地鐵小半徑曲線減磨降噪技術(shù)研究

喬海鋒

（北京京港地鐵有限公司，北京 100068）

1 概述

地鐵線路小半徑曲線處的異常磨耗始終是工務(wù)部門運(yùn)維的重點(diǎn)和難點(diǎn)；尤其是出入段線、進(jìn)出站小半徑曲線較多，列車通過(guò)曲線時(shí)噪聲過(guò)大，產(chǎn)生噪聲的主要原因未能有效確認(rèn)，對(duì)乘車舒適度造成了一定的影響。現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)小半徑曲線區(qū)段存在彈條斷裂現(xiàn)象，曲線上股鋼軌側(cè)磨、下股鋼軌波磨發(fā)展較快，對(duì)線路設(shè)備的養(yǎng)護(hù)維修造成了較大的困難。調(diào)查線路中小半徑曲線因曲線上股鋼軌波磨已更換鋼軌達(dá)數(shù)公里。

此外，鋼軌波磨是產(chǎn)生輪軌嘯叫噪聲和接觸共振的主要原因之一。輪軌嘯叫經(jīng)常引起局部噪聲超標(biāo)；接觸共振不僅會(huì)對(duì)列車走行部產(chǎn)生影響，而且還會(huì)誘發(fā)鋼軌及軌下設(shè)施的疲勞傷損，以至影響列車安全[1]。因此，進(jìn)一步分析列車通過(guò)小半徑曲線的噪聲主要成因，利用基于輪軌動(dòng)力學(xué)的檢測(cè)技術(shù)[2-3]，并研究采取更換楔形膠墊、更換減振扣件等減磨降噪整治方案，對(duì)提高列車通過(guò)小半徑曲線行車舒適度，延長(zhǎng)小半徑曲線大修周期意義重大。

基于以上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段解決的關(guān)鍵問(wèn)題主要分為以下2個(gè)方面：其一、波磨引起噪聲的區(qū)分，在前期測(cè)試中發(fā)現(xiàn)引起輪軌異常噪聲的原因主要為曲線下股波磨引起的輪軌共振噪聲；其二、各種減磨降噪整治手段的效果評(píng)估，評(píng)判一種減磨降噪手段的有效性可通過(guò)考核整治前后磨耗或噪聲發(fā)展的快慢來(lái)進(jìn)行。因此本文通過(guò)建立物理模型對(duì)減磨降噪的整治效果進(jìn)行評(píng)估。

2 輪軌噪聲區(qū)分

列車通過(guò)小半徑曲線時(shí)，車內(nèi)常見噪聲表現(xiàn)為嗡鳴聲，頻率較低，影響乘車舒適度。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，在車站站臺(tái)即能夠明顯感覺到嗡鳴聲先于列車傳遞到人耳；列車駛過(guò)時(shí)嗡鳴聲最大，且伴隨刺耳尖銳噪聲。為驗(yàn)證和區(qū)分2種輪軌噪聲，對(duì)北京地鐵某條線出入段線小半徑曲線處進(jìn)行輪軌共振及噪聲測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)鋼軌磨耗狀態(tài)及輪軌共振、噪聲區(qū)分試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。上行線鋼軌狀態(tài)良好（經(jīng)歷換軌不足1個(gè)月），上股鋼軌無(wú)側(cè)磨，下股鋼軌無(wú)波磨，2股鋼軌振動(dòng)正常。上股鋼軌在列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生了頻率 900 Hz 左右的高頻噪聲，車內(nèi)噪聲正常。下行線鋼軌的上股側(cè)磨和下股波磨均存在，波磨長(zhǎng)度 110～130 mm ，波深約 0.2 mm ，局部可見魚鱗紋。下股鋼軌在列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生了150 Hz的輪軌共振，上股鋼軌在列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生了頻率1500 Hz左右的高頻噪聲，下股鋼軌在列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生了150 Hz低頻噪聲；列車內(nèi)產(chǎn)生了150 Hz、95 dB的低頻噪聲。

由以上數(shù)據(jù)可得出，列車經(jīng)過(guò)小半徑曲線時(shí)產(chǎn)生的車內(nèi)噪聲是由于曲線下股波磨導(dǎo)致的輪軌共振產(chǎn)生的；列車無(wú)法隔絕和吸收該頻段的振動(dòng)和噪聲。因此，本文將重點(diǎn)針對(duì)地鐵線路小半徑曲線的下股波磨開展研究工作。

