葉利賓，王迦淇，肖 宏

(1.北京地鐵運(yùn)營(yíng)公司，北京 100044；2.北京交通大學(xué)軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

引言

地鐵具有舒適、方便、安全和綠色等特點(diǎn)，是當(dāng)今許多城市交通運(yùn)輸?shù)闹匾绞健Ｈ欢?，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(jiǎn)稱“波磨”)[1-3]，尤其在曲線部分更為嚴(yán)重[4]。波磨的產(chǎn)生會(huì)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(hù)維修費(fèi)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(shí)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(hù)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(jià)值。

20世紀(jì)90年代，國(guó)外學(xué)者通過對(duì)滾動(dòng)噪聲機(jī)理的深入研究，逐步建立鋼軌表面不平順的評(píng)價(jià)方法，并提出了歐洲典型的鋼軌表面短波不平順評(píng)價(jià)體系。目前，在國(guó)外與鋼軌波磨的測(cè)量及評(píng)價(jià)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(cè)量》[10]，其提出了鋼軌表面粗糙度的1/3倍頻程波長(zhǎng)譜限值；BS EN 13231—3:2006《鐵路專用標(biāo)準(zhǔn)軌道工程驗(yàn)收:鋼軌打磨、銑磨和刨磨驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[11]規(guī)定，以移動(dòng)波深幅值峰-峰平均值PPR等參量作為鋼軌表面不平順的評(píng)價(jià)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(dòng)噪音相關(guān)的鋼軌表面短波不平順的測(cè)量》[12]，規(guī)范了鋼軌波磨的測(cè)量要求及方法。我國(guó)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(shí)，需進(jìn)行鋼軌打磨。

國(guó)外鐵路在打磨后的評(píng)價(jià)方法主要是粗糙度級(jí)、移動(dòng)波深幅值峰-峰平均值PPR法以及移動(dòng)波深幅值有效值平均值RMS法，國(guó)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(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，在很多波磨區(qū)段的波深未達(dá)到我國(guó)打磨標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(jí)評(píng)價(jià)打磨后的標(biāo)準(zhǔn)，并總結(jié)打磨的基準(zhǔn)線；同時(shí)，提出計(jì)算分析軸箱加速度和疲勞壽命得出鋼軌波磨級(jí)的方法，并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證粗糙度級(jí)和波磨級(jí)兩種方法的正確性，從而更加合理地評(píng)價(jià)波磨情況，指導(dǎo)鋼軌打磨維保周期，科學(xué)合理評(píng)價(jià)打磨質(zhì)量，降低輪軌間的作用力，提高設(shè)備的可靠度，對(duì)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(yán)重，運(yùn)營(yíng)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(zhǎng)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(yán)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(guó)的鋼軌波磨評(píng)價(jià)指標(biāo)及打磨維護(hù)規(guī)范指標(biāo)單一且量值相對(duì)寬松，不能分波長(zhǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，亟需開展城市軌道交通鋼軌波磨評(píng)價(jià)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(chǎng)

2 鋼軌波磨現(xiàn)行打磨標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國(guó)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(duì)波磨深度超過0.3 mm傷損時(shí)應(yīng)進(jìn)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(hù)維修技術(shù)規(guī)范中，對(duì)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(duì)于既有運(yùn)營(yíng)線路應(yīng)每年不少于一次進(jìn)行預(yù)防性打磨，消除疲勞傷損，延長(zhǎng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)可知，我國(guó)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(shí)速過高，要求過嚴(yán)，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(shí)，需進(jìn)行打磨作業(yè)。這種測(cè)量及評(píng)價(jià)指標(biāo)過于粗糙，不利于針對(duì)鋼軌異常波磨的詳細(xì)分析及提出合理的維護(hù)養(yǎng)修計(jì)劃。目前，部分線路的鋼軌波深僅為0.2 mm時(shí)，彈條振動(dòng)加速度最大值為865g，彈條振動(dòng)有效值為310g，鋼軌振動(dòng)加速度最大值為461g，鋼軌振動(dòng)有效值為212g，造成該區(qū)段的扣件折斷傷損嚴(yán)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(jí)90 dB以上，降低了乘客的舒適度。此外，我國(guó)鋼軌波磨的測(cè)量和評(píng)價(jià)方法均利用平直尺測(cè)量波磨的方法，測(cè)量頻率為抽檢，抽取波磨上的幾個(gè)點(diǎn)，無法全面測(cè)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(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 現(xiàn)場(chǎng)波磨測(cè)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(yùn)營(yíng)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(jìn)行波磨測(cè)試和車內(nèi)噪聲測(cè)試。波磨測(cè)試采用可連續(xù)測(cè)量的CAT鋼軌波磨測(cè)量分析小車，對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)的鋼軌進(jìn)行不間斷測(cè)試[15]。車內(nèi)噪聲測(cè)試通過運(yùn)營(yíng)結(jié)束后地鐵列車添乘，在客車室內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)得該地段不載客工況下的全線車內(nèi)噪聲[16]。

