城市軌道交通鋼軌波磨評價指標及打磨驗收標準探討

吳宗臻，王文斌

(中國鐵道科學(xué)研究院 城市軌道交通中心，北京 100081)

鋼軌波磨是指在輪軌滾動接觸表面出現(xiàn)的類似波浪的規(guī)律性不均勻磨耗現(xiàn)象[1]。與軌面擦傷、焊縫不平、剝離掉塊等傷損形式不同，鋼軌波磨具有顯著的周期性特征。鋼軌波磨產(chǎn)生機理復(fù)雜，治理困難，世界上約40%的軌道曲線段都會產(chǎn)生波磨危害[2]。

近年來，隨著城市軌道交通的飛速發(fā)展，隨之而來的軌道系統(tǒng)病害也日益引起關(guān)注。城市軌道交通曲線眾多，軌道形式多變，車輛頻繁加減速，導(dǎo)致鋼軌波磨成為城市軌道交通的主要問題，顯著影響著城軌運營安全及養(yǎng)護維修效率。由于城軌獨有的特點，其鋼軌波磨種類及特征與大鐵路不同。城軌波磨病害發(fā)生范圍廣，發(fā)展迅速，以100 mm以下短波波磨為主，波磨特征和減振軌道(扣件)類型高度相關(guān)。

在鋼軌波磨研究中，其評價指標及打磨驗收標準是其中一個重要方面?？茖W(xué)的鋼軌波磨評價指標可以指導(dǎo)波磨機理研究，給出波磨發(fā)展的準確預(yù)測，指導(dǎo)鋼軌打磨維保周期，并可以科學(xué)評價打磨質(zhì)量。本文將對國內(nèi)外鋼軌波磨評價指標及打磨驗收標準的異同進行梳理分析，并給出城軌實測案例及后續(xù)研究建議。

1 我國鋼軌波磨評價指標及打磨驗收標準

我國城軌針對鋼軌波磨的評價依據(jù)為《鐵路線路維修規(guī)則》(鐵運[2006]146號)[3]，評價指標僅包含波長、波深等參量。該文件規(guī)定，以鋼軌頭部磨耗、鋼軌波浪形磨耗程度等為參考，將鋼軌傷損分為輕傷和重傷2類。當(dāng)鋼軌波磨超過鋼軌輕傷標準規(guī)定的波深0.5 mm后，應(yīng)及時進行打磨維護(表1)。進行鋼軌打磨后，鋼軌表面不平度應(yīng)<0.2 mm(表2)。

表1 《鐵路線路維修規(guī)則》鋼軌波磨打磨限值[3]

但現(xiàn)行的這種單一的測量及評價指標過于粗糙，且打磨后0.2 mm的驗收標準過于寬松，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(yǎng)修計劃。

表2 《鐵路線路維修規(guī)則》鋼軌打磨驗收標準[3]

2 國外鋼軌波磨評價指標及驗收標準

國外鐵路界對鋼軌波磨的研究已經(jīng)持續(xù)了上百年，但對鋼軌波磨的規(guī)范化測量及評價一直未重視，直到20世紀90年代，鐵路界對滾動噪聲發(fā)生的機理有了更深入的認識，逐步建立了包含鋼軌波磨在內(nèi)的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，開始了鋼軌波磨測量標準以及評價體系的系統(tǒng)研究[4]。

目前國外與鋼軌波磨的測量及評價有關(guān)的標準主要有：①《鐵路專用標準 聲學(xué) 輪軌系統(tǒng)引起的噪聲測量》(BS EN ISO3095:2013)[5]，根據(jù)輪軌噪聲排放與鋼軌表面粗糙度的關(guān)系的研究，提出了鋼軌表面粗糙度的1/3倍頻程波長譜限值；②《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》(BS EN 13231-3:2006)[6],根據(jù)窗長給出了鋼軌打磨后的驗收標準；③《鐵路專用標準 噪聲排放 與引起輪軌滾動噪音相關(guān)的鋼軌表面短波不平順的測量》(BS EN 15610:2009)[7]，規(guī)范了鋼軌波磨的測量要求及方法。

2.1 鋼軌表面不平順粗糙度級

規(guī)范BS EN ISO3095:2013使用鋼軌表面不平順粗糙度級Lr作為波磨的評價指標，采用1/3倍頻程波長譜的形式對鋼軌波磨進行分波長的描述。

該規(guī)范以一些線路條件極好的軌道的鋼軌表面短波不平順測量數(shù)據(jù)為背景，采用統(tǒng)計的方式對其短波不平順功率譜進行分析，然后根據(jù)輪軌噪聲排放與鋼軌表面粗糙度的關(guān)系，給出了鋼軌表面不平順粗糙度級容許的1/3倍頻程譜限值(圖1)。

