地鐵鋼軌波磨引起的扣件病害分析與治理

黑勇進

(北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068)

鋼軌波形磨耗(簡稱鋼軌波磨)是指鋼軌頂面縱向規(guī)律性的起伏不平的磨耗現(xiàn)象。鋼軌波磨根除非常困難，治理后復發(fā)率也非常高[1]。

近幾年，各城市地鐵在飛速發(fā)展的同時，也帶來了日益嚴重的鋼軌波磨問題，嚴重影響地鐵運營的安全性和舒適性。主要原因是地鐵線路條件復雜、小半徑曲線較多、減振軌道種類繁多、車輛頻繁加減速。鋼軌波磨以100 mm以下短波波磨為主，發(fā)展速率快。

以北京地鐵6號線為例，鋼軌波磨波長集中在40～100 mm，波磨區(qū)段線路長度占線路總長的30%以上，曲線及直線段均存在不同比例的波磨，且小半徑曲線段波磨發(fā)生比例較高。有些區(qū)段鋼軌打磨后波磨復發(fā)和發(fā)展速度快，嚴重波磨區(qū)段打磨周期僅為幾個月。

鋼軌波磨引起振動噪聲增加、輪軌關系惡化、扣件系統(tǒng)損傷、鋼軌壽命縮短等危害[2-4]，其中嚴重的扣件系統(tǒng)損傷將危及運營安全。例如北京地鐵6號線扣件彈條累計斷裂上千根，月斷裂最高可達百根。彈條斷裂問題不僅增加了養(yǎng)護維修成本，而且會影響行車安全。

本文選取北京地鐵6號線典型波磨區(qū)段對扣件彈條斷裂問題測試研究，制定合理的整治措施，并對鋼軌波磨的管理給出建議。

1 典型波磨區(qū)段彈條斷裂基本情況

本文選取的北京地鐵6號線典型波磨區(qū)段位于半徑650 m的曲線上，曲線全長652 m，曲線起端鋪設285 m特殊等級減振軌道，曲線中部鋪設160 m高等級減振軌道，曲線末端鋪設207 m普通軌道，扣件間距 1 680對/km。下行車輛加速通過該曲線，進入曲線時車速83 km/h，加速至93 km/h，此后車輛保持高速運行通過曲線。該曲線鋼軌產(chǎn)生明顯的63 mm典型波長波磨(圖1)，累計進行過7次鋼軌打磨。由鋼軌波磨導致了較為集中的彈條斷裂，其月斷裂數(shù)最多可達70多根。

圖1 鋼軌波磨

圖2 典型彈條斷裂形態(tài)

圖2為典型的彈條斷裂形態(tài)，彈條斷裂位置一般都位于與鐵墊板安裝孔的邊緣接觸的中趾圓弧過渡處，斷裂彈條處可見黑色的磨損痕跡，斷裂截面存在典型的疲勞擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。

彈條在現(xiàn)場使用過程中中趾圓弧過渡處與鐵墊板安裝孔的邊緣接觸碾壓，彈條振動異常劇烈時易在彈條表面碾壓變形處萌生裂紋，在劇烈振動下彈條初始裂紋擴展，擴展至斷面一半時彈條產(chǎn)生脆性斷裂。

2 現(xiàn)場測試與彈條斷裂原因分析

2.1 波磨測試

采用CAT波磨小車對波磨區(qū)段進行測量。由實測數(shù)據(jù)計算得到的鋼軌表面粗糙度級曲線見圖3。可以看出：該半徑650 m曲線段存在較嚴重的鋼軌波磨，在波長63 mm處鋼軌表面粗糙度級超出歐洲規(guī)范ISO 3095：2013[5]限值23.38 dB。作為對比，該區(qū)段相鄰直線段鋼軌無波磨，鋼軌表面粗糙度級在全波長范圍內(nèi)與ISO 3095:2013限值接近，鋼軌表面狀態(tài)良好。

圖3 鋼軌表面粗糙度級曲線

波長30～100 mm區(qū)段鋼軌移動波深峰-峰平均值[6]變化見圖4?？梢姡呵€鋼軌波磨段移動波深峰-峰平均值達到200 μm，而無波磨直線段移動波深峰-峰平均值僅在10 μm量級，量值相差很大，該曲線段鋼軌波磨較直線段嚴重。