噪聲評(píng)價(jià)方法參考GB14892—2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測(cè)量方法》[17]，車內(nèi)噪聲的評(píng)價(jià)指標(biāo)采用A計(jì)權(quán)的等效聲壓級(jí)，限值為83 dB。

測(cè)試結(jié)果如圖2所示，將實(shí)測(cè)鋼軌表面不平順進(jìn)行100 mm以下濾波后(波磨主要頻段)，在嚴(yán)重區(qū)間取1 m范圍的典型區(qū)段?？梢钥闯觯? m范圍內(nèi)約有16個(gè)周期，波磨特征波長(zhǎng)在63 mm左右。最大波深-波谷量值僅為0.11 mm左右，遠(yuǎn)未達(dá)到0.3 mm的現(xiàn)行打磨標(biāo)準(zhǔn)，但嚴(yán)重短波波磨引起的高頻振動(dòng)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(cè)試的噪聲級(jí)均在94.25 dB以上，大大超出了規(guī)范限值83 dB。

圖2 實(shí)測(cè)鋼軌表面不平順(0～100 mm濾波)

圖3 測(cè)試波磨地段噪聲

4 鋼軌波磨評(píng)價(jià)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(cè)量》使用鋼軌表面不平順粗糙度級(jí)Lr作為波磨的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)采用1/3倍頻程波長(zhǎng)譜的形式，描述了不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的鋼軌波磨幅值水平，并以分貝作為等級(jí)區(qū)分。具體表達(dá)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(duì)一些被認(rèn)為是線路條件極好的軌道進(jìn)行了鋼軌表面短波不平順的測(cè)量數(shù)據(jù)為背景，采用統(tǒng)計(jì)方式對(duì)軌道短波不平順功率譜進(jìn)行分析，對(duì)輪軌噪聲排放與鋼軌表面粗糙度的關(guān)系進(jìn)行研究，提出了容許1/3倍頻程波長(zhǎng)譜限值。但實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，此限值并不適用于我國(guó)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌進(jìn)行表面不平順測(cè)試，通過計(jì)算得出不同時(shí)間鋼軌粗糙度級(jí)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 鋼軌表面不平順粗糙度級(jí)

取該區(qū)段在多次打磨后的鋼軌粗糙度平均值作為驗(yàn)收基準(zhǔn)線。將不同月份的鋼軌粗糙度與基準(zhǔn)線進(jìn)行對(duì)比可知，此區(qū)段存在嚴(yán)重的63 mm短波波磨，與實(shí)測(cè)鋼軌表面不平順?biāo)媒Y(jié)果一致。2018年6月粗糙度級(jí)達(dá)到10 dB，7月進(jìn)行了打磨，打磨后9月測(cè)試出的數(shù)據(jù)較小，2018年11月至2019年2月粗糙度級(jí)發(fā)展較快，2月已經(jīng)發(fā)展到21.16 dB，已經(jīng)嚴(yán)重超限，需進(jìn)行打磨維護(hù)。綜上所述，可采用鋼軌粗糙度作為檢驗(yàn)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(yán)重程度的診斷，從對(duì)某條線的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(yán)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(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)鋼軌波磨指數(shù)進(jìn)行分類[18]。

由于軸箱與輪對(duì)直接相連，軌道短波不平順引起的振動(dòng)能夠傳遞到車輛軸箱，因此，采用軸箱振動(dòng)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(dòng)加速度移動(dòng)有效值與其平均值的比值，具體表達(dá)式如下[19]

(2)

式中，N為振動(dòng)加速度級(jí)，即波磨指數(shù)；Ap為實(shí)測(cè)振動(dòng)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(cè)的原理和過程為，在波磨地段輪軌間產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)，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(dòng)；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(hào)，即為軸箱加速度值A(chǔ)p。由表2可知，路網(wǎng)的平均振動(dòng)加速度值為2.71g，以該值作為振動(dòng)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(jì) 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(gè)月的時(shí)間軸箱加速度增大了2倍。在5月份進(jìn)行了鋼軌打磨后，軸箱加速度最大值降至4.6g，降幅高達(dá)65.2%。

