基于地鐵波磨測試的鋼軌打磨標準研究

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，是當今許多城市交通運輸的重要方式。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，導致鋼軌出現波浪形磨耗(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，引發輪軌噪聲[5]，增加養護維修費用，影響列車行駛平穩性和舒適性，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]。合理的打磨標準能夠及時發現鋼軌波磨，延緩其發展與惡化，降低輪軌作用力和維護成本[9]。因此，研究鋼軌打磨標準具有重要的理論意義和工程應用價值。

20世紀90年代，國外學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的標準主要有:BS EN ISO3095:2013《鐵路專用標準聲學輪軌系統引起的噪聲測量》[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《鐵路專用標準軌道工程驗收:鋼軌打磨、銑磨和刨磨驗收標準》[11]規定，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；BS EN 15610:2009《鐵路專用標準噪聲排放與引起輪軌滾動噪音相關的鋼軌表面短波不平順的測量》[12]，規范了鋼軌波磨的測量要求及方法。我國現有鋼軌打磨標準分為鐵路行業標準和地方標準，分別是普速鐵路標準[13]、高速鐵路標準[14]和地鐵地方標準。高速鐵路標準規定的打磨標準為波深超過0.04 mm(車載)和0.08 mm(手工)，而普速鐵路標準和北京市地方標準均規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，國內現有打磨標準均采用鋼軌波深方法。然而，結合北京地鐵實際運營情況，在很多波磨區段的波深未達到我國打磨標準時，其軸箱加速度和噪聲已經很大，表明現行的鋼軌波深標準不能有效地指導打磨作業。因此，提出城市軌道交通采用粗糙度級評價打磨后的標準，并總結打磨的基準線；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，并通過實測數據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，指導鋼軌打磨維保周期，科學合理評價打磨質量，降低輪軌間的作用力，提高設備的可靠度，對確保行車安全平穩具有重要意義。

1 北京地鐵鋼軌波磨現狀

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。鋼軌波磨大部分發生在曲線地段，部分線路直線段出現了鋼軌波磨。如圖1所示，北京地鐵某區間曲線地段出現了較為嚴重的鋼軌波磨，且內軌表面有明顯的流塑現象。由于我國的鋼軌波磨評價指標及打磨維護規范指標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的系統化科學研究，指導和判斷鋼軌打磨的周期和質量，降低車輛的軸箱加速度值，減少扣件和車輛零部件傷損，降低車內噪聲和提高乘車的舒適度和服務品質。

圖1 曲線鋼軌波磨現場

2 鋼軌波磨現行打磨標準

目前，我國現有的鋼軌打磨標準為普速鐵路線路修理規則、北京市地方標準和高速鐵路標準。

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

地方標準城市軌道交通設施養護維修技術規范中，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性打磨，對于既有運營線路應每年不少于一次進行預防性打磨，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個標準可知，我國鋼軌波磨的打磨標準均以鋼軌波深值為判斷依據。雖然高速鐵路標準中規定的波深為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準。普速鐵路標準和北京市地方標準均規定鋼軌波磨波深超過0.3 mm時，需進行打磨作業。這種測量及評價指標過于粗糙，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，造成該區段的扣件折斷傷損嚴重，車輛構架開裂，輪軌間疲勞破壞現象顯著，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，現行鋼軌波深標準不能科學合理地指導地鐵鋼軌打磨作業，需研究出適合城市軌道交通鋼軌波磨的評價指標。

3 現場波磨測試

北京地鐵某線R=450 m的曲線段為典型波磨區段，近幾年運營期內發生了大量的彈條和T形螺栓斷裂現象，選取該地段進行波磨測試和車內噪聲測試。波磨測試采用可連續測量的CAT鋼軌波磨測量分析小車，對測量范圍內的鋼軌進行不間斷測試[15]。車內噪聲測試通過運營結束后地鐵列車添乘，在客車室內布置測點，測得該地段不載客工況下的全線車內噪聲[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]，車內噪聲的評價指標采用A計權的等效聲壓級，限值為83 dB。

測試結果如圖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)，在嚴重區間取1 m范圍的典型區段。可以看出，1 m范圍內約有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的現行打磨標準，但嚴重短波波磨引起的高頻振動已經導致了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