圖4 波長30～100 mm區(qū)段鋼軌移動波深峰-峰平均值變化

2.2 垂向振動加速度測試

曲線段波磨斷面與直線段無波磨斷面鋼軌和彈條的垂向振動加速度對比見表1?？梢钥闯觯嗝驿撥壍拇瓜蛘駝蛹铀俣冗h超無波磨斷面，最大值達到4 524 m/s2；波磨斷面彈條振動存在明顯的振動放大現(xiàn)象，彈條振動加速度最大值達到 8 478 m/s2。

表1 鋼軌及彈條的垂向振動加速度 m·s-2

波磨斷面鋼軌垂向振動加速度頻譜見圖5?？梢钥闯?，在384～430 Hz處垂向振動加速度存在峰值。

圖5 鋼軌垂向振動加速度頻譜

文獻[7]指出，共振頻率f、車速v和波磨典型波長λ之間的關系可表示為

該曲線段地鐵列車實際運行速度為83～93 km/h，而波磨典型波長為63 mm，鋼軌垂向振動加速度主峰頻率與波磨典型波長、車速二者決定的共振頻率一致。鋼軌短波波磨激發(fā)了劇烈的輪軌振動，對彈條輸入了較大的能量，從而引發(fā)彈條異常劇烈振動。

2.3 原因分析

基于以上測試分析，得出扣件彈條斷裂的原因：

1)扣件彈條與鐵墊板在外部激勵下接觸擠壓，長期高能量振動導致彈條損傷和疲勞裂紋擴展，最終致使彈條在與鐵墊板接觸點處產(chǎn)生應力集中以致脆性斷裂。

2)嚴重波磨導致車輛及軌道系統(tǒng)的異常振動增大，對扣件彈條的振動能量輸入過多，導致彈條振動幅值過大。

3 整治措施

基于彈條斷裂原因，從降低彈條振動能量輸入、延緩鋼軌波磨發(fā)展、優(yōu)化輪軌作用關系等方面提出以下整治措施：

1)鋼軌打磨

由于該區(qū)段鋼軌波磨波深達到0.2 mm時彈條斷裂數(shù)量劇增，建議波深0.1 mm時即進行打磨；同時提高打磨驗收標準，打磨深度控制在波谷以下0.1 mm，避免記憶性波磨復發(fā)。

2)安裝軌頂摩擦控制裝置

軌頂摩擦控制裝置[8]是一種安裝在軌旁的地面涂敷裝置，通過自動定量施加摩擦調(diào)節(jié)材料到鋼軌頂面，減少和減緩列車運營產(chǎn)生的輪軌接觸界面的摩擦，能夠有效降低輪軌磨損和鋼軌波磨發(fā)展速率，延長鋼軌打磨周期。

3)車輛勻速通過曲線

車輛加速通過曲線會導致輪軌關系不良，建議車輛勻速通過曲線，這對抑制波磨發(fā)展、改善輪軌關系、降低能量輸入具有積極效果。

4)鑒于本線路鋼軌波磨占比大，復發(fā)率高，磨耗發(fā)展快，借鑒其它線路采用U75V軌的經(jīng)驗，建議換軌作業(yè)時采用U75V耐磨軌，提高鋼軌表面硬度，與CL60車輪更好地匹配。

4 國內(nèi)外鋼軌波磨評價現(xiàn)狀

4.1 我國地鐵鋼軌波磨養(yǎng)護維修現(xiàn)狀

國內(nèi)地鐵領域主要使用鐵運[2006]146號《鐵路線路修理規(guī)則》[9]對鋼軌波磨進行評價，以波長、波深等參數(shù)作為評價指標。該規(guī)范依據(jù)鋼軌波磨程度、鋼軌頭部磨耗程度將鋼軌傷損分為輕傷和重傷2類。當鋼軌波磨波深超過0.5 mm，即認為達到鋼軌輕傷標準，應及時進行打磨維護。鋼軌打磨完成后鋼軌表面不平度不應大于0.2 mm。

在實際操作時發(fā)現(xiàn)評價指標過于單一，“不平度不應大于0.2 mm”的打磨驗收標準比較寬松，對鋼軌波磨的分析和養(yǎng)護維修計劃的制定不利。

4.2 國際鋼軌波磨評價規(guī)范

國際研究機構對鋼軌波磨測量標準以及評價體系作了系統(tǒng)的研究，建立了對鋼軌表面不平順的科學評價方法，其中含有對鋼軌波磨的評價內(nèi)容。目前國際上與鋼軌波磨的測量及評價有關的鐵路專用標準主要有：

