地鐵波磨鋼軌修理性打磨前后不平順特性對比分析

常素良 吳宗臻 方樹薇

摘 要：在北京地鐵 6 號線路上選取一段典型的波磨區(qū)段，對其開展修理性打磨，并對打磨前后鋼軌表面不平順進行測試和對比分析，分析結(jié)果表明：該區(qū)段波磨典型的波長為 63mm，其中曲線內(nèi)軌波磨較為嚴重;修理性打磨可以有效消除 63mm 波長的典型鋼軌波磨。然后對打磨質(zhì)量進行量化評估，得出修理性打磨后鋼軌表面不平順狀態(tài)滿足驗收標準。

關(guān)鍵詞：地鐵;鋼軌波磨;修理性打磨;不平順特性;質(zhì)量驗收

中圖分類號：U213

1 概述

地鐵線路具有曲線眾多、減振軌道區(qū)段多、車輛頻繁加減速、車次密集等特點，導(dǎo)致地鐵車輛和軌道出現(xiàn)異常磨耗問題，其中鋼軌波浪形磨耗（以下簡稱“鋼軌波磨”）是一種常見的異常磨耗病害，尤其是短波波磨不僅會引起輪軌系統(tǒng)的劇烈振動和噪聲，而且會引起車輛及軌道零部件的損壞，這不但會增加維修養(yǎng)護成本，還會影響行車安全和乘車舒適性。因此，如何有效地控制鋼軌波磨的發(fā)生和發(fā)展是一個亟待解決的難題。目前國內(nèi)外針對鋼軌波磨的整治措施主要有：①鋼軌打磨;②采用硬質(zhì)鋼軌;③采用軌頂摩擦控制;④提高車輛轉(zhuǎn)向性能;⑤降低軌下墊板剛度;⑥采用鋼軌阻尼吸振器。其中最容易實施且最有效的措施是鋼軌打磨。

鋼軌打磨可分為預(yù)打磨、預(yù)防性打磨和修理性打磨3類。預(yù)打磨在新線開通前進行，主要目的是去除新鋼軌表面脫碳層、軌面初始缺陷和傷損，以及新鋼軌初始不平順，從而改善輪軌的接觸狀態(tài)。預(yù)防性打磨是在線路運營后每隔一段時間進行，目的是通過周期性全線打磨將鋼軌病害消除在萌芽期，防治鋼軌表面病害的產(chǎn)生和進一步發(fā)展，延長鋼軌使用壽命。修理性打磨是針對鋼軌波磨等嚴重鋼軌病害進行的打磨，打磨深度深，目的是消除鋼軌表面已經(jīng)產(chǎn)生的缺陷病害，如波磨、擦傷、軌頭裂紋以及接頭的馬鞍形磨損等，恢復(fù)鋼軌廓形及改善不平順狀態(tài)。

因此，針對嚴重的鋼軌波磨問題，修理性打磨是一種直接有效的措施。本文以北京地鐵6號線的一個波磨區(qū)段為例，對其開展修理性打磨，并對打磨前后的鋼軌表面不平順進行測試和對比分析，然后對打磨質(zhì)量進行量化評估。

2 測試基本信息

2.1 波磨區(qū)段

波磨區(qū)段位于北京地鐵6號線草房—物資學(xué)院區(qū)間上行，里程范圍為K31+290～K31+500，曲線長度為210 m，曲線半徑為650 m。軌道類型為普通整體道床。現(xiàn)場調(diào)查顯示有較為嚴重的鋼軌波磨病害，波磨波長約為60 mm，如圖1a所示。對該區(qū)段進行修理性打磨，打磨完畢時間為2018年9月，打磨后鋼軌的表面狀態(tài)如圖1b所示。在打磨前后分別進行鋼軌表面不平順狀態(tài)的測試。

2.2 測試方法

對波磨區(qū)段的鋼軌表面不平順進行連續(xù)測量，測量位置為鋼軌走行帶中心線。在預(yù)打磨前后分別進行測量，測量過程中對測量起止位置預(yù)留標記，保證修理性打磨前后的測量范圍一致。