圖5 地鐵10號(hào)線部分區(qū)間軸箱加速度變化曲線

通常在進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)時(shí)，如果結(jié)構(gòu)是承受周期性的正弦荷載，那么只需計(jì)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(jìn)行預(yù)測(cè)即可。但實(shí)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(jì)理論更多地被運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中，其本質(zhì)是將荷載譜進(jìn)行拆分，轉(zhuǎn)換為多個(gè)簡(jiǎn)單荷載譜的疊加。假設(shè)結(jié)構(gòu)壽命為n，每個(gè)拆分后的荷載對(duì)應(yīng)的疲勞壽命為Ni，則拆分后的荷載對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞的貢獻(xiàn)值為n/Ni，當(dāng)所有荷載的貢獻(xiàn)值累加起來等于1時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)發(fā)生了疲勞破壞。

根據(jù)材料的疲勞強(qiáng)度S-N曲線和Miner線性疲勞累計(jì)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(dá)到疲勞極限時(shí)的循環(huán)次數(shù)；C值為常數(shù)。對(duì)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(shí)，加速度級(jí)為9.4 dB，構(gòu)架的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)為200萬(wàn)次[22]，符合車輛疲勞破壞強(qiáng)度要求，但當(dāng)軸箱加速度升高2.4倍時(shí)，疲勞破壞循環(huán)次數(shù)將為19.8萬(wàn)次，降低了近10倍，當(dāng)軸箱加速度升為30g，加速度級(jí)為20.88 dB時(shí)，疲勞破壞循環(huán)次數(shù)僅為3.875萬(wàn)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(shí)，加速度級(jí)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(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)鋼軌的波磨指數(shù)劃分了四級(jí)(輕微、中等、嚴(yán)重和非常嚴(yán)重)，同時(shí)對(duì)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(jí)分類

5 結(jié)論與建議

根據(jù)北京地鐵鋼軌和車輛兩種測(cè)試數(shù)據(jù)來源，分析總結(jié)了鋼軌粗糙度級(jí)和波磨指數(shù)2個(gè)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(yàn)鋼軌打磨是否合格的評(píng)價(jià)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)盡管現(xiàn)場(chǎng)波磨最大波深小于我國(guó)規(guī)范限值0.3 mm，僅為0.11 mm，短波波磨引起的高頻振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致T形螺栓發(fā)生斷裂，同時(shí)噪聲級(jí)超過規(guī)范限值達(dá)到95.3 dB左右，表明目前我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的波磨評(píng)價(jià)指標(biāo)在城市軌道交通方面運(yùn)用不夠合理。

(2)通過采用連續(xù)波磨測(cè)量設(shè)備對(duì)該曲線地段進(jìn)行鋼軌表面不平順測(cè)試并對(duì)鋼軌打磨前后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算得出鋼軌表面粗糙度級(jí)。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(yán)重的63 mm短波波磨，與實(shí)測(cè)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(shí)，車輛構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度循環(huán)次數(shù)達(dá)到200萬(wàn)次，符合設(shè)計(jì)壽命要求；當(dāng)加速度值增大時(shí)，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(shí)，構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度循環(huán)系數(shù)僅為3.87萬(wàn)次。根據(jù)波磨指數(shù)和構(gòu)架疲勞壽命劃分了四級(jí)鋼軌波磨級(jí)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(shí)需要進(jìn)行鋼軌打磨作業(yè)，若打磨后不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的鋼軌粗糙度級(jí)小于相應(yīng)限值，可判斷打磨質(zhì)量合格。

目前，鋼軌波磨測(cè)試主要采用波磨小車人工測(cè)量的方式，這種方式存在測(cè)試效率低、測(cè)試結(jié)果受不同操作人員影響、測(cè)試數(shù)據(jù)碎片化等問題。因此，建議采用包含波磨測(cè)量設(shè)備的城軌綜合檢測(cè)列車(如3B車)進(jìn)行地鐵全線波磨的周期性測(cè)量。這種測(cè)量方式不僅可以在1個(gè)天窗點(diǎn)完成一條地鐵線的鋼軌波磨測(cè)量工作，并且保證了全線網(wǎng)的相同測(cè)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(jìn)行科學(xué)分類統(tǒng)計(jì)分析及發(fā)展趨勢(shì)分析，進(jìn)而制定更為科學(xué)的波磨治理計(jì)劃。最終，針對(duì)地鐵鋼軌波磨進(jìn)行信息化的管理和科學(xué)的維護(hù)，將地鐵波磨的危害降到最低。