大興機場線輪軌垂向力分析及控制標準研究

李春翔，祖宏林，徐 棟，陳萬里

（1. 北京市軌道交通運營管理有限公司，北京 100068；2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081）

1 大興機場線輪軌力檢系統

北京大興機場線是全國首條運營速度160 km/h的城市軌道交通線路，為提高線路維護質量，首次采用連續測量輪軌力檢測系統對軌道缺陷進行檢測。大興機場線運營電客車由青島四方機車車輛股份有限公司生產，為4動4拖8編組列車，如圖1所示。連續測量輪軌力檢測系統安裝在08號旅客列車一位端，因為安裝在運營車輛上，該系統采用先進的旋轉遙測技術替代傳統的集流環，測力輪對不需要在車軸上加工穿線斜孔，將測力輪對使用壽命延長至等同普通輪對，同時也避免了因為輪對軸探傷帶來的大量維護工作。數據可通過車地LTE網絡實時傳輸到地面控制中心，使其具有非接觸、遠程操控和無人值守等特點。

圖1 大興機場線運營車輛——白鯨號圖

2 大興機場線現有輪軌垂向力管理

2.1 輪軌垂向力現有控制標準

大興機場線作為城市軌道交通中首條引用連續測量輪軌力日常檢測的線路，無相關數據和經驗可供參考。因此在運營初期，參考《高速鐵路工程動態驗收技術規范》（TB 10761-2013）中4.3章節的相關規定，制定了輪軌垂向力的控制標準，如表1所示。然而將該標準應用在指導大興機場線軌道維護實踐過程中發現，該標準過于寬松，不能全面有效地發現不同程度的軌道病害，因此需進一步對大興機場線輪軌垂向力控制標準進行探究。

表1 輪軌垂向力控制標準 kN

2.2 輪軌垂向力檢測實例

大興機場線正線采用移動閃光焊技術焊接，依據《鋼軌焊接 第1部分：通用技術條件》（TB/T 1632.1-2017）第6.1章節規定，對不同焊縫頂面a1、側面b1平直度控制標準如表2所示，a1作為頂面平直度檢查參數，以0 mm≤a1≤0.3 mm為控制標準。

表2 焊縫平直度控制標準 mm

大興機場線運營開通前，運用連續測量輪軌力檢測系統檢測到2處典型的焊縫問題。

（1）下行K34 + 155處焊縫。線路開通前下行K34+155處焊縫檢測到輪軌垂向力最大值達到121.0 kN，主波長0.77 m，檢測波形圖如圖2所示。現場檢查發現，該處焊縫翹頭情況嚴重，軌頂面a1幅值為1.75 mm，如圖3所示，另外軌下檢查發現，焊縫前后連續4處軌枕空吊，最大空吊6 mm，病害嚴重程度遠超出了相關控制標準。

圖2 下行K34+155輪軌垂向力檢測波形圖

圖3 下行K34+155焊縫平直度檢查照片

（2）下行K20+511處焊縫。線路開通前下行K20+511處焊縫檢測到輪軌垂向力最大值達到133.5 kN，主波長0.91 m，超出基準值13.5 N，檢測波形圖如圖4所示。現場檢查發現，該處軌縫嚴重低塌，軌頂面a1幅值為-1.3 mm，如圖5所示。

圖4 下行K20+511輪軌垂向力檢測波形圖

圖5 下行K20+511處焊縫嚴重低塌照片

2.3 輪軌垂向力現有控制標準存在的問題

在大興機場線開通運營前，依據現有標準，通過輪軌力檢測系統準確發現了軌道病害，并及時對軌道病害進行了整治，未發生由于異常輪軌垂向力作用造成軌道結構的損壞。對下行K34 +155和K20 + 511這2處鋼軌焊縫問題處理后，除路基段岔區外，全線輪軌垂向力基本分布在100 kN以下，但開通運營后隨著運營時間增加，小半徑曲線的肥邊和魚鱗紋現象以及焊縫位置傷損開始陸續出現。從以上2個典型測試案例也可以看出，輪軌垂向力采用120 kN限度值，其對應的軌道病害均超過了1 mm，遠遠超出了相關標準中規定的0.3 mm限度值，現有控制標準過于寬松。

依據現有軌道維護相關規定，大興機場線小半徑曲線平均每年執行1次打磨工作進行鋼軌維護；鋼軌焊縫方面，全線焊接接頭總計6 286個，在例行探傷檢測中發現編號為SK05-12ZS的焊縫出現輕傷，對該位置現場檢查，軌道幾何狀態良好，聯結構件正常，但焊縫平直度存在低接頭現象，回放輪軌力檢測數據發現該處輪軌垂向力實測最大值達到了93 kN，數據偏大，因此判斷長期較大的輪軌垂向力作用是造成該焊縫輕傷的主要原因。

依據現有標準，通過輪軌垂向力雖然可以檢測鋼軌焊縫嚴重的病害，但未考慮高鐵與城市軌道交通在運營方面的差異，僅僅照搬沿用高鐵輪軌垂向力控制標準并不能滿足對城市軌道交通線路維護的現場需求，因此，需要從現場維護角度及時發現不同程度的病害，并將該病害處輪軌垂向力長期作用造成的軌道傷損作為依據，細化輪軌垂向力控制標準。