4.1 鋼軌粗糙度

規范BS EN ISO3095:2013《鐵路專用標準聲學輪軌系統引起的噪聲測量》使用鋼軌表面不平順粗糙度級Lr作為波磨的評價指標，其定義是鋼軌表面波磨幅值有效值與其參考值的比值。該評價指標采用1/3倍頻程波長譜的形式，描述了不同波長對應的鋼軌波磨幅值水平，并以分貝作為等級區分。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據為背景，采用統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系進行研究，提出了容許1/3倍頻程波長譜限值。但實踐發現，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，計算結果如圖4所示。

圖4 鋼軌表面不平順粗糙度級

取該區段在多次打磨后的鋼軌粗糙度平均值作為驗收基準線。將不同月份的鋼軌粗糙度與基準線進行對比可知，此區段存在嚴重的63 mm短波波磨，與實測鋼軌表面不平順所得結果一致。2018年6月粗糙度級達到10 dB，7月進行了打磨，打磨后9月測試出的數據較小，2018年11月至2019年2月粗糙度級發展較快，2月已經發展到21.16 dB，已經嚴重超限，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準。

4.2 鋼軌波磨指數

鋼軌波磨指數法，用于鋼軌波磨嚴重程度的診斷，從對某條線的實際測量數據和現場實際波磨情況來看，診斷出鋼軌波磨準確率相當高，且能反映出輪軌直接作用力的大小和波磨嚴重程度。本小節將以鋼軌波磨指數與架構疲勞壽命作為評價指標，對鋼軌波磨指數進行分類[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；Ap為實測振動加速度有效值；A0為基準值，取值為各線平均值2.71g。

鋼軌波磨指數監測的原理和過程為，在波磨地段輪軌間產生的沖擊振動，經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，再經可調的衰減器和放大器，以及包絡檢波得到解調后的信號，即為軸箱加速度值Ap。由表2可知，路網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值。

表2 北京地鐵路網車輛軸箱加速度平均值統計 g

以某線波磨地段為例，根據圖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號線部分區間軸箱加速度變化曲線

通常在進行疲勞壽命預測時，如果結構是承受周期性的正弦荷載，那么只需計算出靜載狀態下應力最大值，然后根據材料的S-N曲線進行預測即可。但實際情況中，荷載譜往往是較為復雜的。因此，Miner線性疲勞累計理論更多地被運用到實際當中，其本質是將荷載譜進行拆分，轉換為多個簡單荷載譜的疊加。假設結構壽命為n，每個拆分后的荷載對應的疲勞壽命為Ni，則拆分后的荷載對結構疲勞的貢獻值為n/Ni，當所有荷載的貢獻值累加起來等于1時，認為結構發生了疲勞破壞。

根據材料的疲勞強度S-N曲線和Miner線性疲勞累計傷損法則，Q345構架焊接縫應力幅水平與發生疲勞破壞所經歷的應力循環次數之間的關系如下[20]

σmN=C

(3)

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

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

表3 軸箱加速度和構架應力等計算數據

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

表4 鋼軌波磨等級分類

5 結論與建議

根據北京地鐵鋼軌和車輛兩種測試數據來源，分析總結了鋼軌粗糙度級和波磨指數2個重要指標的作用，提出了以波磨指數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準，具體結論如下。

(1)選取北京地鐵某線的典型曲線波磨區段進行現場試驗，發現盡管現場波磨最大波深小于我國規范限值0.3 mm，僅為0.11 mm，短波波磨引起的高頻振動還會導致T形螺栓發生斷裂，同時噪聲級超過規范限值達到95.3 dB左右，表明目前我國標準的波磨評價指標在城市軌道交通方面運用不夠合理。

(2)通過采用連續波磨測量設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據進行分析，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線，發現此曲線區段存在嚴重的63 mm短波波磨，與實測鋼軌表面不平順所得結果一致。

(3)當軸箱加速度為8.1g時，車輛構架的疲勞強度循環次數達到200萬次，符合設計壽命要求；當加速度值增大時，構架的循環次數降低幅度較大；當加速度值為30g時，構架的疲勞強度循環系數僅為3.87萬次。根據波磨指數和構架疲勞壽命劃分了四級鋼軌波磨級并給出了相應的打磨建議。

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

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、測試結果受不同操作人員影響、測試數據碎片化等問題。因此，建議采用包含波磨測量設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，并且保證了全線網的相同測量方式和精度。積累的完整全線數據，可以錄入波磨管理系統，進行科學分類統計分析及發展趨勢分析，進而制定更為科學的波磨治理計劃。最終，針對地鐵鋼軌波磨進行信息化的管理和科學的維護，將地鐵波磨的危害降到最低。