葉利賓，王迦淇，肖 宏

(1.北京地鐵運營公司，北京 100044；2.北京交通大學(xué)軌道工程北京市重點實驗室，北京 100044)

引言

地鐵具有舒適、方便、安全和綠色等特點，是當(dāng)今許多城市交通運輸?shù)闹匾绞?。然而，隨著城市人口不斷增加、交通壓力越來越大，使得地鐵列車行駛速度、行車密度大幅提高，導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

20世紀90年代，國外學(xué)者通過對滾動噪聲機理的深入研究，逐步建立鋼軌表面不平順的評價方法，并提出了歐洲典型的鋼軌表面短波不平順評價體系。目前，在國外與鋼軌波磨的測量及評價有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有:BS EN ISO3095:2013《鐵路專用標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)輪軌系統(tǒng)引起的噪聲測量》[10]，其提出了鋼軌表面粗糙度的1/3倍頻程波長譜限值；BS EN 13231—3:2006《鐵路專用標(biāo)準(zhǔn)軌道工程驗收:鋼軌打磨、銑磨和刨磨驗收標(biāo)準(zhǔn)》[11]規(guī)定，以移動波深幅值峰-峰平均值PPR等參量作為鋼軌表面不平順的評價指標(biāo)；BS EN 15610:2009《鐵路專用標(biāo)準(zhǔn)噪聲排放與引起輪軌滾動噪音相關(guān)的鋼軌表面短波不平順的測量》[12]，規(guī)范了鋼軌波磨的測量要求及方法。我國現(xiàn)有鋼軌打磨標(biāo)準(zhǔn)分為鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)，分別是普速鐵路標(biāo)準(zhǔn)[13]、高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)[14]和地鐵地方標(biāo)準(zhǔn)。高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的打磨標(biāo)準(zhǔn)為波深超過0.04 mm(車載)和0.08 mm(手工)，而普速鐵路標(biāo)準(zhǔn)和北京市地方標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定鋼軌波磨波深超過0.3 mm時，需進行鋼軌打磨。

國外鐵路在打磨后的評價方法主要是粗糙度級、移動波深幅值峰-峰平均值PPR法以及移動波深幅值有效值平均值RMS法，國內(nèi)現(xiàn)有打磨標(biāo)準(zhǔn)均采用鋼軌波深方法。然而，結(jié)合北京地鐵實際運營情況，在很多波磨區(qū)段的波深未達到我國打磨標(biāo)準(zhǔn)時，其軸箱加速度和噪聲已經(jīng)很大，表明現(xiàn)行的鋼軌波深標(biāo)準(zhǔn)不能有效地指導(dǎo)打磨作業(yè)。因此，提出城市軌道交通采用粗糙度級評價打磨后的標(biāo)準(zhǔn)，并總結(jié)打磨的基準(zhǔn)線；同時，提出計算分析軸箱加速度和疲勞壽命得出鋼軌波磨級的方法，并通過實測數(shù)據(jù)驗證粗糙度級和波磨級兩種方法的正確性，從而更加合理地評價波磨情況，指導(dǎo)鋼軌打磨維保周期，科學(xué)合理評價打磨質(zhì)量，降低輪軌間的作用力，提高設(shè)備的可靠度，對確保行車安全平穩(wěn)具有重要意義。

1 北京地鐵鋼軌波磨現(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(biāo)及打磨維護規(guī)范指標(biāo)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(biāo)的系統(tǒng)化科學(xué)研究，指導(dǎo)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(wù)品質(zhì)。

圖1 曲線鋼軌波磨現(xiàn)場

2 鋼軌波磨現(xiàn)行打磨標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國現(xiàn)有的鋼軌打磨標(biāo)準(zhǔn)為普速鐵路線路修理規(guī)則、北京市地方標(biāo)準(zhǔn)和高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)。

