地鐵小半徑曲線減磨降噪技術研究

喬海鋒

（北京京港地鐵有限公司，北京 100068）

1 概述

地鐵線路小半徑曲線處的異常磨耗始終是工務部門運維的重點和難點；尤其是出入段線、進出站小半徑曲線較多，列車通過曲線時噪聲過大，產生噪聲的主要原因未能有效確認，對乘車舒適度造成了一定的影響?，F場勘查發現小半徑曲線區段存在彈條斷裂現象，曲線上股鋼軌側磨、下股鋼軌波磨發展較快，對線路設備的養護維修造成了較大的困難。調查線路中小半徑曲線因曲線上股鋼軌波磨已更換鋼軌達數公里。

此外，鋼軌波磨是產生輪軌嘯叫噪聲和接觸共振的主要原因之一。輪軌嘯叫經常引起局部噪聲超標；接觸共振不僅會對列車走行部產生影響，而且還會誘發鋼軌及軌下設施的疲勞傷損，以至影響列車安全[1]。因此，進一步分析列車通過小半徑曲線的噪聲主要成因，利用基于輪軌動力學的檢測技術[2-3]，并研究采取更換楔形膠墊、更換減振扣件等減磨降噪整治方案，對提高列車通過小半徑曲線行車舒適度，延長小半徑曲線大修周期意義重大。

基于以上現場實際情況的分析發現現階段解決的關鍵問題主要分為以下2個方面：其一、波磨引起噪聲的區分，在前期測試中發現引起輪軌異常噪聲的原因主要為曲線下股波磨引起的輪軌共振噪聲；其二、各種減磨降噪整治手段的效果評估，評判一種減磨降噪手段的有效性可通過考核整治前后磨耗或噪聲發展的快慢來進行。因此本文通過建立物理模型對減磨降噪的整治效果進行評估。

2 輪軌噪聲區分

列車通過小半徑曲線時，車內常見噪聲表現為嗡鳴聲，頻率較低，影響乘車舒適度?，F場測試時，在車站站臺即能夠明顯感覺到嗡鳴聲先于列車傳遞到人耳；列車駛過時嗡鳴聲最大，且伴隨刺耳尖銳噪聲。為驗證和區分2種輪軌噪聲，對北京地鐵某條線出入段線小半徑曲線處進行輪軌共振及噪聲測試。現場鋼軌磨耗狀態及輪軌共振、噪聲區分試驗測試結果如表1所示。上行線鋼軌狀態良好（經歷換軌不足1個月），上股鋼軌無側磨，下股鋼軌無波磨，2股鋼軌振動正常。上股鋼軌在列車通過時產生了頻率 900 Hz 左右的高頻噪聲，車內噪聲正常。下行線鋼軌的上股側磨和下股波磨均存在，波磨長度 110～130 mm ，波深約 0.2 mm ，局部可見魚鱗紋。下股鋼軌在列車通過時產生了150 Hz的輪軌共振，上股鋼軌在列車通過時產生了頻率1500 Hz左右的高頻噪聲，下股鋼軌在列車通過時產生了150 Hz低頻噪聲；列車內產生了150 Hz、95 dB的低頻噪聲。

由以上數據可得出，列車經過小半徑曲線時產生的車內噪聲是由于曲線下股波磨導致的輪軌共振產生的；列車無法隔絕和吸收該頻段的振動和噪聲。因此，本文將重點針對地鐵線路小半徑曲線的下股波磨開展研究工作。

3 輪軌共振、噪聲測試及結果分析

3.1 試驗方案

本文對某地鐵線路聯絡線和地鐵站進出站小半徑曲線進行了輪軌共振及噪聲測試。 每條曲線選擇2個斷面采集鋼軌的垂向和橫向振動信息。依照試驗方案進行整治前后分別采集軌道的振動信息，通過對比分析評價和優化得出最佳整治方案。其間，對鋼軌廓形優化和曲線超高對輪軌共振及噪聲的抑制效果利用動力學分析軟件進行了仿真計算。

下行線振動測試斷面Ⅰ和Ⅱ位于噪聲測試斷面兩側，測點位于曲線下股波磨波峰處正下方的鋼軌軌底。傳感器與鋼軌之間由高分子剛性絕緣托隔離；噪聲傳感器布置于線路兩旁的護欄處；所有信號線經防護后埋于隱蔽處。