3 輪軌共振、噪聲測(cè)試及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方案

本文對(duì)某地鐵線路聯(lián)絡(luò)線和地鐵站進(jìn)出站小半徑曲線進(jìn)行了輪軌共振及噪聲測(cè)試。 每條曲線選擇2個(gè)斷面采集鋼軌的垂向和橫向振動(dòng)信息。依照試驗(yàn)方案進(jìn)行整治前后分別采集軌道的振動(dòng)信息，通過(guò)對(duì)比分析評(píng)價(jià)和優(yōu)化得出最佳整治方案。其間，對(duì)鋼軌廓形優(yōu)化和曲線超高對(duì)輪軌共振及噪聲的抑制效果利用動(dòng)力學(xué)分析軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算。

下行線振動(dòng)測(cè)試斷面Ⅰ和Ⅱ位于噪聲測(cè)試斷面兩側(cè)，測(cè)點(diǎn)位于曲線下股波磨波峰處正下方的鋼軌軌底。傳感器與鋼軌之間由高分子剛性絕緣托隔離；噪聲傳感器布置于線路兩旁的護(hù)欄處；所有信號(hào)線經(jīng)防護(hù)后埋于隱蔽處。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，被測(cè)區(qū)段下行線下股鋼軌已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重波磨，上行線下股鋼軌軌面較好，僅局部波磨。如圖 1所示，下行線列車通過(guò)時(shí)，噪聲明顯，輪軌振動(dòng)嚴(yán)重，幅值明顯增大，峰值達(dá)到680 m/s2，超出正常值100 m/s2，具有典型的共振特征；上行線列車通過(guò)時(shí)，僅產(chǎn)生正常的輪軌振動(dòng)，波形幅值均在正常范圍內(nèi)。

由輪軌動(dòng)力學(xué)理論可知，對(duì)于鋼軌上的某一點(diǎn)，當(dāng)產(chǎn)生由波磨引起的輪軌共振時(shí)，列車懸掛的自振頻率正好與波磨的波長(zhǎng)和行車速度發(fā)生耦合，列車的輪對(duì)會(huì)沿行車方向連續(xù)沖擊每個(gè)波磨的波峰；如此連續(xù)的高頻沖擊是形成此特定頻率噪聲的根本原因。輪軌共振可將振幅在特定頻段大幅度增加，容易誘發(fā)鋼軌及列車走行部的疲勞傷損，危及行車安全。本文通過(guò)對(duì)波磨的動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)結(jié)合信息化手段，對(duì)波磨反復(fù)出現(xiàn)的位置進(jìn)行軌旁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)波形進(jìn)行智能分析，以輪軌共振作為波磨整治標(biāo)準(zhǔn)之一，指導(dǎo)工務(wù)部門進(jìn)行狀態(tài)修和預(yù)防性整治。本次試驗(yàn)對(duì)比換軌前后效果、更換新型阻尼膠墊效果和更換減振扣件效果，并結(jié)合振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)提出優(yōu)化地鐵小半徑曲線輪軌噪聲的整治方案。

4 仿真模型及結(jié)果分析

4.1 仿真模型

應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立高速列車動(dòng)力學(xué)模型，模型中采用兩系懸掛，考慮輪軌接觸幾何關(guān)系的非線性、橫向止擋的非線性及部分減振器的非線性特性，由Kalker非線性蠕滑理論計(jì)算輪軌蠕滑力。車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型由1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)和8個(gè)軸箱組成，共50個(gè)自由度。車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型見圖2，首先將建立的轉(zhuǎn)向架模型作為子系統(tǒng)，然后通過(guò)子系統(tǒng)建模技術(shù)組裝建立整車動(dòng)力學(xué)仿真模型。

曲線半徑400 m ，超高120 mm ，車輛以平衡速度65 km/h 通過(guò)曲線。計(jì)算分析鋼軌廓形分別為TB60和60N時(shí)的鋼軌磨耗指數(shù)。如圖3可知，半徑400 m曲線上使用60N鋼軌的鋼軌磨耗顯著高于TB60。

接下來(lái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究曲線半徑400 m、超高120 mm、車輛運(yùn)行速度為65 km/h的情況下，不同鋼軌廓形與波磨深度對(duì)鋼軌磨耗指數(shù)和軸箱加速度的影響。

4.2 不同鋼軌廓形的影響

實(shí)驗(yàn)中軌底坡均為1/40、鋼軌波磨波深0.15 mm，如圖4所示：內(nèi)TB60，外TB60廓形對(duì)鋼軌磨耗指數(shù)影響最大；內(nèi)60N，外TB60對(duì)鋼軌磨耗指數(shù)和軸箱加速度影響最??；內(nèi)TB60，外60N對(duì)軸箱加速度影響最大。

