淺談鋼軌異常波磨對北京地鐵6號線設備的危害及整治

摘要 地鐵新線開通后，普遍存在的扣件彈條零星折斷、部分軌枕墩不同程度的破損開裂等屬正?，F象。但運營不久，扣件彈條在未達到疲勞期狀況下，在同一區(qū)間、同一地段頻繁發(fā)生折斷，病害地段軌枕墩破損處點增加，從線路維修保養(yǎng)角度講這些均屬異?，F象。經排查，問題地段鋼軌表面均呈現異常波磨。隨之帶來的列車運行晃動、震動噪聲等次生問題不斷增加，嚴重地段的軌道設備損壞高發(fā)，危及行車安全。因此，整治鋼軌異常波磨，減緩波磨對軌道線路設備的危害，對提高列車運行質量顯得尤為重要。文章以北京地鐵6號線軌道線路為例，通過對小半徑曲線、減振器軌道結構地段、鋼軌初始不平順等地段進行整治，分析治理效果，提出鋼軌異常波磨的整治方法、預防措施和新線接收建議，從而達到延緩鋼軌異常波磨的產生周期，緩解輪軌系統(tǒng)的振動和噪聲，提高安全運營質量和乘車舒適度的目的。

關鍵詞 鋼軌波磨；北京地鐵6號線；設備危害；分析；整治措施

中圖分類號 U213.42 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0011-03

0 引言

近些年，城市軌道交通建設發(fā)展迅速，運營里程不斷增加，新線運行速度提高，運量也呈逐年增長趨勢，高負荷常態(tài)化運轉狀態(tài)也對軌道線路維修質量帶來更高要求和嚴峻考驗，人們對地鐵運營的安全水平和舒適程度越來越關注。因此，保障地鐵列車運行安全，提高運營質量顯得尤為重要。在當前軌道養(yǎng)護與維修中，加強對異常波磨的檢查與監(jiān)控，重點對小半徑曲線地段、減振器軌道結構地段、鋼軌初始不平順地段進行綜合治理。該文通過試驗段檢驗成果，形成維修方法，并應用到常態(tài)化養(yǎng)護維修工作中，為北京地鐵高質量發(fā)展提供有力保障。

1 鋼軌波磨概述及分類

鋼軌波磨是指在鋼軌走行帶表面出現的，像波浪一樣規(guī)律性凸、凹不平的鋼軌波浪形磨耗（以下簡稱“鋼軌波磨”）[1]。與軌面擦傷、焊縫不平、接頭錯牙等隨機性的傷損形式不同，鋼軌波磨具有顯著的周期性特征。

鋼軌波磨的波長范圍一般為25～1 500 mm。波磨出現后，鋼軌表面出現“亮峰暗谷”，肉眼很容易識別，波深一般在50～100 μm，嚴重的達0.2～1.0 mm，甚至大于1.0 mm。短波的鋼軌波磨一般在25～80 mm，這種鋼軌也被稱為“嘯叫鋼軌”；長波的鋼軌波磨一般在80～1 200 mm。北京地鐵6號線鋼軌波磨的波長在50～80 mm之間，屬于“嘯叫鋼軌”。

2 北京地鐵6號線鋼軌波磨情況介紹及成因分析

北京地鐵6號線于2012年12月底開通，開通4個月后在南鑼鼓巷－東四區(qū)間出現第一條波磨，波磨值為0.096 mm。之后波磨發(fā)展迅速，在2013年底波磨區(qū)段已經增加至30條，波磨值達到0.190 mm。波磨區(qū)段每年都在增加，先后出現144處波磨區(qū)段，波磨長度累計達32.8 km，最大波深達到0.45 mm。波磨區(qū)段包括曲線和直線，在減振道床和普通道床上均有出現。隨著時間推移，軌道及車輛設備越發(fā)疲勞，鋼軌在頻繁的荷載作用下使波磨區(qū)段加快形成。

通過實地調查，鋼軌波磨現象呈現以下特征：

（1）除縱向軌枕道床結構外，其余各種軌道結構形式均出現鋼軌波磨現象，其中以鋼彈簧浮置板道床結構區(qū)段最為嚴重。

（2）減震道床中，梯形軌枕在某小半徑（R=650 m）曲線地段出現波磨，打磨周期為6個月；在鋼彈簧浮置板道床區(qū)段，直線、曲線地段均出現連續(xù)的、波長固定為23～74 mm之間的波磨現象，鋼軌打磨后3個月再次出現。

