.3dB左右，表明目前我國標準的波磨評價指標在城市軌道交通方面運用不夠合理。

　?。?）通過采用連續(xù)波磨測量設備對該曲線地段進行鋼軌表面不平順測試并對鋼軌打磨前后數(shù)據(jù)進行分析，計算得出鋼軌表面粗糙度級。以多次打磨后取平均值的鋼軌粗糙度作為基準線，發(fā)現(xiàn)此曲線區(qū)段存在嚴重的63mm短波波磨，與實測鋼軌表面不平順所得結(jié)果一致。

　　（3）當軸箱加速度為8.1g時，車輛構(gòu)架的疲勞強度循環(huán)次數(shù)達到200萬次，符合設計壽命要求；當加速度值增大時，構(gòu)架的循環(huán)次數(shù)降低幅度較大；當加速度值為30g時，構(gòu)架的疲勞強度循環(huán)系數(shù)僅為3.87萬次。根據(jù)波磨指數(shù)和構(gòu)架疲勞壽命劃分了四級鋼軌波磨級并給出了相應的打磨建議。

　　參考文獻：

　　[1]宋小林，翟婉明，王開云.波磨對輪軌系統(tǒng)動力特性的影響分析[J].鐵道科學，2018，39(5)：42-50.

　　[2]任彤，王安斌，王志強，等.小半徑曲線段鋼軌短波波磨的影響因素分析[J].噪聲與振動控制，2018，38(6)：105-108，112.

　　葉利賓1，2，王迦淇2，肖宏2

《基于地鐵波磨測試的鋼軌打磨標準研究》

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