4.3 不同波磨深度的影響

實(shí)驗(yàn)中其他條件不變，軌底坡1/40、鋼軌廓形TB60，如圖5所示：波磨深度為0.1 mm時(shí)對(duì)鋼軌磨耗指數(shù)和軸箱加速度影響最??；波磨深度為0.3 mm時(shí)對(duì)鋼軌磨耗指數(shù)和軸箱加速度影響最大。

5 整治方案及效果評(píng)價(jià)

本部分將闡述采用5種減磨降噪方案在北京地鐵不同線路進(jìn)行整治的實(shí)施背景、實(shí)施過(guò)程和最終效果。

5.1 整治方案1——更換耐磨軌

為保證行車安全，提升行車表現(xiàn)，對(duì)大興線西紅門—新宮上行區(qū)間3段（DK2 + 500～DK3 + 000、DK4 + 900～DK5 + 500、DK6 + 200～DK6 + 700）磨耗超限的鋼軌以線下小型氣壓焊焊接成長(zhǎng)軌條。新軌上線后再采用小型氣壓焊焊復(fù)龍口的方式進(jìn)行更換。焊后進(jìn)行探傷檢測(cè)，確保焊接接頭符合上線使用要求。

大興線軌道鋪設(shè)初期設(shè)計(jì)采用的是U71Mn鋼軌；同時(shí)，此區(qū)間小半徑曲線較多；運(yùn)營(yíng)10年間，半徑小于600 m的曲線鋼軌頂面出現(xiàn)魚鱗紋、碎裂、掉塊等缺陷。為減少類似缺陷重復(fù)出現(xiàn)及延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，參考14號(hào)、16號(hào)線既有線設(shè)計(jì)及鋼軌使用狀態(tài)，本次換軌地段鋼軌采用U75V（與14號(hào)、16號(hào)線一致）；其在焊接、硬度、強(qiáng)度、韌性上都優(yōu)于U71Mn材質(zhì)鋼軌。

按照施工計(jì)劃到車站進(jìn)行施工登記，接觸軌停電后對(duì)接觸軌進(jìn)行驗(yàn)電，做接地保護(hù)。施工作業(yè)前做安全交底。做好施工防護(hù)，施工中注意施工安全和人身安全；特種作業(yè)人員須持證上崗。改造過(guò)程中及結(jié)束后需由軌道專業(yè)具備相應(yīng)獨(dú)立安全檢查資格的人員對(duì)安全關(guān)鍵項(xiàng)目鋼軌（SCI-PW-004）進(jìn)行獨(dú)立安全檢查。更換鋼軌工作為夜間停運(yùn)后施工，不影響運(yùn)營(yíng)程序。

對(duì)收集整理整改前后的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)定的結(jié)果顯示，更換鋼軌后，減磨效果有明顯改善，噪聲比改造前平均降低 1～2 dB。減磨效果較好，降噪效果明顯。

5.2 整治方案2——更換楔形膠墊

北京地鐵目前設(shè)計(jì)軌枕預(yù)留軌底坡1/40，用于直線區(qū)段比較合適；而在曲線區(qū)段，由于超高的作用，車輪踏面與鋼軌頂面未能全部接觸，列車車體荷載就集中于鋼軌頂面內(nèi)側(cè)，形成不均勻偏載，有時(shí)會(huì)因輪緣擠壓鋼軌頭內(nèi)側(cè)作用邊，形成應(yīng)力角，造成應(yīng)力集中，形成磨耗，對(duì)鋼軌破壞很大，且鋼軌軌頭內(nèi)側(cè)容易產(chǎn)生傷損。在曲線地段更換安裝楔形膠墊，增大軌底坡，可以起到減緩偏載的作用。通過(guò)對(duì)北京地鐵4號(hào)線半徑400 m及以下曲線區(qū)段更換安裝的楔形膠墊數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，軌頭內(nèi)部作用邊的核傷數(shù)量明顯減少，但是減磨和降噪效果甚微。