圖1 鋼軌表面不平順粗糙度級限值

其中，每個中心頻率點處的不平順粗糙度級為

(1)

式中：Lr為鋼軌表面不平順粗糙度級，dB;rrms為鋼軌表面波磨幅值有效值，μm；r0為鋼軌表面短波不平順參考值，取為r0=1 μm。

原則上實測的鋼軌表面不平順粗糙度級不能超過圖1中的限值，但是由于該規(guī)范中沒有針對鋼軌焊縫、軌頭傷損等不連續(xù)點進行濾波處理，所以在波長為1～8 cm范圍內(nèi)，測試區(qū)段的波磨評價在以下2種情況下均認為不超限：①單頻帶范圍內(nèi)的短波不平順粗糙度級不超過限值6 dB；②最多3個連續(xù)頻帶的短波不平順粗糙度級不超過限值3 dB(圖2)。

圖2 超限修正說明

2.2 鋼軌打磨驗收標準

歐洲鐵路聯(lián)盟及主要的打磨機械生產(chǎn)商為規(guī)范鋼軌打磨工藝及評價打磨效果，經(jīng)過近10年的研究，制定了鋼軌波磨的測量及評價標準，形成了標準BS EN 13231-3:2006，為制定合理的打磨計劃提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

該標準規(guī)定了鋼軌表面短波不平順的打磨驗收標準，即經(jīng)過鋼軌修正性打磨后在鋼軌上允許殘留的短波不平順。規(guī)范采用移動波深幅值峰-峰平均值PPR、移動波深幅值有效值的平均值RMS、固定測量長度內(nèi)的超限比等參量作為鋼軌表面不平順的評價指標。將與波磨相關(guān)的波長范圍分為10～30，30～100，100～300，300～1 000 mm這4個部分，分別規(guī)定了移動波深幅值峰-峰平均值PPR、移動波深幅值有效值平均值RMS的容許限值(表3)。

PPR的計算方法如圖3和式(2)所示。

(2)

RMS的計算方法如圖4和式(3)所示。

表3 標準BS EN 13231-3:2006中分析窗長及容許限值[6]

圖3 PPR計算示意

圖4 RMS計算示意

(3)

式(2)、式(3)和圖3、圖4中，L為分析窗長，取值見表3。

由于實際情況存在鋼軌焊縫或接頭傷損，很難保證鋼軌全部達到該容許限值的要求，因此標準給出了不同波長范圍的100 m鋼軌長度的PPR和RMS的容許超限比(表4)，以此作為鋼軌打磨后的驗收指標。

表4 每100 m鋼軌PPR和RMS容許超限比[6]

3 國內(nèi)最新研究進展

3.1 ISO3095規(guī)范的引進

2011年，我國頒布了《聲學(xué) 軌道機車車輛發(fā)射噪聲測量》(GB/T 5111—2011)[8]，該標準作為推薦性國家規(guī)范，引入了BS EN ISO3095:2005的主要內(nèi)容。但2013年以后ISO3095限值已經(jīng)更新，ISO3095:2013相對于ISO3095:2005的限值更加嚴格(圖5)。

圖5 ISO3095規(guī)范2005版和2013版的限值區(qū)別

3.2 高速鐵路打磨驗收標準

分波長波磨評價及驗收標準的研究首先在高速鐵路領(lǐng)域?qū)嵤?014年，中國鐵路總公司印發(fā)了《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》(鐵總運[2014]357號)[9]，該文件明確給出了高速鐵路鋼軌波磨病害的整治標準及測量方法，其打磨限值比《鐵路線路維修規(guī)則》中規(guī)定的0.5 mm更為嚴格，規(guī)定平均谷深達到0.04 mm或最大谷深達到0.08 mm，波長不大于300 mm時，即可針對鋼軌波磨進行整治(表5)。

該文件借鑒了標準BS EN 13231-3:2006中分析窗長、容許超限比的驗收方法，依然是分10～30，30～100，100～300，300～1 000 mm 這4個窗長，分別給出了適用于高速鐵路的打磨驗收標準限值(表6)。

但由于城市軌道交通與高速鐵路在車輛類型、線路條件、運行速度、軌道類型等方面都有很大差異，因此城軌相關(guān)波磨評價及驗收指標并不能照搬高鐵要求，需要開展針對性的研究制定。

表5 《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》鋼軌病害整治限度[9]

表6 《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》打磨驗收標準[9]