1)ISO 3095:2013《聲學-鐵路設施-有軌車輛引起的噪聲測量》[5]。該標準以輪軌噪聲與鋼軌表面粗糙度級之間的內(nèi)在關系為依據(jù)，以1/3倍頻程波長譜的形式給出了鋼軌表面不平順粗糙度級的推薦值。

2)BS EN 13231-3:2006《鐵路設施-軌道-工程驗收 第3部分：軌道鋼軌打磨、銑磨和刨磨驗收標準》[6]。該標準提出了移動波深峰-峰平均值和移動波深有效值的平均值2個評價指標，并分波長給出了鋼軌打磨后表面不平順粗糙度級限值。

3)BS EN 15610:2009《鐵路設施-噪音排放-與滾動噪聲相關的鋼軌粗糙度測量》[10]。該標準規(guī)定了針對鋼軌波磨的測試方法和測量要求。

4.3 國內(nèi)最新研究進展

4.3.1 國際波磨評價標準的引進

GB/T 5111—2011《聲學 軌道機車車輛發(fā)射噪聲測量》[11]在2011年頒布，內(nèi)容相當于2005版的ISO 3095。但ISO 3095 2013版中的粗糙度級限值已經(jīng)更新，較GB/T 5111—2011更加嚴格。兩者對比見圖6。

圖6 ISO 3095規(guī)范2個版本中的粗糙度級限值對比

4.3.2 高速鐵路打磨驗收標準

鐵總運[2014]357號《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》[12]首次針對高速鐵路提出了分波長的鋼軌波磨評價及驗收標準。規(guī)定鋼軌表面不平順平均谷深達到0.04 mm或最大谷深達到0.08 mm，且波長不大于300 mm 時，就需要對鋼軌波磨進行治理。

該管理辦法在分波長鋼軌波磨評價指標的制定中借鑒了BS EN 13231-3:2006中針對鋼軌打磨驗收的分析窗長、容許超限率等相關概念，將波磨波長劃分為4個范圍(10～30 mm，30～100 mm，100～300 mm，300～1 000 mm)，分別給出了適用于高速鐵路打磨驗收的谷深平均值的限值和相應的容許超限率。

5 結論與建議

針對北京地鐵扣件彈條斷裂問題，選取典型區(qū)段進行測試分析。分析結果表明：該曲線段鋼軌存在63 mm 典型波長波磨，導致外部能量輸入增大，彈條的振動能量及振動幅值過大；彈條與鐵墊板在外部激勵下接觸擠壓，長期高能量振動導致彈條損傷并滋生疲勞裂紋，最終導致彈條與鐵墊板接觸點應力集中以致脆性斷裂。

地鐵中鋼軌波磨的發(fā)生是大概率事件，防范和治理鋼軌波磨的有效途徑之一是科學的管理與維護。目前，國內(nèi)地鐵鋼軌波磨危害嚴重的主要原因：①缺乏科學合理的鋼軌波磨評價指標及驗收標準；②缺乏對全線鋼軌波磨數(shù)據(jù)的科學化管理。

為加強地鐵鋼軌波磨治理效果，減少鋼軌波磨次生病害，提出以下建議：

1)結合我國地鐵建設和運營維修的特點，借鑒國外鐵路和我國高鐵的養(yǎng)護維修管理先進成果，形成符合我國國情的地鐵分波長評價指標，科學評價鋼軌波磨等級，制訂合理打磨計劃，控制鋼軌波磨的發(fā)生發(fā)展速率，提升地鐵運營安全水平；引入國際先進維護方法和管理理念，制定鋼軌打磨、銑磨驗收標準，完善鋼軌打磨驗收制度，加快鋼軌波磨養(yǎng)護治理，努力改善國內(nèi)軌道和車輛病害頻發(fā)的現(xiàn)狀。

2)既有測試設備及管理方法的落后導致地鐵鋼軌全線波磨數(shù)據(jù)不全，對地鐵全線鋼軌磨耗情況的分布規(guī)律、發(fā)展特性、波磨特征等無法準確掌握。因此，后續(xù)的地鐵鋼軌波磨研究的重點是采用精準、高效檢測系統(tǒng)對線路鋼軌波磨進行普測，建立鋼軌波磨管理信息系統(tǒng)，對全線鋼軌波磨進行統(tǒng)計分析，研究各因素對鋼軌波磨產(chǎn)生和發(fā)展的影響程度，指導軌道選型和線路選線，降低鋼軌波磨發(fā)生概率。