5.3 整治方案3——非對(duì)稱性打磨

鑒于此前對(duì)于地鐵4號(hào)線異常波磨地段采用修理性打磨（repair rail grinding）的措施進(jìn)行整治，2臺(tái)打磨車每年平均出動(dòng)約160班次，對(duì)嚴(yán)重波磨地段每2月就需打磨1次。修理性打磨是按原始廓形整體向下進(jìn)行，雖然能有效地消除波磨的峰值，但也磨去了大部分的鋼軌加工硬化層，留下了存在殘余裂紋的軟質(zhì)金屬層（因?yàn)檩^深的裂紋沒被消除），軌頭的塑性變形也未消除，事實(shí)上更容易產(chǎn)生塑性變形（波磨）和接觸疲勞（裂紋和碾邊）；波磨發(fā)生的原因未根除，所以很快又復(fù)發(fā)；另外鋼軌踏面上的隱傷如斜裂紋仍然保留在波磨的波谷上，鋼軌與假輪緣小半徑反向凸起曲線相接觸的可能性仍然存在，軌距角外側(cè)角處的碾邊也未除去?？傊?，修理性打磨只能磨去波磨的峰值，沒有從波磨形成的原因上入手而改善鋼軌狀態(tài)。特別對(duì)于嚴(yán)重的波磨地段，因頻繁進(jìn)行修理性打磨，鋼軌斷面快速減小而導(dǎo)致鋼軌重傷而下道，大幅增加了維護(hù)費(fèi)用甚至難以為繼。

為了降低打磨導(dǎo)致的鋼軌磨耗，增加鋼軌使用壽命，將目前的修理性打磨向預(yù)防性打磨（preventative rail grinding）策略過(guò)渡，對(duì)曲線段鋼軌打磨采取不對(duì)稱打磨（Asymmetric rail grinding）的打磨技術(shù)措施，以期增加鋼軌使用壽命，降低噪聲，減少維護(hù)費(fèi)用。

鑒于目前地鐵4號(hào)線全線軌底坡離散，且95%的軌底坡超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，故將打磨車系統(tǒng)中軌底坡按照實(shí)際平均值設(shè)定，即1/20進(jìn)行預(yù)防性打磨。在曲線段采用不對(duì)稱打磨時(shí)，因打磨車電機(jī)角度是一個(gè)固定值，不可能隨著軌底坡的變化而變化，打磨鋼軌不同的弧面時(shí)打磨寬度、角度會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，而不能構(gòu)建出理想廓形。對(duì)于軌底坡超限率離散率不大于100%的區(qū)段，以該段段軌底坡的均值為根據(jù)來(lái)設(shè)置電機(jī)的角度；對(duì)于軌底坡超限嚴(yán)重、離散率大的地段（大于100%），在軌底坡改正之前，不按照曲線不對(duì)稱廓形進(jìn)行修廓整形。

鋼軌不對(duì)稱廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)原則：

（1）曲線地段使外軌的輪軌接觸區(qū)盡量靠近輪緣，內(nèi)軌輪軌接觸區(qū)盡量遠(yuǎn)離輪緣，以得到最大的內(nèi)外輪之間的滾動(dòng)半徑差，同時(shí)又要避免外輪緣與鋼軌軌距角接觸；

（2）直線地段將輪軌接觸區(qū)移向軌頂面中心，并保持軌頂面規(guī)定的半徑；

（3）輪軌間接觸寬度既不能過(guò)大，以免加劇輪軌間蠕滑作用導(dǎo)致波磨，又不能太小以免接觸應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生疲勞損傷；實(shí)踐證明接觸寬度 25 mm 較合適；

（4）設(shè)計(jì)出的廓形斷面應(yīng)使得金屬切削量盡可能地小，節(jié)省打磨費(fèi)用和延長(zhǎng)鋼軌的壽命。

本次試驗(yàn)區(qū)間選取新街口—西直門（上下行），打磨周期為30天；魏公村—人民大學(xué)（上下行），打磨周期為30天；北京南站—馬家堡（上下行），打磨周期為119天；國(guó)家圖書館—?jiǎng)游飯@（上行），打磨周期為91天；公益西橋—新宮（下行），打磨周期182天；黃村火車站—義和莊（上下行），打磨周期為182天。

本次試驗(yàn)的目的在于：探究軌底坡不良狀態(tài)下的不對(duì)稱打磨廓形；針對(duì)不同半徑曲線的適用廓形進(jìn)行探索；通過(guò)精確調(diào)整電機(jī)角度、打磨壓力和控制打磨車作業(yè)車速來(lái)細(xì)化打磨方式，積累精細(xì)化打磨作業(yè)經(jīng)驗(yàn)；按照預(yù)防性打磨策略，探究不同線型、不同軌道結(jié)構(gòu)鋼軌的打磨周期和打磨量與波磨發(fā)生發(fā)展速度之間的量化關(guān)系，確定不同線型、不同軌道結(jié)構(gòu)鋼軌的合理打磨周期和打磨量。在鋼軌自然磨損和鋼軌打磨的共同作用影響下，探究鋼軌的合理使用壽命，對(duì)鋼軌進(jìn)行全壽命管理。

