軌道精細化維修對振動噪聲及節(jié)能的影響

梁中東

（北京京港地鐵有限公司，北京 100068）

隨著城市軌道交通的發(fā)展，節(jié)能降耗及振動噪聲問題已逐漸成為人們關(guān)心的熱點問題。對于節(jié)能降耗問題，大多研究主要集中于運行交路、節(jié)能坡、再生制動、曲線限速、進出站運行控制、停站時間調(diào)整等方面[1-3]或者是列車操縱策略、列車自重及載重對能耗的影響[4-6]；對于減振降噪問題，大多數(shù)研究致力于車輛以及軌道結(jié)構(gòu)的選型[7-8]?，F(xiàn)階段關(guān)于軌道維修對節(jié)能降耗的影響或是減振降噪的影響研究較少，且將兩者結(jié)合起來，以工程實踐量化其效果的研究未見報道。北京京港地鐵有限公司（簡稱“京港地鐵”）在確保軌道設(shè)施狀態(tài)安全可靠的基礎(chǔ)上，持續(xù)探索如何能進一步提高線路質(zhì)量、改善乘車舒適性、降低運營成本，研究了軌道與振動噪聲及能耗之間的關(guān)系，采用軌道精細化維修的方式有效實現(xiàn)了節(jié)能降耗及減振降噪的目標。

1 軌道與振動噪聲及能耗

列車在運行過程中，因摩擦、沖擊、線路條件等阻力因素產(chǎn)生振動和噪聲等能量損耗。行車阻力可分為基本阻力和附加阻力，其中基本阻力包含：車軸軸承摩擦阻力、輪軌間滾動摩擦阻力、輪軌間滑動摩擦阻力、沖擊阻力、空氣阻力；附加阻力包含：坡度附加阻力、曲線附加阻力、隧道附加阻力[9]。在運營階段，通過改善軌道狀態(tài)以減小輪軌間阻力以及沖擊是實現(xiàn)減振降噪以及節(jié)能減排的有效手段。

2 軌道精細化維修措施

2.1 改善軌道質(zhì)量指數(shù)（TQI）

軌道質(zhì)量指數(shù)（TQI）是一套評價軌道質(zhì)量狀態(tài)的先進技術(shù)，主要包含7項因素：水平、左高低、右高低、左軌向、右軌向、三角坑和軌距，以200 m為一個單元區(qū)段，對檢測結(jié)果進行統(tǒng)計與計算獲得，通過對這些因素進行測量，可實現(xiàn)對線路幾何形態(tài)的描述測評[10]。TQI指數(shù)越低，表明該區(qū)段狀態(tài)離散的程度越小，軌道的平順性越好，列車運行過程中產(chǎn)生的振動噪聲及能量損耗越少。

2014年，在北京地鐵14號線率先引入TQI管理概念，并制定遠高于DB11/T 718-2016《城市軌道交通設(shè)施養(yǎng)護維修技術(shù)規(guī)范》[11]中“TQI不超過14.51”的控制標準，提出優(yōu)質(zhì)線路的TQI值控制在8以內(nèi)的目標。

由于地鐵線路曲線多、半徑小，縱坡變化頻繁，經(jīng)常出現(xiàn)豎緩重合的現(xiàn)象，導(dǎo)致線路的平順性很難控制，TQI很容易超標，尤其是部分豎曲線地段設(shè)計標高與實際標高相差較大，是維修養(yǎng)護的難點。線路團隊不斷改進整改技術(shù)，成功將TQI值控制在8以內(nèi)：①開展了細致的現(xiàn)場測量，研究曲線擬合方法、編寫擬合程序，優(yōu)化整改方法；②采用新型軌檢儀，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)輸入程序，自動生成TQI整改方案，既節(jié)省人工計算和現(xiàn)場確認的時間，也提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

2018年，北京地鐵14號線的整改技術(shù)及成果普及到其他線路：16號線的TQI值成功控制在8以內(nèi)，4號線和大興線的TQI標準值提高到10以內(nèi)，各線平順性明顯改善。