3.2 測試結果分析

經現場勘查，被測區段下行線下股鋼軌已經產生嚴重波磨，上行線下股鋼軌軌面較好，僅局部波磨。如圖 1所示，下行線列車通過時，噪聲明顯，輪軌振動嚴重，幅值明顯增大，峰值達到680 m/s2，超出正常值100 m/s2，具有典型的共振特征；上行線列車通過時，僅產生正常的輪軌振動，波形幅值均在正常范圍內。

由輪軌動力學理論可知，對于鋼軌上的某一點，當產生由波磨引起的輪軌共振時，列車懸掛的自振頻率正好與波磨的波長和行車速度發生耦合，列車的輪對會沿行車方向連續沖擊每個波磨的波峰；如此連續的高頻沖擊是形成此特定頻率噪聲的根本原因。輪軌共振可將振幅在特定頻段大幅度增加，容易誘發鋼軌及列車走行部的疲勞傷損，危及行車安全。本文通過對波磨的動力學監測結合信息化手段，對波磨反復出現的位置進行軌旁動態監測，對波形進行智能分析，以輪軌共振作為波磨整治標準之一，指導工務部門進行狀態修和預防性整治。本次試驗對比換軌前后效果、更換新型阻尼膠墊效果和更換減振扣件效果，并結合振動測試數據提出優化地鐵小半徑曲線輪軌噪聲的整治方案。

4 仿真模型及結果分析

4.1 仿真模型

應用多體動力學軟件建立高速列車動力學模型，模型中采用兩系懸掛，考慮輪軌接觸幾何關系的非線性、橫向止擋的非線性及部分減振器的非線性特性，由Kalker非線性蠕滑理論計算輪軌蠕滑力。車輛動力學仿真模型由1個車體、2個構架、4個輪對和8個軸箱組成，共50個自由度。車輛動力學仿真模型見圖2，首先將建立的轉向架模型作為子系統，然后通過子系統建模技術組裝建立整車動力學仿真模型。

曲線半徑400 m ，超高120 mm ，車輛以平衡速度65 km/h 通過曲線。計算分析鋼軌廓形分別為TB60和60N時的鋼軌磨耗指數。如圖3可知，半徑400 m曲線上使用60N鋼軌的鋼軌磨耗顯著高于TB60。

接下來，通過實驗，研究曲線半徑400 m、超高120 mm、車輛運行速度為65 km/h的情況下，不同鋼軌廓形與波磨深度對鋼軌磨耗指數和軸箱加速度的影響。

4.2 不同鋼軌廓形的影響

實驗中軌底坡均為1/40、鋼軌波磨波深0.15 mm，如圖4所示：內TB60，外TB60廓形對鋼軌磨耗指數影響最大；內60N，外TB60對鋼軌磨耗指數和軸箱加速度影響最??；內TB60，外60N對軸箱加速度影響最大。

4.3 不同波磨深度的影響

實驗中其他條件不變，軌底坡1/40、鋼軌廓形TB60，如圖5所示：波磨深度為0.1 mm時對鋼軌磨耗指數和軸箱加速度影響最??；波磨深度為0.3 mm時對鋼軌磨耗指數和軸箱加速度影響最大。

5 整治方案及效果評價

本部分將闡述采用5種減磨降噪方案在北京地鐵不同線路進行整治的實施背景、實施過程和最終效果。

5.1 整治方案1——更換耐磨軌

為保證行車安全，提升行車表現，對大興線西紅門—新宮上行區間3段（DK2 + 500～DK3 + 000、DK4 + 900～DK5 + 500、DK6 + 200～DK6 + 700）磨耗超限的鋼軌以線下小型氣壓焊焊接成長軌條。新軌上線后再采用小型氣壓焊焊復龍口的方式進行更換。焊后進行探傷檢測，確保焊接接頭符合上線使用要求。

大興線軌道鋪設初期設計采用的是U71Mn鋼軌；同時，此區間小半徑曲線較多；運營10年間，半徑小于600 m的曲線鋼軌頂面出現魚鱗紋、碎裂、掉塊等缺陷。為減少類似缺陷重復出現及延長鋼軌使用壽命，參考14號、16號線既有線設計及鋼軌使用狀態，本次換軌地段鋼軌采用U75V（與14號、16號線一致）；其在焊接、硬度、強度、韌性上都優于U71Mn材質鋼軌。

