上海軌道交通2號線鋼軌波磨分布及其打磨作業效果分析

姚湘靜

（上海地鐵維護保障有限公司,200233,上海∥工程師）

上海軌道交通2號線鋼軌波磨分布及其打磨作業效果分析

姚湘靜

（上海地鐵維護保障有限公司,200233,上海∥工程師）

鋼軌波磨已經成為影響城市軌道交通鋼軌使用壽命、降低行車平穩性和舒適性的重要因素之一。以上海軌道交通2號線鋼軌波磨的調查數據為基礎,提取其波長、波幅等特征參數,并根據鋼軌打磨前后的波磨數據特征,分析鋼軌打磨措施的有效性。同時,結合其中存在的問題,提出了優化方案。鋼軌打磨是經濟、有效地改善鋼軌波磨的措施之一。但打磨策略對打磨效果及其維持時間有一定的影響,尚需結合軌道交通鋼軌波磨特點在理論分析和實踐特征的基礎上進一步深化。

城市軌道交通；鋼軌；波磨；打磨

Author'saddressShanghai Metro Maintenance and Guarantee Ltd.,Group,200233,Shanghai,China

鋼軌作為軌道結構中主要承載部件之一,直接承受著來自列車的重復性、周期性和隨機性的荷載作用。這種荷載由于軌道結構多樣性以及線路中小半徑曲線較多的影響,顯得更為復雜和多變,因而鋼軌（特別是軌頭運行表面）不可避免地會出現各種傷損。鋼軌波磨就是典型傷損類型之一。

在20世紀90年代中期,鋼軌波磨即出現在北美的芝加哥、馬里蘭、華盛頓都市區、舊金山灣區及薩克拉門托等城市［1］的軌道交通系統中,此后在東京地鐵［2］、西班牙畢爾巴鄂地鐵［3］、巴黎RER［4］以及國內的北京、廣州、南京、上海等地鐵［5-8］中也先后出現。有大量學者對此做了具體的調研和分析,并提出了一些具體的解決措施［9-13］,取得了一定的效果。但因軌道交通系統各部件性能的差異及行車條件的差別等均導致了鋼軌波磨形成條件的復雜性。

上海軌道交通2號線部分地段為改善曲線行車條件而采用了先鋒扣件,但在此段范圍內卻出現較嚴重的鋼軌波磨。為此,本文結合上海軌道交通2號線典型地段鋼軌波磨問題,開展波磨特征調研及打磨作業,分析鋼軌波磨的波長、波幅等特征參數及打磨效果,以期為國內同類問題的解決提供參考。

1 上海軌道交通2號線鋼軌波磨的現場調研

1.1 觀測地點

為深入考察鋼軌波磨的變化趨勢與特征,在上海軌道交通2號線上選取了一段曲線進行定期觀測,以考察鋼軌波磨的變化情況。觀測段的線路條件如表1所示。

按觀測計劃,分別在2013年3月1日、5月16日及11月29日進行了觀測段的鋼軌波磨檢測任務；同時,利用鋼軌型面儀,選取典型斷面測量了鋼軌型面。采用的檢測儀器如圖1所示。其中,2013年4月25日對該曲線地段鋼軌實施了打磨作業。

表1 觀測段線路條件

圖1 檢測設備

1.2 檢測內容

鋼軌打磨前測量鋼軌波磨,得到圓曲線段內、外軌各29組軌面不平順數據,緩和曲線段內、外軌各23組數據,共計104組數據（均為有效數據）。鋼軌打磨后測量鋼軌波磨,得到內軌49組數據,外軌53組數據,共102組數據（均有效）。同步同范圍內測量鋼軌打磨前后的鋼軌型面,共測得曲線段內、外軌各44個型面,緩和曲線段內、外軌各9個型面,總計108個型面（均為有效型面）。

鋼軌波磨檢測的典型數據如圖2所示。

圖2 鋼軌波磨檢測

2 鋼軌波磨的數據分析

2.1 數據分析方法

首先,完成鋼軌型面測量數據的分析,獲取典型截面的磨耗數據；然后,對于測試得到的不平順幅值,統計每一米的正、負峰值及峰峰值,以獲取測試范圍內鋼軌波磨的幅值情況。利用功率譜和三分之一倍頻的處理方法,以獲得測試數據在頻域上的特征,即波長和粗糙度水平。

2.1.1 功率譜分析

采用周期圖法將每一米幅值轉化為頻域數據。周期圖法是把隨機序列x（n）的N個觀測數據視為一個有限的樣本序列,直接計算x（n）的離散傅里葉變換,得到X（k）；然后再取其幅值的平方,除以N,作為序列x（n）真實功率譜的估計。周期圖譜估計公式為：

對于空間長度上的數據,頻域轉換后得到的頻率單位為1/m,因此對主要頻率取倒數即得到原始幅值中包含的主要波長。

2.1.2 三分之一倍頻

三分之一倍頻分析對每一段波形按三分之一倍頻程濾波,分別計算每段頻率范圍內的軌面不平順幅值均方根；再將此均方根作為這一頻率段內的粗糙度,由不同頻率段的粗糙度得到粗糙度曲線。計算測量長度L范圍內的軌面不平順粗糙度公式為：