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果持續(xù)跟蹤分析，波磨發(fā)展速度下降為原速度的一半；噪聲發(fā)展速度下降為原速度的2/3。減磨效果良好，噪聲比改造前平均降低1～2 dB，降噪效果明顯。

5.4 整治方案4——調(diào)整曲線超高

由于地鐵14號(hào)線使用的A型車車軸重較大，曲線外股形成側(cè)磨，目前部分曲線段側(cè)磨已達(dá)到2 mm，側(cè)磨發(fā)展速率1 mm/年；故將曲線外股超高調(diào)至10 mm，借此減輕外股側(cè)磨，最終降低噪聲和增加外股鋼軌使用壽命。

實(shí)施中，對(duì)起道完畢的的曲線按照以下容許偏差管理值進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)超限區(qū)段再次進(jìn)行調(diào)整。曲線超高在緩和曲線內(nèi)遞減順坡，無(wú)緩和曲線時(shí)在圓曲線兩段直線段遞減順坡，超高順坡率一般不大于2‰，困難條件下不宜大于2.5‰。按照行車通告中的施工計(jì)劃在相應(yīng)的車站登記、要點(diǎn)，召開施工前的安全預(yù)想會(huì)。作業(yè)隊(duì)長(zhǎng)[CP（T）人員]監(jiān)督作業(yè)人員按規(guī)定著裝、按照相關(guān)工作指引進(jìn)行起道作業(yè)，并在起道后對(duì)起道量進(jìn)行檢查核對(duì)。CP（T）人員在施工結(jié)束后檢查現(xiàn)場(chǎng)，做到工完場(chǎng)清，清點(diǎn)人數(shù)，注銷施工登記。

經(jīng)第三方檢測(cè)單位收集整理整改前后的振動(dòng)數(shù)據(jù)，綜合評(píng)定，調(diào)整曲線超高后，減磨效果有明顯改善，降噪效果不明顯。

5.5 整治方案5——更換減振扣件

因有居民投訴地鐵大興線高米店北站—高米店南站區(qū)間列車經(jīng)過(guò)時(shí)，晝夜都有頻繁的隆隆聲，已嚴(yán)重影響小區(qū)居民的正常生活。為解決以上問(wèn)題，經(jīng)研究，擬對(duì)大興線高米店北站—高米店南站區(qū)間上行線（DK9 + 250 ～DK9 + 540）進(jìn)行原DTⅥ2型扣件更換為先鋒扣件的減振改造。

組織施工、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)單位溝通施工方案和實(shí)施計(jì)劃，確保將其對(duì)正常運(yùn)營(yíng)的影響降至最小范圍，委托第三方檢測(cè)單位對(duì)實(shí)施減振改造區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)勘并布設(shè)檢測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，及時(shí)修正、完善技術(shù)方案。施工前檢查施工人員、勞動(dòng)防護(hù)用品及工器料具準(zhǔn)備情況。施工過(guò)程中，施工負(fù)責(zé)人和監(jiān)理工程師檢查扣件施工作業(yè)程序，確保嚴(yán)格按照擬定方案實(shí)施。施工結(jié)束后，施工負(fù)責(zé)人、監(jiān)理工程師、線路專業(yè)工程師及其他涉及專業(yè)人員共同檢查施工區(qū)段的作業(yè)質(zhì)量（主要包括線路、接觸軌的幾何尺寸，附屬設(shè)備的傷損情況，檢查現(xiàn)場(chǎng)是否有遺留的工器料具以及可能影響運(yùn)營(yíng)的其他情況），確認(rèn)無(wú)誤后方可注銷施工申請(qǐng)。

經(jīng)第三方檢測(cè)單位收集整理整改前后的振動(dòng)數(shù)據(jù)，綜合評(píng)定，更換減振扣件后，減磨效果有明顯改善，噪聲比改造前平均降低1 dB。減磨效果較好，降噪效果明顯。

綜上所述，采用5種整治方案的減磨、降噪效果如表2所示。

表2 整治效果評(píng)價(jià)表 dB

6 結(jié)論

本文提出的措施可有效降低由輪軌共振造成的異常噪聲1～2 dB，提升了旅客乘坐舒適性，減輕了沿線周邊的噪聲污染，消除了列車走行部在小半徑曲線的疲勞源，提高了列車運(yùn)營(yíng)安全性。同時(shí)，本文提出地鐵小半徑曲線減磨降噪技術(shù)方案，通過(guò)鋼軌非對(duì)稱性打磨明顯提升減磨和降噪效果，并為鋼軌預(yù)防性打磨做了一定的預(yù)研工作，提高了鋼軌的使用壽命。