（3）普通道床中，波磨均發(fā)生在小半徑曲線地段或S形曲線頭尾，且多產生在曲線下股。

（4）波磨出現位置常位于區(qū)間列車的勻速運行地段、車站及其兩端的加減速和曲線地段。

綜合上述分析，鋼軌波磨的成因與軌道結構選型及剛度、線路幾何形態(tài)、行車速度以及鋼軌材質等諸多因素有關：

（1）各種類型的減振軌道扣件剛度和阻尼差異較大，在提供一定減振能力的同時，誘發(fā)了鋼軌波磨。

（2）曲線半徑對波磨的影響。曲線半徑越小，輪軌之間出現滑動的概率越大，輪對的黏滑振動越容易被激發(fā)，波磨的發(fā)展就越快。

（3）造成鋼軌波磨的直接原因是車輪與鋼軌接觸時不能完全滾動通過，而是以蛇形運動方式滑動或跳動地通過線路。

（4）線路結構設計原因。線路自身振動頻率與列車振動頻率重合，列車經過時引起列車與線路的共振，車輪以“滾動+跳動”形式行駛，引起非正常波磨。

3 鋼軌波磨對6號線設備的危害

鋼軌波磨是一種周期性鋼軌踏面缺陷[2]，列車經過波磨地段時會產生鋼軌高頻振動，引起輪對、轉向架及車體的上下劇烈振動，加大輪軌間相互作用力，使得輪軌關系加劇惡化，加速機車車輛及軌道部件的損壞，影響列車平穩(wěn)舒適運行，發(fā)展嚴重時會導致線路零件松動脫落、扣件失效，導致列車脫軌，危及行車安全。以北京地鐵6號線鋼軌波磨為例，異常波磨造成的危害如下：

3.1 鋼軌波磨地段的線路設備及零部件頻繁損壞

（1）扣件失效，影響行車安全。物資學院路—通州北關區(qū)間的鋼軌波磨嚴重地段，存在大量DTVI2型彈條和T形地腳螺栓折斷，甚至完全脫落問題，并且存在同一地點多次折斷現象。

（2）軌道框架加固地段，防脫護軌零件脫落，影響行車安全。青年路—褡褳坡區(qū)間，在安裝防脫護軌和拉桿區(qū)段出現鋼軌波磨，列車通過時在輪軌作用下產生劇烈振動，造成防脫護軌零件及軌距拉桿的松動脫落。

（3）減震道床出現裂縫，存在安全隱患。南鑼鼓巷—東四區(qū)間，4條半徑為300 m的小半徑曲線下股鋼軌波磨嚴重、上股側磨嚴重，列車通過時振動如敲鼓聲一般，軌枕墩及道床上出現裂紋，存在安全隱患。

（4）鋼軌軌面疲勞掉塊及碎紋，增加斷軌風險。鋼軌波磨引發(fā)輪軌劇烈的相互作用，造成鋼軌軌頭發(fā)生磨損、塑性變形、魚鱗紋等損傷，使得鋼軌頂面與輪軌接觸后產生疲勞裂紋。

3.2 鋼軌波磨對車輛設備的影響

車輛檢修人員發(fā)現車輛底部線纜上掛有一個折斷的彈條，當天有異物將輔助控制箱的一個閥門打斷，造成列車調線。之后又出現列車玻璃被異物打擊碎裂、列車底部某部位被異物打擊等問題的發(fā)生，出現輪緣嚴重磨損等故障，嚴重影響了行車安全。

3.3 鋼軌波磨治理耗費人、財、物力巨大

由于波磨發(fā)展迅速、周期短，北京地鐵線路公司為保障安全運營，只能在波磨發(fā)生地段頻繁進行鋼軌打磨作業(yè)，從而造成鋼軌垂直磨耗超限，需要大規(guī)模成段更換鋼軌，造成維修養(yǎng)護工作中人、財、物的成本大幅增加。

3.4 波磨軌可引起軌道、車輛的劇烈振動和周圍噪聲

鋼軌波磨使得輪軌作用產生“嘯叫”聲，造成嚴重的噪聲污染。鋼軌波磨引起輪軌接觸關系惡化造成的劇烈振動，加大了車輪和鋼軌的振動輻射噪聲，嚴重影響乘客乘車的舒適性。

4 6號線鋼軌波磨整治措施

鋼軌波磨的整治是一個系統(tǒng)工程，主要影響因素[3]包括軌道剛度、扣件零部件質量、軌道幾何形位、鋼軌材質、鋼軌（預）打磨狀態(tài)等，涉及環(huán)節(jié)包括設計、鋪軌施工、養(yǎng)護維修等，需從這些環(huán)節(jié)采取全面措施，方可有效減緩鋼軌異常波磨的產生速度。因此，鋼軌波磨問題需采用綜合技術方式進行處理，結合近些年北京地鐵6號線鋼軌波磨整治的實踐經驗，提出了一些鋼軌波磨的整治措施：