按照施工計劃到車站進行施工登記，接觸軌停電后對接觸軌進行驗電，做接地保護。施工作業前做安全交底。做好施工防護，施工中注意施工安全和人身安全；特種作業人員須持證上崗。改造過程中及結束后需由軌道專業具備相應獨立安全檢查資格的人員對安全關鍵項目鋼軌（SCI-PW-004）進行獨立安全檢查。更換鋼軌工作為夜間停運后施工，不影響運營程序。

對收集整理整改前后的振動數據進行綜合評定的結果顯示，更換鋼軌后，減磨效果有明顯改善，噪聲比改造前平均降低 1～2 dB。減磨效果較好，降噪效果明顯。

5.2 整治方案2——更換楔形膠墊

北京地鐵目前設計軌枕預留軌底坡1/40，用于直線區段比較合適；而在曲線區段，由于超高的作用，車輪踏面與鋼軌頂面未能全部接觸，列車車體荷載就集中于鋼軌頂面內側，形成不均勻偏載，有時會因輪緣擠壓鋼軌頭內側作用邊，形成應力角，造成應力集中，形成磨耗，對鋼軌破壞很大，且鋼軌軌頭內側容易產生傷損。在曲線地段更換安裝楔形膠墊，增大軌底坡，可以起到減緩偏載的作用。通過對北京地鐵4號線半徑400 m及以下曲線區段更換安裝的楔形膠墊數據進行統計分析，軌頭內部作用邊的核傷數量明顯減少，但是減磨和降噪效果甚微。

5.3 整治方案3——非對稱性打磨

鑒于此前對于地鐵4號線異常波磨地段采用修理性打磨（repair rail grinding）的措施進行整治，2臺打磨車每年平均出動約160班次，對嚴重波磨地段每2月就需打磨1次。修理性打磨是按原始廓形整體向下進行，雖然能有效地消除波磨的峰值，但也磨去了大部分的鋼軌加工硬化層，留下了存在殘余裂紋的軟質金屬層（因為較深的裂紋沒被消除），軌頭的塑性變形也未消除，事實上更容易產生塑性變形（波磨）和接觸疲勞（裂紋和碾邊）；波磨發生的原因未根除，所以很快又復發；另外鋼軌踏面上的隱傷如斜裂紋仍然保留在波磨的波谷上，鋼軌與假輪緣小半徑反向凸起曲線相接觸的可能性仍然存在，軌距角外側角處的碾邊也未除去。總之，修理性打磨只能磨去波磨的峰值，沒有從波磨形成的原因上入手而改善鋼軌狀態。特別對于嚴重的波磨地段，因頻繁進行修理性打磨，鋼軌斷面快速減小而導致鋼軌重傷而下道，大幅增加了維護費用甚至難以為繼。

為了降低打磨導致的鋼軌磨耗，增加鋼軌使用壽命，將目前的修理性打磨向預防性打磨（preventative rail grinding）策略過渡，對曲線段鋼軌打磨采取不對稱打磨（Asymmetric rail grinding）的打磨技術措施，以期增加鋼軌使用壽命，降低噪聲，減少維護費用。

鑒于目前地鐵4號線全線軌底坡離散，且95%的軌底坡超過設計標準，故將打磨車系統中軌底坡按照實際平均值設定，即1/20進行預防性打磨。在曲線段采用不對稱打磨時，因打磨車電機角度是一個固定值，不可能隨著軌底坡的變化而變化，打磨鋼軌不同的弧面時打磨寬度、角度會產生較大的誤差，而不能構建出理想廓形。對于軌底坡超限率離散率不大于100%的區段，以該段段軌底坡的均值為根據來設置電機的角度；對于軌底坡超限嚴重、離散率大的地段（大于100%），在軌底坡改正之前，不按照曲線不對稱廓形進行修廓整形。

鋼軌不對稱廓形優化設計有以下幾個原則：

（1）曲線地段使外軌的輪軌接觸區盡量靠近輪緣，內軌輪軌接觸區盡量遠離輪緣，以得到最大的內外輪之間的滾動半徑差，同時又要避免外輪緣與鋼軌軌距角接觸；

（2）直線地段將輪軌接觸區移向軌頂面中心，并保持軌頂面規定的半徑；

（3）輪軌間接觸寬度既不能過大，以免加劇輪軌間蠕滑作用導致波磨，又不能太小以免接觸應力過大產生疲勞損傷；實踐證明接觸寬度 25 mm 較合適；

（4）設計出的廓形斷面應使得金屬切削量盡可能地小，節省打磨費用和延長鋼軌的壽命。

本次試驗區間選取新街口—西直門（上下行），打磨周期為30天；魏公村—人民大學（上下行），打磨周期為30天；北京南站—馬家堡（上下行），打磨周期為119天；國家圖書館—動物園（上行），打磨周期為91天；公益西橋—新宮（下行），打磨周期182天；黃村火車站—義和莊（上下行），打磨周期為182天。