3 大興機場線輪軌垂向力分析及控制標準建議

3.1 輪軌垂向力數據分布

以1 s的檢測數據為樣本，對大興機場線全線非道岔區段輪軌垂向力檢測數據進行統計分析，圖6給出了2020年1月和4月輪軌垂向力檢測數據統計分布圖。

圖6 下行K20+511輪軌垂向力檢測波形圖

鑒于探傷檢測中焊縫輕傷位置實測輪軌垂向力為93 kN，考慮安全裕量，將統計的起始值定為80 kN。2 次檢測數據統計顯示，1月份全線大于80 kN的垂向力68處，占比2.9%。4月份全線大于80 kN的垂向力83 處，占比3.6%。

對實測輪軌垂向力超出80 kN的位置進行現場復核統計分析，68%為焊縫，29%為軌縫，另外3%為小半徑曲線。軌縫因其結構特殊，本文不進行詳細分析研究，重點對焊縫和小半徑曲線的輪軌垂向力及軌道缺陷的對應關系進行分析。

3.2 輪軌垂向力80 kN以上焊縫現場調查

對實測輪軌垂向力超出80 kN的焊縫進行現場檢查發現，焊縫a1值均超出0 mm≤a1≤0.3 mm管理限度值，其中焊縫凸起最大值為1.22 mm，低塌最大值為-0.62 mm。現場調查中，這些位置的鋼軌特征主要表現為3種現象：①焊縫軌頂位置約30 mm長度的光帶變窄，通常為焊縫凸起值較大造成的；②在焊縫前后位置有2處明顯的磨痕，一般相距100 mm左右，如圖 7a所示，通常為焊縫低塌造成的；③光帶單邊偏移，如圖 7b 所示，通常為焊縫低塌導致輪軌接觸面發生變化造成的。

圖7 垂向力80 kN以上焊縫現場檢查

3.3 輪軌垂向力 80 kN 以下焊縫現場調查

2020年4月焊縫a1值調查顯示，全線a1值超限凸起焊縫和低塌焊縫比約為3 : 1。根據該比例情況，從實測輪軌垂向力小于80 kN的a1值超限焊縫中抽查了30 個凸起焊縫和10個低塌焊縫，抽查樣本中焊縫凸起最大值0.92 mm，低塌最大值-0.48 mm，雖然均超出了a1控制限度值，但這些焊縫行車面光帶未發現明顯變化，用電子平直尺測試都有高低不平順變化相對平緩的相同特征，典型平直度檢查圖形如圖8所示。這些焊縫位置實測輪軌垂向力波形特征較弱，雜波少，且波動幅值小，如圖9所示。

圖8 a1值超限、垂向力小于80 kN的焊縫平直度檢查

圖9 a1值超限、垂向力小于80 kN的焊縫位置實測輪軌垂向力波形圖

可見雖然焊縫a1值超限，但如果高低不平順變化平緩，就不會造成較大的輪軌垂向力作用，對鋼軌造成的傷損影響較小，因此對這些焊縫進行維護的緊迫性不大，可以暫時不進行維護，但應長期跟蹤監測輪軌垂向力是否隨時間有增大的趨勢再決定是否進行維護。

3.4 輪軌垂向力超80 kN小半徑曲線現場檢查

以大興機場線上行K42～K43兩段半徑分別為800 m和600 m的曲線進行分析。4月份檢測數據發現，在下行K42 + 656輪軌垂向力達84 kN，高于80 kN，主要是因為曲線超高設置與通過速度不匹配引起了車輛偏載。對該區段實地檢查發現，曲線下股鋼軌光帶向外側偏移，曲線上股鋼軌軌距角發生一定程度的磨損，伴有肥邊以及魚鱗紋情況的出現。因此有必要通過優化曲線超高設置盡量降低偏載，減小輪軌之間的作用力，減緩鋼軌肥邊和魚鱗紋的產生。

3.5 輪軌垂向力控制標準建議值

基于北京大興機場線輪軌垂向力檢測數據統計及鋼軌焊縫和小半徑曲線現場調查情況，從降低鋼軌傷損指導線路養護的角度提出將大興機場線輪軌垂向力控制目標值定為80 kN，對于正線輪軌垂向力大于80 kN的位置建議參考幾何軌檢二級超限的要求進行維修養護。基于現場調查及2次重點問題的發現，提出將120 kN定為大興機場線輪軌垂向力的警告值，對于正線輪軌垂向力大于120 kN的位置建議參考幾何軌檢三級超限的要求及時進行維修養護。

4 結束語

大興機場線作為國內首條開通的160 km/h的城市軌道交通線路，在軌道檢測技術方面創新性地采用了連續測量輪軌力檢測系統，該系統可以有效地對軌道狀態進行檢測，輪軌垂向力在鋼軌頂面的短波不平順檢測方面的優勢尤為突出，但目前輪軌垂向力的控制標準過于寬松，本文通過大量的實測數據統計和現場復核，提出了大興機場線輪軌垂向力控制標準建議值，實踐表明該標準建議值可有效發現線路不同程度的病害，為列車安全運行及線路養護管理提供科學指導。