2.3 測試儀器

本次測試采用波磨測量小車（CAT）進行鋼軌表面不平順的測量，如圖2所示。

CAT波磨小車具有以下特點。

（1）可連續(xù)完整地測量出鋼軌表面粗糙度的數(shù)據(jù)。

（2）精度高，測量精度為0.001 mm。

（3）操作簡便，檢測速度較快，只需一個人按照步行速度就可以完整測試和記錄鋼軌的表面粗糙度。

（4）配套軟件使用簡易，能夠記錄并分析表面粗糙度的特性。

（5）儀器輕便，攜帶方便。

3 打磨前后鋼軌不平順對比分析

3.1 移動峰 - 峰平均值

移動峰-峰平均值（PPR）是鋼軌表面在不同波長段不平順特征的統(tǒng)計量，波分析波長為10～30mm、30～100 mm、100～300 mm和300～1000mm 4個波長段，規(guī)范BS EN 13231-3：2006《Railway applications-Track-Acceptance of works-Part 3：Acceptance of rail grinding， milling and planning work in track》給出了PPR的計算方法，如圖3和式（1）所示。

由于本區(qū)段的鋼軌波磨以100 mm以下短波波長為主，因此僅對10～30 mm和30～100 mm波長段的PPR進行對比分析。內(nèi)、外軌的PPR值分別如圖4和圖 5所示。

由圖4可以得出如下結(jié)論。

（1）對于內(nèi)軌10～30 mm波長段，打磨前在里程范圍K31+360～K31+440內(nèi)平順性不佳，PPR值最大達到20μm，打磨后有顯著改善;其他區(qū)段平順性較好，PPR值基本小于5μm，打磨后由于打磨痕跡的存在，PPR值略有增大。

（2）對于內(nèi)軌30～100 mm波長段，由于是波磨波長所在的波長段，打磨前鋼軌表面不平順狀態(tài)惡劣，PPR值最大達到160μm;打磨后不平順狀態(tài)改善明顯，PPR值顯著降低，最大值降至40μm左右，大部分區(qū)段在10μm以下。

由圖5可以得出如下結(jié)論。

（1）對于外軌10～30 mm波長段，打磨前整體區(qū)段平順性較好，PPR值基本小于5μm;打磨后由于打磨痕跡的存在，PPR值略有增大。

（2）對于外軌30～100 mm波長段，由于是波磨波長所在的波長段，打磨前鋼軌表面不平順狀態(tài)惡劣，PPR值最大達到28μm;打磨后不平順狀態(tài)改善明顯，PPR值顯著降低，最大值降至8μm左右，大部分區(qū)段在6μm以下。

對比圖4b和圖5b可以看出，曲線內(nèi)、外軌的波磨典型波長都在30～100mm波長段，且曲線內(nèi)軌的鋼軌波磨比外軌更嚴重。

3.2 粗糙度級

為進一步分析鋼軌波磨特征及打磨后不同波長的不平順特性，對打磨前后的鋼軌表面不平順粗糙度級進行對比分析。鋼軌表面不平順粗糙度級Lr采用1/3倍頻程波長譜的形式對鋼軌表面不平順進行分波長的描述。

規(guī)范ISO 3095-2013《Acoustics-Railway

applications-Measurement of noise emitted by railbound vehicles》給出了粗糙度級的容許限值和計算方法，以一些線路條件極好的軌道鋼軌表面短波不平順測量數(shù)據(jù)為背景，采用統(tǒng)計的方式對其短波不平順功率譜進行分析，然后根據(jù)輪軌噪聲排放與鋼軌表面粗糙度的關(guān)系，給出鋼軌表面不平順粗糙度級容許的1/3倍頻程譜限值，如圖6所示。

其中，每個中心頻率點處的不平順粗糙度級計算方法為：

按照粗糙度級的技術(shù)方法得到內(nèi)、外軌打磨前后的鋼軌表面不平順粗糙度級曲線，如圖7所示。

由圖7可以得出以下結(jié)論。

（1）內(nèi)、外軌的鋼軌波磨特征波長都是63mm，這與現(xiàn)場觀察及測量結(jié)果一致。打磨前內(nèi)軌波磨較為嚴重，63mm處內(nèi)軌粗糙度級為20.65dB，超出ISO 3095-2013規(guī)定的限值19.75dB;外軌粗糙度級為10.48dB，超出ISO 3095-2013規(guī)定的限值9.58dB。

