基于地铁波磨测试的钢轨打磨标准研究

　　摘要：随着城市交通运输压力不断增加，地铁列车行驶速度、行车密度大幅提高，对列车轨道要求也越来越高，导致钢轨频繁出现波磨病害。波磨的产生直接影响列车行驶平稳性和舒适性，甚至危及行车安全，而我国现行的钢轨打磨标准不能科学的指导北京地铁钢轨打磨作业，因此，需针对北京地铁线路具体情况，制定相应的钢轨打磨标准。通过连续波磨测量设备对北京地铁某波磨严重地段进行钢轨表面不平顺测试，并对钢轨打磨前后数据进行分析，发现该区段存在严重的63mm短波波磨；随后根据测试车辆通过该地段时轴箱的振动加速度值，结合波磨指数和构架疲劳寿命S-N曲线，对钢轨波磨等级进行四级划分并给予相应打磨建议。研究结论：当钢轨波磨指数大于10dB时需进行钢轨打磨作业，若打磨后各波长对应的钢轨粗糙度级小于相应限值，可判断打磨质量合格。

　　关键词：地铁；钢轨；波磨；打磨标准；粗糙度级；波磨指数；构架疲劳寿命

　　引言

　　地铁具有舒适、方便、安全和绿色等特点，是当今许多城市交通运输的重要方式。然而，随着市内人口不断增加、交通压力越来越重，使得地铁列车行驶速度、行车密度大幅提高，导致钢轨出现波浪形磨耗（简称“波磨”）[1-3]，尤其在曲线部分更为严重[4]。波磨的产生会加剧轮轨之间相互作用力，降低车辆和轨道使用寿命，引发轮轨噪声[5]，增加养护维修费用，影响列车行驶平稳性和舒适性，甚至危及行车安全[6]。目前，缓解波磨病害最有效的办法是周期性打磨[7-8]。合理的打磨标准能够及时发现钢轨波磨，延缓其发展与恶化，降低轮轨作用力和维护成本[9]。因此，研究钢轨打磨标准具有重要的理论意义和工程应用价值。

　　1北京地铁钢轨波磨的现状

　　目前，北京地铁线路波磨情况较为严重，运营的轮轨式轨道交通的14条线路中，波磨地段有143.7单线延长千米。钢轨波磨大部分发生在曲线地段，部分线路直线段出现了钢轨波磨。如图1所示，北京地铁某区间曲线地段出现了较为严重的钢轨波磨，且内轨表面有明显的流塑现象。由于我国的钢轨波磨评价指标及打磨维护规范指标单一且量值相对宽松，不能分波长进行评价，亟需开展城市轨道交通钢轨波磨评价指标的系统化科学研究，指导和判断钢轨打磨的周期和质量，降低车辆的轴箱加速度值，减少扣件和车辆零部件伤损，降低车内噪声和提高乘车的舒适度和服务品质。

　　2钢轨波磨的现行打磨标准

　　目前，我国现有的钢轨打磨标准为普速铁路线路修理规则、北京市地方标准和高速铁路标准。普速铁路线路修理规则中对波磨深度超过0.3mm伤损时应进行修理性打磨或铣磨。地方标准城市轨道交通设施养护维修技术规范中，对线路上成段的钢轨波浪形磨耗（波深0.3mm）、飞边、马鞍形磨耗和焊缝凸凹等病害，使用打磨车采用修复性打磨，对于既有运营线路应每年不少于一次进行预防性打磨，消除疲劳伤损，延长钢轨使用寿命。

　　3现场波磨测试

　　北京地铁某线R=450m的曲线段为典型波磨区段，近几年运营期内发生了大量的弹条和T形螺栓断裂现象。选取该地段进行波磨测试和车内噪声测试。波磨测试采用可连续测量的CAT钢轨波磨测量分析小车，对测量范围内的钢轨进行不间断测试[15]。车内噪声测试通过运营结束后地铁列车添乘，在客车室内布置测点，测得该地段不载客工况下的全线车内噪声[16]。噪声评价方法参考GB14892-2006《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》[17]，车内噪声的评价指标采用A计权的等效声压级，限值为83dB。

　　4钢轨波磨评价指标

　　4.1钢轨粗糙度

　　规范BSENISO3095:2013《铁路专用标准声学轮轨系统引起的噪声测量》使用钢轨表面不平顺粗糙度级Lr作为波磨的评价指标，其定义是钢轨表面波磨幅值有效值与其参考值的比值。该评价指标采用1/3倍频程波长谱的形式，描述了不同波长对应的钢轨波磨幅值水平，并以分贝作为等级区分。具体表达式如下2rmsr2010logrLr?(1)式中，Lr为钢轨表面不平顺谱值，dB；钢轨表面短波不平顺参考值r0=1μm；rrms为钢轨表面波磨幅值有效值。

　　4.2钢轨波磨指数

　　钢轨波磨指数法，用于钢轨波磨严重程度的诊断，从对某条线的实际测量数据和现场实际波磨情况来看，诊断出钢轨波磨准确率相当高，且能反映出轮轨直接作用力的大小和波磨严重程度。本小节将以钢轨波磨指数与架构疲劳寿命作为评价指标，对钢轨波磨指数进行分类[18]。

　　5结论与建议

　　根据北京地铁钢轨和车辆两种测试数据来源，分析总结了钢轨粗糙度级和波磨指数两个重要指标的作用，提出了以波磨指数作为钢轨是否需要打磨、以粗糙度作为检验钢轨打磨是否合格的评价标准，具体结论如下。

　　（1）选取北京地铁某线的典型曲线波磨区段进行现场试验，发现尽管现场波磨最大波深小于我国规范限值0.3mm，仅为0.11mm，短波波磨引起的高频振动还会导致T形螺栓发生断裂，同时噪声级超过规范限值达到95.3dB左右，表明目前我国标准的波磨评价指标在城市轨道交通方面运用不够合理。

　　（2）通过采用连续波磨测量设备对该曲线地段进行钢轨表面不平顺测试并对钢轨打磨前后数据进行分析，计算得出钢轨表面粗糙度级。以多次打磨后取平均值的钢轨粗糙度作为基准线，发现此曲线区段存在严重的63mm短波波磨，与实测钢轨表面不平顺所得结果一致。

　　（3）当轴箱加速度为8.1g时，车辆构架的疲劳强度循环次数达到200万次，符合设计寿命要求；当加速度值增大时，构架的循环次数降低幅度较大；当加速度值为30g时，构架的疲劳强度循环系数仅为3.87万次。根据波磨指数和构架疲劳寿命划分了四级钢轨波磨级并给出了相应的打磨建议。

　　参考文献：

　　[1]宋小林，翟婉明，王开云.波磨对轮轨系统动力特性的影响分析[J].铁道科学，2018，39(5)：42-50.

　　[2]任彤，王安斌，王志强，等.小半径曲线段钢轨短波波磨的影响因素分析[J].噪声与振动控制，2018，38(6)：105-108，112.

　　叶利宾1，2，王迦淇2，肖宏2

《基于地铁波磨测试的钢轨打磨标准研究》

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