2.2 開展鋼軌廓形管理

2.2.1 鋼軌預(yù)打磨

預(yù)打磨是對鋪設(shè)上道后新鋼軌的打磨，去除脫碳層，消除焊縫不平順和運輸、施工中產(chǎn)生的初始缺陷。實踐表明在新線開通前或開通3個月內(nèi)進行鋼軌預(yù)打磨，在運營初期其波磨、剝落掉塊等疲勞傷損發(fā)展時間較不進行預(yù)打磨延長至少50%。除新線外，線路團隊在既有線換軌段也進行了鋼軌預(yù)打磨處理，有效延緩了軌面不平順的產(chǎn)生，減小了行車阻力。

2.2.2 鋼軌定制化打磨

鋼軌定制化打磨技術(shù)旨在通過跟蹤觀測不同地段鋼軌廓形及磨耗、波磨、魚鱗紋等數(shù)據(jù)狀態(tài)變化規(guī)律，結(jié)合車輪踏面與鏇修周期、車速、線路線形、軌道結(jié)構(gòu)等因素，制定適用于不同地段的鋼軌目標廓形。同時，利用專業(yè)有限元分析軟件，進行輪軌匹配與接觸應(yīng)力分析，優(yōu)化鋼軌設(shè)計廓形，與專業(yè)公司合作，提供更細致的定制化鋼軌廓形設(shè)計。

通過鋼軌定制化打磨可減緩鋼軌疲勞傷損及波磨的發(fā)展，改善鋼軌表面平順性，同時改善輪軌接觸關(guān)系[12-13]，有效降低輪軌接觸產(chǎn)生的振動及噪聲，減小輪軌間摩擦阻力，減小沖擊力。

2.2.3 鋼軌打磨質(zhì)量指數(shù)（GQI）應(yīng)用

鋼軌打磨質(zhì)量指數(shù)（GQI）代表實測廓形與目標廓形的貼合程度[14]，其值介于0～100之間，GQI值越高說明貼合度越高。為更好地評價鋼軌修廓打磨質(zhì)量，打磨團隊改變了原有廓形評價方法（通過測量鋼軌打磨軌頭范圍內(nèi)實測廓形與目標廓形最大偏差和不密貼角度對區(qū)段打磨質(zhì)量進行驗收，見圖1），在維護維修過程中引入了GQI。

GQI指標制定的關(guān)鍵是合理設(shè)置軌頭分區(qū)（圖2）、權(quán)重及偏差允許值。對于曲線上、下股和直線，鋼軌與車輪的接觸形式不同，要求在計算不同位置的鋼軌GQI時，需要對軌頭分區(qū)分配不同的權(quán)重，以體現(xiàn)重點位置的差異性；如果偏差允許值定的過松，則達不到精細化的要求，如果定的過嚴，則超過了維修的精度。打磨團隊經(jīng)長時間的摸索與試驗驗證，現(xiàn)已結(jié)合線路實際情況，制定了企業(yè)評價標準，實現(xiàn)了鋼軌廓形及鋼軌打磨質(zhì)量的有效管控。