4 實測案例

為了直觀地看出不同評價指標對鋼軌波磨程度評價及打磨要求的區(qū)別，選取地鐵某線的典型波磨區(qū)段作為實測案例進行對比分析。該區(qū)段為半徑470 m曲線段，現(xiàn)場觀察在其中一段內(nèi)軌存在短波波磨，但目視波深較淺。該區(qū)段在1年運營期內(nèi)發(fā)生了大量的扣件T形螺栓斷裂現(xiàn)象。

采用連續(xù)波磨測量設(shè)備進行鋼軌表面不平順測試后，按照ISO3095標準計算粗糙度級，結(jié)果見圖6，在25 mm典型波長上超出ISO3095限值達18.44 dB。

圖6 鋼軌表面不平順粗糙度級

按照BS EN 13231-3進行10～30 mm波長段PPR的計算，結(jié)果見圖7，在K3+700—K3+900范圍PPR超過30 μm，大幅超出BS EN 13231-3限值(10 μm)。

圖7 10～30 mm波長段的 PPR

綜合粗糙度級和PPR的分析結(jié)果表明，此區(qū)段存在嚴重的25 mm短波波磨，PPR和粗糙度級都嚴重超限，已經(jīng)需要進行打磨維護。

圖8 實測鋼軌表面不平順(0～100 mm濾波)

但按我國現(xiàn)行的《鐵路線路修理規(guī)則》要求，鋼軌波磨0.5 mm定義為輕傷，才達到鋼軌病害整治限度。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(qū)間取1 m范圍的典型區(qū)段(圖8)，可以看出1 m范圍內(nèi)大約有40個周期，波磨特征波長也在25 mm左右，與粗糙度級計算結(jié)果相符。最大波深-波谷量值僅為0.05 mm左右，遠未達到0.5 mm 的現(xiàn)行打磨標準，但是嚴重短波波磨引起的高頻振動已經(jīng)導(dǎo)致了T形螺栓斷裂病害。這也反映出目前采用的波磨評價指標的不合理，需要針對城軌開展科學(xué)的鋼軌波磨評價指標的研究。

5 結(jié)語

歐洲許多鐵路養(yǎng)護維修管理較發(fā)達國家已經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)了短波波磨會對輪軌高頻噪聲、軌道系統(tǒng)的損傷以及車輛轉(zhuǎn)向架的病害產(chǎn)生直接影響，通過多年系統(tǒng)研究，得出了較為科學(xué)的分波長波磨評價方法，并制定了鋼軌打磨、銑磨驗收標準來指導(dǎo)鋼軌波磨養(yǎng)護工作。

在這方面我國鋼軌波磨評價指標及打磨維護規(guī)范指標單一且量值相對寬松，不能分波長進行評價。對于運營影響較大的短波波磨的治理缺少借鑒和引入國際先進維護方法和管理理念，間接造成了國內(nèi)軌道和車輛病害頻發(fā)的現(xiàn)狀。這也需要我們加深理解建設(shè)和運維的特點，逐漸引入國際先進的規(guī)范和標準，直至形成我國基于建設(shè)和運維管理的先進標準體系。

[1]王二中,郭星利,張麗平.延緩鋼軌波磨發(fā)展與降低噪聲的試驗研究[J].鐵道建筑,2015,55(8):109-110.

[2]溫澤峰.鋼軌波浪形磨損研究[D].成都:西南交通大學(xué),2006.

[3]中華人民共和國鐵道部.鐵運[2006]146號 鐵路線路修理規(guī)則[S].北京:中國鐵道出版社,2006.

[4]張厚貴.北京地鐵鋼軌波磨的機理及整治方案研究[D].北京:北京交通大學(xué),2015.

[5]European Committee for Standardization.BS EN ISO3095:2013(E).Acoustics-Railway Applications-Measurement of Noise Emitted by Railbound Vehicles [S].London:British Standards Institution,2013.

[6]European Committee for Standardization.BS EN 13231-3:2006.Railway Applications-Track-Acceptance of Works-Part3:Acceptance of Rail Grinding,Milling and Planning Work in Tracks[S].London:British Standards Institution,2006.

[7]European Committee for Standardization.BS EN 15610：2009.Railway Applications-Noise Emission-Rail Roughness Measurement Related to Rolling Noise Generation[S].London:British Standards Institution,2009.

[8]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 5111—2011 聲學(xué) 軌道機車車輛發(fā)射噪聲測量[S].北京:中國標準出版社,2011.

[9]中國鐵路總公司.鐵總運[2014]357號 高速鐵路鋼軌打磨管理辦法[S].北京:中國鐵道出版社,2014.