城市軌道交通鋼軌波磨智能管理研究

吳宗臻 王文斌 王小鎖

摘 要：針對城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）鋼軌波磨問題，首先分析城軌鋼軌波磨的特征及危害，然后對我國采用的鋼軌波磨評價方法進行分析，指出分波長分級波磨評價的必要性;對鋼軌波磨測量方式進行分類總結(jié)，指出針對鋼軌波磨智能管理宜采用隨車全線測量和重點區(qū)段人工連續(xù)測量相結(jié)合的方式;對城軌鋼軌波磨管理模式進行分析，指出既有管理方式的不足，提出鋼軌波磨智能管理的理念，并圍繞鋼軌波磨智能管理的要點分別進行闡述。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;鋼軌波磨;智能管理;評價方法;測量方式

中圖分類號：U213.4

1 概述

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。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。

城軌曲線眾多，軌道型式多樣，車輛加減速頻繁，導(dǎo)致鋼軌波磨成為城軌的一類主要病害，其種類及特征與大鐵路不同，發(fā)生早，發(fā)展速率快，以100mm以下短波波磨為主（圖1）。

城軌鋼軌波磨會引起一系列的次生病害，例如扣件彈條斷裂、扣件T栓斷裂、車內(nèi)噪聲異常等（圖2）。

由于城軌的線路線型、運營特點及養(yǎng)護維修周期的原因，鋼軌波磨將伴隨著城軌運營而發(fā)生發(fā)展。鋼軌波磨治理的思路是將其科學(xué)地管理起來，通過合理的評價指標(biāo)、科學(xué)的治理方式及智能的管理方法，將鋼軌波磨對軌道壽命、運營質(zhì)量的不利影響降到最低。

本文結(jié)合作者長期開展的鋼軌波磨研究經(jīng)驗，從鋼軌波磨的評價方法、測量方法出發(fā)，重點闡述城軌鋼軌波磨的智能管理方法，以期為業(yè)內(nèi)同行開展鋼軌波磨相關(guān)的研究和管理工作提供借鑒和思考。

2 鋼軌波磨評價方法

2.1 鋼軌波磨評價指標(biāo)

我國城軌針對鋼軌波磨的評價依據(jù)為TG/GW102-2019《普速鐵路線路維修規(guī)則》，評價指標(biāo)僅包含波長、波深等參量。標(biāo)準規(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(biāo)準規(guī)定的波深0.5mm后，應(yīng)及時進行打磨維護。進行鋼軌打磨后，鋼軌表面不平度應(yīng)<0.2mm。

但這種單一的測量及評價指標(biāo)過于粗糙，未對不同波長的波磨進行分類評價，且打磨后0.2mm的單一驗收標(biāo)準過于寬松，不利于針對鋼軌異常波磨進行科學(xué)的維修和管理。

2.2 鋼軌波磨波長、分級評價

圖3為仿真計算得出的不同速度級下鋼軌波磨波深和波長對輪軌垂向力的影響趨勢圖，可以看出，對于不同波長的波磨，其波深對輪軌垂向力的影響是不同的，尤其是短波波磨，在波深較小的情況下輪軌垂向力量值就已經(jīng)較大;另外隨著列車速度的提升，對不同波長波磨的限值要求也更加嚴格?？茖W(xué)的波磨測量和評價方法需要采用分波長、分級的方式進行。

3 鋼軌波磨測量方法

由于波磨波深為微米級別，肉眼無法簡單判別，因此針對鋼軌波磨的分波長分級管理高度依賴于測量工具，高精度的測量及分析手段才能保證鋼軌波磨智能管理的順利開展。按照數(shù)據(jù)采集原理，波磨測量可以分為間接測量和直接測量。

3.1 間接測量

間接測量指通過輪軌接觸作用下的間接指標(biāo)進行波磨評價的方法。例如，通過噪聲，鋼軌或者車輛軸箱振動等指標(biāo)，推算出輪軌接觸作用下的鋼軌波磨的波長、波深等特征參數(shù)。其特點為：方便快捷，但精度低，受外界條件影響大。

3.2 直接測量

直接測量指將傳感器放置在鋼軌走行表面直接對鋼軌波磨進行測量的方法，并以此測量結(jié)果作為評價鋼軌波磨及制定打磨計劃的測量依據(jù)。其特點為：直觀，精度高，不受外界條件的影響。