2.3 道岔精修

為有效改善道岔狀態(tài)，提升整體平順性，線路團隊制定了多種改善措施：

（1）制定遠高于北京市地方標準和行業(yè)標準的道岔精檢細修標準，精調(diào)軌距、水平、高低、滑床板離縫等幾何尺寸；

（2）采用角磨機手工制作楔形滑床板墊片，進行滑床板離縫調(diào)整工作，以解決短軌枕施工誤差造成的滑床板離縫問題；

圖1 原有廓形評價方法

圖2 GQI計算的軌頭分區(qū)示意圖

（3）開展磨耗嚴重的道岔轉(zhuǎn)轍配件更換工作時，結(jié)合現(xiàn)場情況，考慮對磨耗尖軌、基本軌等一同更換，同時對滑床板平整度進行精修。

以上措施已在既有線推廣應(yīng)用，并取得顯著效果。以北京地鐵14號線為例：14號線西段、東段自運營起，輪軌摩擦及沖擊嚴重，折返道岔如張郭莊站岔1-2、岔1-3，西局站岔7-1、岔7-2，善各莊站岔37-1、岔37-2、岔37-5，金臺路站岔26-2、岔26-5等出現(xiàn)了嚴重的道岔側(cè)磨，其曲線尖軌、基本軌與導(dǎo)曲線鋼軌最短使用壽命為4～5個月，遠低于鋼軌的正常使用壽命。為此，按照企業(yè)標準對道岔實施精檢細修，對幾何尺寸及短軌枕不平問題進行精細調(diào)整，同時對尖軌進行1 : 70的內(nèi)傾角度調(diào)整。調(diào)整后，道岔導(dǎo)曲線鋼軌側(cè)磨和折返岔區(qū)尖軌側(cè)磨發(fā)展速率明顯降低，鋼軌件使用壽命較之前平均延長2.5倍以上，同時降低了輪軌摩擦和沖擊，繼而實現(xiàn)減振降噪及節(jié)能降耗的目標。

2.4 軌底坡超限整改

短軌枕地段普遍存在軌底坡不良的情況，尤其是小半徑曲線地段，軌底坡在軌排移動、運輸、軌道幾何尺寸精調(diào)過程中，由于約束剛度不足，極易發(fā)生變化。軌底坡不良可能會引起輪軌接觸匹配不良，造成輪軌滾動接觸疲勞，鋼軌磨損嚴重，波磨及幾何形位不良加速發(fā)展，軌道部件折斷失效等[15-16]。

線路團隊采用傾角儀對曲線短枕地段進行軌底坡測量，并計算實際軌底坡與設(shè)計值之差及離散率，通過在鐵墊板下設(shè)置不同角度組合的楔形墊板調(diào)整軌底坡，確保軌底坡在合理范圍內(nèi)。在軌底坡整改過程中，同步檢查線路軌距、水平、高低等幾何尺寸，將其偏差控制在允許范圍內(nèi)。

2.5 消除鋼軌接頭

鋼軌接頭處的結(jié)構(gòu)不平順及接頭不正常磨損，如錯牙、肥邊、鞍形磨耗等，均會使列車運行時受到較大沖擊[17]。利用氣壓焊消除鋼軌有縫接頭可以進一步提高鋼軌平順性，同時杜絕接頭病害產(chǎn)生，還能降低振動及噪聲。另外在直流供電的情況下，鋼軌作為負極，消除接頭可以使得負極的電阻大大降低，對節(jié)能也做出貢獻。

3 工作成效

隨著軌道精細化維修工作的有序開展，目前北京地鐵14號線及16號線實現(xiàn)TQI≤8，4號線及大興線普通短軌枕地段TQI≤10，其他地段TQI≤12，全線平均噪聲降低4.2 dB（A），乘客體驗明顯改善。2016年—2018年在4號線年均客流增長0.90%、大興線年均客流增長2.93%的情況下，正線每車 · 公里電耗未發(fā)生明顯變化。換言之，4號線和大興線在幾乎沒有增加任何牽引電耗的情況下，每年多運送乘客730萬人次。正線列車單耗變化詳見圖3。

圖3 2016年—2018年正線列車單耗變化

4 結(jié)語

在軌道狀態(tài)及維修質(zhì)量控制方面，京港地鐵實現(xiàn)了高標準、嚴要求，并執(zhí)行了改善TQI、鋼軌廓形管理、道岔精修、軌底坡超限整改、消除鋼軌接頭等一系列措施，目前在減小振動和噪聲、降低車輛運行能耗方面的工作成效已明顯顯現(xiàn)。未來，線路團隊將持續(xù)開展軌道精細化維修工作，不斷進行技術(shù)優(yōu)化與突破，提升乘客及居民體驗，降低能源消耗。