4.1 軌道專業(yè)整治措施

4.1.1 鋼軌打磨，降低、減緩曲線地段軌道振動

定期對鋼軌波浪形磨耗進行測量，結合晃車、扣件折斷、噪聲嚴重地段有計劃地進行鋼軌打磨、銑磨作業(yè)。目前，北京地鐵6號線主要進行修理性打磨和保養(yǎng)型打磨，當鋼軌波磨深度達到0.2 mm時，即盡快安排打磨，每次打磨應徹底，對軌道不平順及時整治消除。

嚴格建立鋼軌打磨和銑磨機制，對鋼軌波磨地段進行周期性打磨，減緩軌道振動是解決波磨對扣件危害的主要方法。例如，物資學院站—通州北關站區(qū)間650 m小半徑曲線折斷數量較多，通過打磨前后3個月彈條折斷情況的對比，效果非常明顯，列車通過此區(qū)段的噪聲和晃車現象明顯減小。

4.1.2 優(yōu)化設計，增加扣件彈性和鋼軌配重，改變輪軌共振頻率

對波磨地段造成的軌下扣件異常折斷進行整治實驗，驗證鋼軌波磨的改善效果。6號線根據波磨、彈條折斷統(tǒng)計、折斷分布位置、折斷的道床形式以及地腳螺栓、墊板的磨損等情況，通過建立試驗段的方法，尋找減緩鋼軌波磨引起扣件頻繁折斷的方法。試驗段每段200 m（單線）。

（1）增加軌下扣件彈性：

試驗段1：更換雙彈簧墊圈。原有的單彈簧墊圈斷面為“方形”，在列車通過產生振動后，墊板與墊圈之間產生磨損，加上波磨地段帶來的車輛晃動，使它們之間的磨損加劇，導致螺栓松動、墊板不穩(wěn)定、扣件折斷加劇。現將單彈簧墊圈換下，更換斷面為“弧形”的雙彈簧墊圈，彈性增大，墊板與墊圈之間的磨損減小。彈條折斷情況：更換前6個月折斷4個，更換后至今折斷3個。

試驗段2：更換高彈聚酯墊板。將原有聚酯墊板更換為高彈性聚酯墊板，使鋼軌與鐵墊板之間和鐵墊板與道床之間的彈性增大，列車通過時鋼軌承受的壓力減小，削弱列車晃動，有效降低彈條折斷頻率。彈條折斷情況：更換前6個月折斷39個，更換后至今折斷4個。

試驗段3：同時更換雙彈簧墊圈和高彈聚酯墊板。此舉使列車通過時既減小墊板與墊圈之間的磨損又減小了鋼軌承受的壓力，同時增大了扣件與墊板之間的彈性。雙重效果下的彈條折斷情況：更換前6個月折斷12個，更換后至今折斷1個。

（2）降低軌下墊板、扣件剛度：

試驗段4：更換鑲嵌式墊板。①將軌下普通鐵墊板更換為鑲嵌式墊板，鑲嵌式墊板的中間部位是活動的，鋼軌與活動塊緊密連接，活動塊上膠墊增加了與鋼軌間的彈性，在列車產生振動時，墊板整體相對穩(wěn)定，連接墊板的螺栓及彈條不受振動影響。彈條折斷情況：更換前6個月折斷1個，更換后至今未發(fā)生折斷。②2019年1月，6號線朝陽門—東大橋段更換新式鑲嵌式墊板。朝陽門—東大橋上行區(qū)間K14+700～K15+060區(qū)段波磨嚴重，波深達到0.192 mm。為減緩此區(qū)段波磨對設備的危害，特建立試驗段，在此區(qū)段安裝WJ-16型扣件（如圖1）和ZK-1B型扣件（如圖2）替換DTVI2型扣件，此兩種形式扣件均為高端減震扣件，安裝后的治理效果需持續(xù)監(jiān)測并進行數據分析，其特點[4]為：

安裝條件與現有的DTVI2扣件完全一致；豎向剛度低，隔振能力高（6 dB）；橫向剛度大，行車安全性好；具有變剛度能力，可延緩波磨的發(fā)展速度；疲勞壽命高，600萬次疲勞后性能仍很優(yōu)異；所有零件皆可拆換，易于養(yǎng)護維修。

（3）增加鋼軌配重：

試驗段5：安裝TRD減振扣件。增加鋼軌重量，使鋼軌在列車通過時振動幅度減小。在鋼軌內、外側軌腰加裝TRD減振扣件。安裝后該區(qū)段波磨減緩、噪聲降低，扣件折斷現象也減少，效果顯著，但由于成本過高未得到普及。