直接測量方法按照測量數(shù)據(jù)樣本的不同，可以分為離散型測量和連續(xù)性測量。

3.2.1 離散型測量

離散型測量指采用1m或1.2m的高精度電子直尺對波磨區(qū)段抽樣測量，測試數(shù)據(jù)是以1m為測量單位的離散單元，測量結(jié)果受測量人員選點影響較大（圖4）。

3.2.2 連續(xù)型測量

連續(xù)型測量指通過測量傳感器在鋼軌表面連續(xù)移動的方式，對一個區(qū)間范圍內(nèi)的鋼軌波磨連續(xù)采樣（圖5）。根據(jù)測量傳感器的原理不同，連續(xù)型測量可以分為加速度式接觸測量、激光式非接觸測量。

按照測量設(shè)備的安裝位置及實現(xiàn)方式的不同，連續(xù)型測量可以進一步區(qū)分為人工局部測量和隨車全線測量。

（1）人工局部測量。指采用人工測量設(shè)備對典型波磨區(qū)段進行測量（圖5），該測量方式的測量數(shù)據(jù)精度高，可以對數(shù)據(jù)進行完善的量化分析，但測量效率低，難以進行全線的統(tǒng)計分析。

（2）隨車全線測量。指將測量設(shè)備安裝于軌檢車或電客車上，隨車進行全線的鋼軌表面不平順測量（圖 6），該測量方式測量效率高，可以對全線數(shù)據(jù)進行高效采集，便于進行全線的鋼軌波磨分類統(tǒng)計分析，但測量精度不及人工推車式測量方式。

鋼軌波磨智能管理需要包含高精度的分波長分級分析及全線分類統(tǒng)計等能力，因此數(shù)據(jù)獲取方面需要將人工局部測量和隨車全線測量2種方式進行有機結(jié)合。

4 鋼軌波磨智能管理

目前，鋼軌波磨機理及理論眾多，但都是基于一定的假設(shè)理論及實驗研究，沒有一種波磨理論可以解釋所有類型的鋼軌波磨。因此，傳統(tǒng)的從鋼軌波磨機理研究出發(fā)，研究波磨特征、成因、解決方法的研究思路存在一定的局限性，不能應(yīng)對各個城軌鋼軌波磨智能管理問題。

鋼軌波磨是一種伴隨城軌運營產(chǎn)生和發(fā)展的軌道病害，只能通過科學(xué)的評價和管理方法進行控制，以分波長分級的鋼軌波磨評價方法為基礎(chǔ)，以全線和局部高精度測量方法為手段，開展城軌鋼軌波磨的智能管理。

智能管理模式通過建立波磨管理平臺，包含波磨數(shù)據(jù)庫、波磨評價指標(biāo)、波磨統(tǒng)計算法等，將現(xiàn)場波磨數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，進行全線的系統(tǒng)評估、綜合的分類分析、以及科學(xué)打磨計劃的制定。智能管理主要包括：數(shù)據(jù)測量和上傳智能，評價指標(biāo)智能，波磨統(tǒng)計智能。

4.1 線路信息數(shù)字化

以里程為基點，將線路信息數(shù)據(jù)上傳至管理信息平臺，主要包含以下3類信息。

（1）車輛信息。車型相關(guān)基礎(chǔ)信息、速度曲線。

（2）軌道信息。軌道型式、扣件型式、曲線線型。

（3）養(yǎng)護維修信息。換軌記錄、打磨記錄、更換扣件記錄。

4.2 波磨數(shù)據(jù)智能采集及上傳

前端采用高精度設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，包含隨車采集設(shè)備（全線）和局部手推采集設(shè)備（高精度），并將波磨原始數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)，與里程信息一一對應(yīng)，同時按照數(shù)據(jù)采集時間順序排列（圖7），以滿足按里程分析和按時間線分析的基本功能，便于查詢和綜合統(tǒng)計分析。

4.3 分波長分級波磨評價指標(biāo)