普速鐵路線路修理規(guī)則中對波磨深度超過0.3 mm傷損時應(yīng)進行修理性打磨或銑磨。

地方標(biāo)準(zhǔn)城市軌道交通設(shè)施養(yǎng)護維修技術(shù)規(guī)范中，對線路上成段的鋼軌波浪形磨耗(波深0.3 mm)、飛邊、馬鞍形磨耗和焊縫凸凹等病害，使用打磨車采用修復(fù)性打磨，對于既有運營線路應(yīng)每年不少于一次進行預(yù)防性打磨，消除疲勞傷損，延長鋼軌使用壽命。

高速鐵路鋼軌波磨整治限度見表1。

表1 鋼軌波磨整治限度

綜合考慮以上3個標(biāo)準(zhǔn)可知，我國鋼軌波磨的打磨標(biāo)準(zhǔn)均以鋼軌波深值為判斷依據(jù)。雖然高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的波深為0.04 mm(車載)和0.08 mm(手工)，但由于高速鐵路時速過高，要求過嚴，城市軌道交通不宜采用高鐵標(biāo)準(zhǔn)。普速鐵路標(biāo)準(zhǔn)和北京市地方標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定鋼軌波磨波深超過0.3 mm時，需進行打磨作業(yè)。這種測量及評價指標(biāo)過于粗糙，不利于針對鋼軌異常波磨的詳細分析及提出合理的維護養(yǎng)修計劃。目前，部分線路的鋼軌波深僅為0.2 mm時，彈條振動加速度最大值為865g，彈條振動有效值為310g，鋼軌振動加速度最大值為461g，鋼軌振動有效值為212g，造成該區(qū)段的扣件折斷傷損嚴重，車輛構(gòu)架開裂，輪軌間疲勞破壞現(xiàn)象顯著，噪聲在400～600 Hz，等效A聲級90 dB以上，降低了乘客的舒適度。此外，我國鋼軌波磨的測量和評價方法均利用平直尺測量波磨的方法，測量頻率為抽檢，抽取波磨上的幾個點，無法全面測量曲線。因此，現(xiàn)行鋼軌波深標(biāo)準(zhǔn)不能科學(xué)合理地指導(dǎo)地鐵鋼軌打磨作業(yè)，需研究出適合城市軌道交通鋼軌波磨的評價指標(biāo)。

3 現(xiàn)場波磨測試

北京地鐵某線R=450 m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(biāo)采用A計權(quán)的等效聲壓級，限值為83 dB。

測試結(jié)果如圖2所示，將實測鋼軌表面不平順進行100 mm以下濾波后(波磨主要頻段)，在嚴重區(qū)間取1 m范圍的典型區(qū)段。可以看出，1 m范圍內(nèi)約有16個周期，波磨特征波長在63 mm左右。最大波深-波谷量值僅為0.11 mm左右，遠未達到0.3 mm的現(xiàn)行打磨標(biāo)準(zhǔn)，但嚴重短波波磨引起的高頻振動已經(jīng)導(dǎo)致了T形螺栓斷裂病害。此外，如圖3所示，噪聲儀測試的噪聲級均在94.25 dB以上，大大超出了規(guī)范限值83 dB。

圖2 實測鋼軌表面不平順(0～100 mm濾波)

圖3 測試波磨地段噪聲

4 鋼軌波磨評價指標(biāo)

4.1 鋼軌粗糙度

規(guī)范BS EN ISO3095:2013《鐵路專用標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)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(biāo)，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(biāo)采用1/3倍頻程波長譜的形式，描述了不同波長對應(yīng)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

(1)

式中，Lr為鋼軌表面不平順譜值，dB；r0為鋼軌表面短波不平順參考值，取1 μm；rrms為鋼軌表面波磨幅值有效值。

規(guī)范中，以1997年歐洲鐵路研究所(ERRI)對一些被認為是線路條件極好的軌道進行了鋼軌表面短波不平順的測量數(shù)據(jù)為背景，采用統(tǒng)計方式對軌道短波不平順功率譜進行分析，對輪軌噪聲排放與鋼軌表面粗糙度的關(guān)系進行研究，提出了容許1/3倍頻程波長譜限值。但實踐發(fā)現(xiàn)，此限值并不適用于我國城市軌道交通。