通過試驗段數據統(tǒng)計顯示，試驗前半年與試驗后至今的折斷扣件數據對比：試驗段2效果最好，試驗段3其次，試驗段4和試驗段5成本高未采納，試驗段1相對性價比高，效果顯著。因此，將6號線鋼彈簧浮制板道床及普通短軌枕墩整體道床的地腳螺栓單彈簧墊圈全部更換為雙彈簧墊圈，目前已更換34萬余個，鋼軌波磨得到緩解。

4.1.3 加裝軌頂摩擦控制裝置

北京地鐵6號線南鑼鼓巷—東四半徑為300 m的曲線波磨現象嚴重，在曲線內股加裝軌頂摩擦控制裝置6個月后，線路狀態(tài)運行良好，有效延緩了鋼軌波磨的進一步發(fā)展。因此，應在波磨形成及發(fā)展較快的曲線地段，在鋼軌徹底打磨平整后，增設軌頂摩擦控制裝置[5]，調整輪軌接觸關系，以有效減緩鋼軌異常波磨的形成。

4.1.4 更換耐磨鋼軌

北京地鐵6號線采用U71Mn鋼軌，鋼軌硬度普遍偏低，造成軌頭磨耗快、易產生塑性變形，是形成鋼軌波磨的原因之一。采用高強度的U75V鋼軌或全長淬火熱處理鋼軌，能提高鋼軌的強度、硬度和耐磨性，較好地克服鋼軌表面疲勞和塑性變形，延緩波磨現象發(fā)生。

4.2 車輛方面防治措施

推廣采用磨耗型車輛踏面，采用優(yōu)化的磨耗型踏面，使輪軌間有良好的匹配關系。磨耗型踏面與一般錐形踏面在外形上有顯著不同，磨耗型踏面是圓弧形，一般錐形踏面是直線形。磨耗型踏面能增大輪軌的接觸面積，減小輪軌接觸應力，改善車輪通過曲線地段的鋼軌性能，防止兩點接觸以降低橫向導向力，緩解輪軌磨耗。

4.3 新線接收檢測與預防性打磨

4.3.1 動（靜）態(tài)檢測

目前，新線驗收通常采用靜態(tài)檢測，靜態(tài)檢測軌距及水平等；而動態(tài)檢測的結果接近車輛及軌道作用時的狀態(tài)，建議進行動態(tài)檢測，重點包括動態(tài)軌距及水平等幾何狀態(tài)是否達標、曲線正矢偏差是否符合標準、扣件零部件是否保持正常狀態(tài)等。

4.3.2 預打磨

建議驗收新線時，加強對焊接接頭的檢測，以及對鋼軌初始不平順的檢測，運行前應要求施工方對線路進行預打磨等。

5 結論

針對北京地鐵6號線鋼軌波磨對設備帶來的危害進行總結，發(fā)現波磨出現的重點地段為小曲線半徑地段、減振器軌道結構地段、減振道床地段等。超過標準時，應及時打磨處理，防止波磨加劇和軌頭的塑性變形。在特殊地段，當打磨后的異常波磨再次出現時，應更換高強度鋼軌。對于減振器扣件的共振現象，應改造扣件彈性結構，改變扣件的阻尼和剛度，避免共振，從而達到延長設備使用壽命、減緩振動幅度、降低噪聲、確保運營安全的目的。

加強日常檢查和養(yǎng)護維修，通過鋼軌打磨、調整軌道結構剛度、加裝軌頂摩擦裝置、更換耐磨軌等措施可以提高軌道平順性，降低輪軌的沖擊與振動，從而減少鋼軌波磨的產生。接收新線時，焊縫探傷組提前介入，加強對焊接接頭的檢測；線路檢查組加強對鋼軌初始不平順的檢測，運行前對線路進行預打磨，減少線路的初始不平順。

參考文獻

[1]范欽海. 鋼軌波浪形磨耗形成機理及減緩措施研究[J]." 中國鐵道科學， 1994（2）： 22-39.

[2]練松良， 孫琦， 王午生." 鐵路曲線鋼軌波磨及其減緩措施[M]." 北京：中國鐵道出版社， 2001： 161-172.

[3]劉學毅， 印洪．鋼軌波形磨耗的影響因素及減緩措施[J]." 西南交通大學學報， 2002（5）： 483-487.

[4]城市軌道交通WJ-16型扣件和ZK-1B型施工設計說明， 2018-12.

[5]北京地鐵5號線KELTRACK波磨控制試驗. 2010-8.

收稿日期：2024-03-21

作者簡介：吳建鋼（1989—），男，本科，工程師，研究方向：城市軌道交通線路維修。