本次試驗的目的在于：探究軌底坡不良狀態下的不對稱打磨廓形；針對不同半徑曲線的適用廓形進行探索；通過精確調整電機角度、打磨壓力和控制打磨車作業車速來細化打磨方式，積累精細化打磨作業經驗；按照預防性打磨策略，探究不同線型、不同軌道結構鋼軌的打磨周期和打磨量與波磨發生發展速度之間的量化關系，確定不同線型、不同軌道結構鋼軌的合理打磨周期和打磨量。在鋼軌自然磨損和鋼軌打磨的共同作用影響下，探究鋼軌的合理使用壽命，對鋼軌進行全壽命管理。

經過對試驗結果持續跟蹤分析，波磨發展速度下降為原速度的一半；噪聲發展速度下降為原速度的2/3。減磨效果良好，噪聲比改造前平均降低1～2 dB，降噪效果明顯。

5.4 整治方案4——調整曲線超高

由于地鐵14號線使用的A型車車軸重較大，曲線外股形成側磨，目前部分曲線段側磨已達到2 mm，側磨發展速率1 mm/年；故將曲線外股超高調至10 mm，借此減輕外股側磨，最終降低噪聲和增加外股鋼軌使用壽命。

實施中，對起道完畢的的曲線按照以下容許偏差管理值進行檢測，對超限區段再次進行調整。曲線超高在緩和曲線內遞減順坡，無緩和曲線時在圓曲線兩段直線段遞減順坡，超高順坡率一般不大于2‰，困難條件下不宜大于2.5‰。按照行車通告中的施工計劃在相應的車站登記、要點，召開施工前的安全預想會。作業隊長[CP（T）人員]監督作業人員按規定著裝、按照相關工作指引進行起道作業，并在起道后對起道量進行檢查核對。CP（T）人員在施工結束后檢查現場，做到工完場清，清點人數，注銷施工登記。

經第三方檢測單位收集整理整改前后的振動數據，綜合評定，調整曲線超高后，減磨效果有明顯改善，降噪效果不明顯。

5.5 整治方案5——更換減振扣件

因有居民投訴地鐵大興線高米店北站—高米店南站區間列車經過時，晝夜都有頻繁的隆隆聲，已嚴重影響小區居民的正常生活。為解決以上問題，經研究，擬對大興線高米店北站—高米店南站區間上行線（DK9 + 250 ～DK9 + 540）進行原DTⅥ2型扣件更換為先鋒扣件的減振改造。

組織施工、監理、設計、運營單位溝通施工方案和實施計劃，確保將其對正常運營的影響降至最小范圍，委托第三方檢測單位對實施減振改造區段進行現場復勘并布設檢測數據點，及時修正、完善技術方案。施工前檢查施工人員、勞動防護用品及工器料具準備情況。施工過程中，施工負責人和監理工程師檢查扣件施工作業程序，確保嚴格按照擬定方案實施。施工結束后，施工負責人、監理工程師、線路專業工程師及其他涉及專業人員共同檢查施工區段的作業質量（主要包括線路、接觸軌的幾何尺寸，附屬設備的傷損情況，檢查現場是否有遺留的工器料具以及可能影響運營的其他情況），確認無誤后方可注銷施工申請。

經第三方檢測單位收集整理整改前后的振動數據，綜合評定，更換減振扣件后，減磨效果有明顯改善，噪聲比改造前平均降低1 dB。減磨效果較好，降噪效果明顯。

綜上所述，采用5種整治方案的減磨、降噪效果如表2所示。

表2 整治效果評價表 dB

6 結論

本文提出的措施可有效降低由輪軌共振造成的異常噪聲1～2 dB，提升了旅客乘坐舒適性，減輕了沿線周邊的噪聲污染，消除了列車走行部在小半徑曲線的疲勞源，提高了列車運營安全性。同時，本文提出地鐵小半徑曲線減磨降噪技術方案，通過鋼軌非對稱性打磨明顯提升減磨和降噪效果，并為鋼軌預防性打磨做了一定的預研工作，提高了鋼軌的使用壽命。