（2）打磨后，內(nèi)軌的63 mm波磨特征波長量值顯著降低，但沒有完全消除，說明由于波磨較為嚴重，修理性打磨未完全消除內(nèi)軌的波磨特征波長。

（3）打磨后，外軌的63 mm波磨特征波長已完全消除。

（4）對比內(nèi)軌打磨前后粗糙度曲線，整體粗糙度級量值降低明顯，在30～100 mm主要頻段效果顯著，63mm特征波長處降低了11.05 dB。

（5）對比外軌打磨前后的粗糙度曲線，外軌的63 mm波磨特征波長已完全消除，30 mm以下及100 mm以上頻段由于打磨痕跡的存在，粗糙度級有所提高，整體量級與內(nèi)軌打磨后相當。

4 鋼軌表面不平順打磨驗收標準

我國地鐵針對鋼軌波磨的評價依據(jù)為TG/GW 102-2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》，其規(guī)定鋼軌打磨驗收的不平順標準為0.2mm，量值較為寬松且未給出分波長的限值。下面將介紹國內(nèi)外較為細致和科學(xué)的鐵路驗收標準，并給出適用于地鐵的建議評價指標限值。

4.1 歐洲鐵路標準

歐洲標準BS EN 13231-3：2006采用

PPR、移動波深幅值有效值的平均值（RMS），

以及固定測量長度內(nèi)的超限比等參量作為鋼軌表面不平順的打磨驗收評價指標，將與波磨相關(guān)的波長分為10～30mm、30～100mm、100～300 mm和300～1 000 mm 4個波長段，分別規(guī)定了PPR、RMS的容許限值，如表1所示。

由于實際情況存在鋼軌焊縫或接頭傷損，很難保證鋼軌全部達到該容許限值的要求，因此標準給出了不同波長范圍的每100m鋼軌長度的PPR和RMS的容許超限比（表2），以此作為鋼軌打磨后的驗收指標。

4.2 我國高速鐵路標準

我國高速鐵路已采用分波長波磨評價及驗收標準進行打磨驗收。2014年，中國鐵路總公司印發(fā)了鐵總運[2014] 357號《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》，該文件明確給出了高速鐵路鋼軌波磨病害的打磨驗收指標，借鑒標準BS EN 13231-3：2006中分析窗長、容許超限比的驗收方法，依然是分10～30mm、30～100mm、100～300mm和300～1000mm 4個波長段，分別給出適用于高速鐵路的打磨驗收標準限值（表3），其中谷深平均值的物理意義與PPR相同。

4.3 本文采用的驗收標準

本文結(jié)合實際地鐵鋼軌表面不平順現(xiàn)狀及基本要求，借鑒歐洲鐵路及我國高速鐵路標準，給出地鐵修理性打磨的驗收評價指標限值，如表4所示。

5 修理性打磨質(zhì)量驗收

對該波磨區(qū)段打磨前后的PPR按照表4的限值，計算不同波長段的超限比進行量化評估，計算結(jié)果如表5所示。

由表5可以得出如下結(jié)論。

（1）打磨前，30～100 mm波長段，內(nèi)軌超限比達到40%，說明波磨較為嚴重;外軌超限比為4%，波磨不太嚴重，其他波長段超限比都為0%。

（2）打磨后，30～100 mm波長段，內(nèi)軌超限比降至4%，雖然未完全消除鋼軌波磨，但是已經(jīng)滿足打磨驗收標準;外軌超限比降至0%，消除了鋼軌波磨并滿足打磨驗收標準。

6 結(jié)語

本文在北京地鐵6號線路上選取了一段典型的波磨區(qū)段，對其進行了鋼軌修理性打磨，并對打磨前后的鋼軌表面不平順狀態(tài)進行了測試和對比分析，分析結(jié)果表明：該區(qū)段波磨典型波長為63 mm，曲線內(nèi)軌波磨較為嚴重;修理性打磨可以有效消除63 mm波長的典型鋼軌波磨;由于打磨痕跡的存在，打磨后10～30 mm波長段鋼軌表面粗糙度略有增加;按照波長段的地鐵打磨質(zhì)量驗收標準進行評價，修理性打磨后鋼軌表面不平順狀態(tài)滿足驗收標準。綜上可以得出，質(zhì)量良好的修理性打磨是消除地鐵嚴重鋼軌波磨的有效手段。

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收稿日期 2019-10-30

責(zé)任編輯 黨選麗