因此，為提出適用于城市軌道交通的粗糙度限值，對現(xiàn)場鋼軌進行表面不平順測試，通過計算得出不同時間鋼軌粗糙度級，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 鋼軌表面不平順粗糙度級

取該區(qū)段在多次打磨后的鋼軌粗糙度平均值作為驗收基準(zhǔn)線。將不同月份的鋼軌粗糙度與基準(zhǔn)線進行對比可知，此區(qū)段存在嚴重的63 mm短波波磨，與實測鋼軌表面不平順?biāo)媒Y(jié)果一致。2018年6月粗糙度級達到10 dB，7月進行了打磨，打磨后9月測試出的數(shù)據(jù)較小，2018年11月至2019年2月粗糙度級發(fā)展較快，2月已經(jīng)發(fā)展到21.16 dB，已經(jīng)嚴重超限，需進行打磨維護。綜上所述，可采用鋼軌粗糙度作為檢驗鋼軌打磨是否合格的標(biāo)準(zhǔn)。

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(zhǔn)確率相當(dāng)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(biāo)，對鋼軌波磨指數(shù)進行分類[18]。

由于軸箱與輪對直接相連，軌道短波不平順引起的振動能夠傳遞到車輛軸箱，因此，采用軸箱振動加速度反映軌道不平順狀態(tài)具有較好的效果。其定義是，軸箱垂向振動加速度移動有效值與其平均值的比值，具體表達式如下[19]

(2)

式中，N為振動加速度級，即波磨指數(shù)；Ap為實測振動加速度有效值；A0為基準(zhǔn)值，取值為各線平均值2.71g。

鋼軌波磨指數(shù)監(jiān)測的原理和過程為，在波磨地段輪軌間產(chǎn)生的沖擊振動，經(jīng)軸承座傳播到加速度傳感器上，采用中心頻率也為32 kHz的帶通濾波器拾取該沖擊振動；然后，再經(jīng)可調(diào)的衰減器和放大器，以及包絡(luò)檢波得到解調(diào)后的信號，即為軸箱加速度值A(chǔ)p。由表2可知，路網(wǎng)的平均振動加速度值為2.71g，以該值作為振動加速度的基準(zhǔn)值。

表2 北京地鐵路網(wǎng)車輛軸箱加速度平均值統(tǒng)計 g

以某線波磨地段為例，根據(jù)圖5所示，2019年1月軸箱加速度最大為6.34g，2019年3月軸箱加速度最大為13.23g，僅2個月的時間軸箱加速度增大了2倍。在5月份進行了鋼軌打磨后，軸箱加速度最大值降至4.6g，降幅高達65.2%。

圖5 地鐵10號線部分區(qū)間軸箱加速度變化曲線

通常在進行疲勞壽命預(yù)測時，如果結(jié)構(gòu)是承受周期性的正弦荷載，那么只需計算出靜載狀態(tài)下應(yīng)力最大值，然后根據(jù)材料的S-N曲線進行預(yù)測即可。但實際情況中，荷載譜往往是較為復(fù)雜的。因此，Miner線性疲勞累計理論更多地被運用到實際當(dāng)中，其本質(zhì)是將荷載譜進行拆分，轉(zhuǎn)換為多個簡單荷載譜的疊加。假設(shè)結(jié)構(gòu)壽命為n，每個拆分后的荷載對應(yīng)的疲勞壽命為Ni，則拆分后的荷載對結(jié)構(gòu)疲勞的貢獻值為n/Ni，當(dāng)所有荷載的貢獻值累加起來等于1時，認為結(jié)構(gòu)發(fā)生了疲勞破壞。