式中：

RMS——均方根值,即三分之一倍頻；

x——連續采樣時各采樣點幅值,mm；

L——連續采樣時的計算長度,mm；

y——離散采樣時,采樣點的幅值,mm；

N——離散采樣時,計算長度內采樣點數量。

將實測的粗糙度曲線與標準曲線（見圖3）進行對比,可反映出線路在不同頻率段的磨損程度。

圖3 ISO-3095：2005（E）軌面粗糙度標準限值

2.2 測試結果分析

2.2.1 鋼軌型面數據分析

鋼軌打磨前后的型面如圖4所示。鋼軌磨耗數據的分布如圖5所示。

2.2.2 鋼軌打磨前后波磨幅值比較

經過測試得到同一測試范圍的2次不同數據,并對數據進行處理。統計打磨前后測試各自幅值的最大、最小值和平均值,如表2所示。為分析打磨效果,計算打磨后表中每一項相對于打磨前的減少量,如表3所示。

由表3可見,打磨后軌面不平順幅值的負峰值及峰峰差顯著減少了將近50%,對正峰值均值的減小也有明顯作用。而打磨對正峰值最大值的減小并沒有非常大的效果。

圖4 打磨前后鋼軌型面

圖5 曲線鋼軌磨耗的分布

表2 打磨前后鋼軌波磨幅值統計量mm

表3 打磨后鋼軌波磨幅值減少量%

2.2.3 鋼軌打磨前后波磨波長比較

將每一米測試數據進行功率譜分析,得到其顯著波長。鋼軌波磨功率譜分析的典型結果如圖6所示。鋼軌打磨前后的鋼軌表面不平順波長統計圖如圖7所示。

圖7 打磨前后主要波長頻率對比圖

由圖7可以看出,打磨前的波長主要為213 mm、160 mm、58 mm和64 mm等；打磨后有一半數據顯示無主要波長,其余數據的主要波長絕大多數大于200 mm。說明打磨可在一段時間內消除短波波磨。

2.2.4 鋼軌打磨前后波磨的三分之一倍頻比較

用三分之一倍頻處理不平順數據,將得到的粗糙度按打磨前后分別求平均值,得到打磨前后粗糙度隨波長的變化曲線,如圖8所示。通過與標準值的比較,可見打磨后的粗糙度較打磨前有顯著降低,且基本接近標準值。打磨前粗糙度在波長200 mm與60 mm處形成2個突峰,在打磨以后突峰有所下降,但仍然比其他波長處的粗糙度明顯。因此認為打磨可以降低軌面整體粗糙度,但對于原先較為顯著的波長不能完全消除。

圖8 鋼軌打磨前后三分之一倍頻對比圖

3 結語

調查數據分析表明：

（1）鋼軌波磨的波長（打磨前）主要為213 mm、160 mm、58 mm和64 mm等；

（2）采取打磨措施后,鋼軌波磨的負峰值和峰峰差均減少了近50%,正峰值的減小也有顯著作用。

（3）采取打磨措施后,鋼軌波磨的三分之一倍頻顯著降低,并趨近ISO-3095：2005（E）所規定的標準限值。

上述結論證明了鋼軌打磨是經濟、有效地改善鋼軌波磨的措施之一。但是,打磨策略（如打磨時機、打磨程度、鋼軌目標型面等）對打磨效果及其維持時間有一定的影響,尚需結合軌道交通鋼軌波磨特點,在理論分析和實踐探索的基礎上進一步深化。

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中國南車集團出口印度地鐵列車投入運營

近日,印度孟買首條地鐵線路開通運營。線路使用的寬體大運量地鐵列車由中國南車集團研制。2008年5月,中國南車集團南京浦鎮車輛有限公司在國際投標中奪得孟買18列108輛寬體車輛訂單。此后,中國南車集團又先后獲得印度新德里古爾岡線、古爾岡南延線兩條線路的地鐵車輛合同。據介紹,孟買地鐵1號線地鐵列車車體采用不銹鋼制作,列車單節長22 m、寬3.2 m、高3.8 m。列車采用4節小編組方式,單節額定載客375人,整列載客1 500人。列車最高運行時速可達80 km。

（摘自2014年7月17日《人民鐵道》報,楊建光、王紹禮報道）

Distribution of Rail Corrugation and Effectiveness of Rail Grinding on Shanghai Metro Line 2

Yao Xiangjing

Rail corrugation has been one of the main factors that influence the rail service life,degrade the stability and comfort of train operation.In this paper,based on an investigation of rail corrugation data on Shanghai metro Line 2,the typical parameters of rail corrugation,such as the wavelength and amplitude are analyzed.Combined with the existing problems,an optimum scheme is proposed,which holds that rail extension grinding is an effective measurement to change the characteristics of rail corrugation,at the same time it will influence the time of maintenance and needs to be further improved based on analysis and practice on rail grinding works.

urban rail transit；rail；corrugation；rail grinding

U 213.4+2

2014-01-10）