綜合考慮國內(nèi)鋼軌波磨評價指標(biāo)，結(jié)合國外更為合理的鋼軌波磨評價規(guī)范（主要包含移動波深幅值有效值RMS、移動峰-峰平均值PPR以及鋼軌表面粗糙度級等參量），同步進行不同參量的數(shù)據(jù)分析和對比，制定不同城市城軌波磨評價指標(biāo)限值。

波磨評價指標(biāo)及限值研究主要包含以下幾個方面。

（1）波長段范圍。例如，10～30mm，30～100mm，100～300mm，300～1000mm。

（2）波磨多級限值。例如，10～30mm波長段范圍，從波磨狀態(tài)好～差分為3個級別，相應(yīng)的波深限值為0.01mm、0.02mm、0.03mm。

（3）波磨等級。按照不同波長段的不同波磨量值，給出合理的計權(quán)方法，計權(quán)得出一個波磨等級，并依此評價鋼軌波磨狀態(tài)。

最終可以實現(xiàn)波磨評價指標(biāo)隨數(shù)據(jù)積累的動態(tài)更新，以及計權(quán)系數(shù)的動態(tài)更新。

4.4 波磨分類統(tǒng)計分析

按照城軌線路、區(qū)間、里程范圍、行別、軌別等進行統(tǒng)計分析，繪制所選區(qū)間的波磨基本狀態(tài)及線路信息;按照軌道類型、曲線半徑、行車速度等進行分類統(tǒng)計分析，繪制綜合統(tǒng)計圖表，從各方面進行城軌鋼軌波磨狀態(tài)統(tǒng)計和管理，并且按不同參數(shù)進行篩選統(tǒng)計（圖 8、圖9）

4.5 波磨發(fā)展分析

對于相同區(qū)段的波磨狀態(tài)，沿時間線進行發(fā)展分析，可以看出不同區(qū)段鋼軌特征波長、波深、PPR、粗糙度級等指標(biāo)的發(fā)展情況，并可以進行不同參數(shù)的統(tǒng)計分析。

圖10～圖12為實際城軌區(qū)段實測波磨波長和波深的發(fā)展統(tǒng)計曲線，該曲線可以對打磨效果、波深發(fā)展速率、波長變化趨勢等進行直觀和定量的分析。

4.6 自動生成打磨維修建議

根據(jù)數(shù)字化的線路信息，按照波磨評價指標(biāo)對波磨數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和發(fā)展分析，根據(jù)打磨維修能力及線路條件設(shè)定好打磨條件，進而生成波磨區(qū)段的打磨維修計劃。打磨維修后，相關(guān)記錄錄入波磨管理平臺，更新線路信息。

4.7 評價指標(biāo)限值動態(tài)更新

隨著城軌線路的實測波磨數(shù)據(jù)的積累，可以設(shè)定動態(tài)反饋機制進行判斷，對鋼軌波磨評價指標(biāo)的限值進行更新，使其更加適用于各城市的城軌條件。

4.8 指導(dǎo)新線設(shè)計

根據(jù)既有線的大量波磨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果，給出易發(fā)生波磨的車輛軌道參數(shù)組合，從而指導(dǎo)優(yōu)化新線設(shè)計。在新線建設(shè)中做好軌道系統(tǒng)的頻域規(guī)劃，使輪軌參數(shù)匹配合理。同時，新線建設(shè)考慮采用綜合的減振方案，考慮基礎(chǔ)減振、隧道結(jié)構(gòu)減振、路徑隔振、敏感目標(biāo)隔振相結(jié)合，降低軌道系統(tǒng)的減振壓力，降低鋼軌波磨等軌道病害的發(fā)生頻率。

5 結(jié)語

鋼軌波磨智能管理目的是通過感知端、分析端、平臺端的有機結(jié)合，對鋼軌波磨進行科學(xué)管理，研究適用于城軌的鋼軌波磨分波長分級評價指標(biāo)，指導(dǎo)科學(xué)的鋼軌打磨維護管理。最終目標(biāo)是提高波磨治理效率，降低波磨維修養(yǎng)護成本，延長鋼軌壽命，減少軌道病害，降低車內(nèi)噪聲，提高乘客舒適性。鋼軌波磨智能管理是智慧城軌建設(shè)及運維體系中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對提升城軌智能運維水平，降低運營成本，提高運營效率具有重要的意義。

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收稿日期 2020-04-27

責(zé)任編輯 朱開明