根據(jù)材料的疲勞強度S-N曲線和Miner線性疲勞累計傷損法則，Q345構(gòu)架焊接縫應(yīng)力幅水平與發(fā)生疲勞破壞所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系如下[20]

σmN=C

(3)

式中，σ為應(yīng)力幅或最大應(yīng)力；N為達到疲勞極限時的循環(huán)次數(shù)；C值為常數(shù)。對于構(gòu)架焊接縫，取N=2×106次，m=3.5[21]。

由表3可以看出，當(dāng)軸箱加速度值平均為8.1g時，加速度級為9.4 dB，構(gòu)架的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)為200萬次[22]，符合車輛疲勞破壞強度要求，但當(dāng)軸箱加速度升高2.4倍時，疲勞破壞循環(huán)次數(shù)將為19.8萬次，降低了近10倍，當(dāng)軸箱加速度升為30g，加速度級為20.88 dB時，疲勞破壞循環(huán)次數(shù)僅為3.875萬次，車輛構(gòu)架的焊接部分很快將開裂。因此，為防止構(gòu)架開裂，建議軸箱加速度值不應(yīng)高于30g。當(dāng)軸箱加速度為30g時，加速度級為20.88 dB，因此，設(shè)定波磨指數(shù)最大值為20 dB。

表3 軸箱加速度和構(gòu)架應(yīng)力等計算數(shù)據(jù)

綜合考慮車輛軸箱加速度、構(gòu)架的應(yīng)力、疲勞破壞循環(huán)次數(shù)和車輛構(gòu)架傷損，以波磨指數(shù)作為鋼軌是否需要打磨的評價指標(biāo)，對鋼軌的波磨指數(shù)劃分了四級(輕微、中等、嚴重和非常嚴重)，同時對鋼軌打磨提出了指導(dǎo)意見，具體情況見表4。

表4 鋼軌波磨等級分類

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)2個重要指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)，具體結(jié)論如下。

(1)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0.3 mm，僅為0.11 mm，短波波磨引起的高頻振動還會導(dǎo)致T形螺栓發(fā)生斷裂，同時噪聲級超過規(guī)范限值達到95.3 dB左右，表明目前我國標(biāo)準(zhǔn)的波磨評價指標(biāo)在城市軌道交通方面運用不夠合理。

(2)通過采用連續(xù)波磨測量設(shè)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(zhǔn)線，發(fā)現(xiàn)此曲線區(qū)段存在嚴重的63 mm短波波磨，與實測鋼軌表面不平順?biāo)媒Y(jié)果一致。

(3)當(dāng)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(shè)計壽命要求；當(dāng)加速度值增大時，構(gòu)架的循環(huán)次數(shù)降低幅度較大；當(dāng)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(yīng)的打磨建議。

(4)當(dāng)鋼軌波磨指數(shù)大于10 dB時需要進行鋼軌打磨作業(yè)，若打磨后不同波長對應(yīng)的鋼軌粗糙度級小于相應(yīng)限值，可判斷打磨質(zhì)量合格。

目前，鋼軌波磨測試主要采用波磨小車人工測量的方式，這種方式存在測試效率低、測試結(jié)果受不同操作人員影響、測試數(shù)據(jù)碎片化等問題。因此，建議采用包含波磨測量設(shè)備的城軌綜合檢測列車(如3B車)進行地鐵全線波磨的周期性測量。這種測量方式不僅可以在1個天窗點完成一條地鐵線的鋼軌波磨測量工作，并且保證了全線網(wǎng)的相同測量方式和精度。積累的完整全線數(shù)據(jù)，可以錄入波磨管理系統(tǒng)，進行科學(xué)分類統(tǒng)計分析及發(fā)展趨勢分析，進而制定更為科學(xué)的波磨治理計劃。最終，針對地鐵鋼軌波磨進行信息化的管理和科學(xué)的維護，將地鐵波磨的危害降到最低。