大興機(jī)場(chǎng)線輪軌垂向力分析及控制標(biāo)準(zhǔn)研究

李春翔，祖宏林，徐 棟，陳萬(wàn)里

（1. 北京市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理有限公司，北京 100068；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081）

1 大興機(jī)場(chǎng)線輪軌力檢系統(tǒng)

北京大興機(jī)場(chǎng)線是全國(guó)首條運(yùn)營(yíng)速度160 km/h的城市軌道交通線路，為提高線路維護(hù)質(zhì)量，首次采用連續(xù)測(cè)量輪軌力檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)軌道缺陷進(jìn)行檢測(cè)。大興機(jī)場(chǎng)線運(yùn)營(yíng)電客車(chē)由青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司生產(chǎn)，為4動(dòng)4拖8編組列車(chē)，如圖1所示。連續(xù)測(cè)量輪軌力檢測(cè)系統(tǒng)安裝在08號(hào)旅客列車(chē)一位端，因?yàn)榘惭b在運(yùn)營(yíng)車(chē)輛上，該系統(tǒng)采用先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)遙測(cè)技術(shù)替代傳統(tǒng)的集流環(huán)，測(cè)力輪對(duì)不需要在車(chē)軸上加工穿線斜孔，將測(cè)力輪對(duì)使用壽命延長(zhǎng)至等同普通輪對(duì)，同時(shí)也避免了因?yàn)檩唽?duì)軸探傷帶來(lái)的大量維護(hù)工作。數(shù)據(jù)可通過(guò)車(chē)地LTE網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，使其具有非接觸、遠(yuǎn)程操控和無(wú)人值守等特點(diǎn)。

圖1 大興機(jī)場(chǎng)線運(yùn)營(yíng)車(chē)輛——白鯨號(hào)圖

2 大興機(jī)場(chǎng)線現(xiàn)有輪軌垂向力管理

2.1 輪軌垂向力現(xiàn)有控制標(biāo)準(zhǔn)

大興機(jī)場(chǎng)線作為城市軌道交通中首條引用連續(xù)測(cè)量輪軌力日常檢測(cè)的線路，無(wú)相關(guān)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)可供參考。因此在運(yùn)營(yíng)初期，參考《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》（TB 10761-2013）中4.3章節(jié)的相關(guān)規(guī)定，制定了輪軌垂向力的控制標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。然而將該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用在指導(dǎo)大興機(jī)場(chǎng)線軌道維護(hù)實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于寬松，不能全面有效地發(fā)現(xiàn)不同程度的軌道病害，因此需進(jìn)一步對(duì)大興機(jī)場(chǎng)線輪軌垂向力控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探究。

表1 輪軌垂向力控制標(biāo)準(zhǔn) kN

2.2 輪軌垂向力檢測(cè)實(shí)例

大興機(jī)場(chǎng)線正線采用移動(dòng)閃光焊技術(shù)焊接，依據(jù)《鋼軌焊接 第1部分：通用技術(shù)條件》（TB/T 1632.1-2017）第6.1章節(jié)規(guī)定，對(duì)不同焊縫頂面a1、側(cè)面b1平直度控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，a1作為頂面平直度檢查參數(shù)，以0 mm≤a1≤0.3 mm為控制標(biāo)準(zhǔn)。

表2 焊縫平直度控制標(biāo)準(zhǔn) mm

大興機(jī)場(chǎng)線運(yùn)營(yíng)開(kāi)通前，運(yùn)用連續(xù)測(cè)量輪軌力檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到2處典型的焊縫問(wèn)題。

（1）下行K34 + 155處焊縫。線路開(kāi)通前下行K34+155處焊縫檢測(cè)到輪軌垂向力最大值達(dá)到121.0 kN，主波長(zhǎng)0.77 m，檢測(cè)波形圖如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，該處焊縫翹頭情況嚴(yán)重，軌頂面a1幅值為1.75 mm，如圖3所示，另外軌下檢查發(fā)現(xiàn)，焊縫前后連續(xù)4處軌枕空吊，最大空吊6 mm，病害嚴(yán)重程度遠(yuǎn)超出了相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 下行K34+155輪軌垂向力檢測(cè)波形圖

圖3 下行K34+155焊縫平直度檢查照片

（2）下行K20+511處焊縫。線路開(kāi)通前下行K20+511處焊縫檢測(cè)到輪軌垂向力最大值達(dá)到133.5 kN，主波長(zhǎng)0.91 m，超出基準(zhǔn)值13.5 N，檢測(cè)波形圖如圖4所示?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，該處軌縫嚴(yán)重低塌，軌頂面a1幅值為-1.3 mm，如圖5所示。

圖4 下行K20+511輪軌垂向力檢測(cè)波形圖

圖5 下行K20+511處焊縫嚴(yán)重低塌照片

2.3 輪軌垂向力現(xiàn)有控制標(biāo)準(zhǔn)存在的問(wèn)題

在大興機(jī)場(chǎng)線開(kāi)通運(yùn)營(yíng)前，依據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)輪軌力檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)了軌道病害，并及時(shí)對(duì)軌道病害進(jìn)行了整治，未發(fā)生由于異常輪軌垂向力作用造成軌道結(jié)構(gòu)的損壞。對(duì)下行K34 +155和K20 + 511這2處鋼軌焊縫問(wèn)題處理后，除路基段岔區(qū)外，全線輪軌垂向力基本分布在100 kN以下，但開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加，小半徑曲線的肥邊和魚(yú)鱗紋現(xiàn)象以及焊縫位置傷損開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)。從以上2個(gè)典型測(cè)試案例也可以看出，輪軌垂向力采用120 kN限度值，其對(duì)應(yīng)的軌道病害均超過(guò)了1 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的0.3 mm限度值，現(xiàn)有控制標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于寬松。

依據(jù)現(xiàn)有軌道維護(hù)相關(guān)規(guī)定，大興機(jī)場(chǎng)線小半徑曲線平均每年執(zhí)行1次打磨工作進(jìn)行鋼軌維護(hù)；鋼軌焊縫方面，全線焊接接頭總計(jì)6 286個(gè)，在例行探傷檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)編號(hào)為SK05-12ZS的焊縫出現(xiàn)輕傷，對(duì)該位置現(xiàn)場(chǎng)檢查，軌道幾何狀態(tài)良好，聯(lián)結(jié)構(gòu)件正常，但焊縫平直度存在低接頭現(xiàn)象，回放輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該處輪軌垂向力實(shí)測(cè)最大值達(dá)到了93 kN，數(shù)據(jù)偏大，因此判斷長(zhǎng)期較大的輪軌垂向力作用是造成該焊縫輕傷的主要原因。

依據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)輪軌垂向力雖然可以檢測(cè)鋼軌焊縫嚴(yán)重的病害，但未考慮高鐵與城市軌道交通在運(yùn)營(yíng)方面的差異，僅僅照搬沿用高鐵輪軌垂向力控制標(biāo)準(zhǔn)并不能滿足對(duì)城市軌道交通線路維護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)需求，因此，需要從現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)角度及時(shí)發(fā)現(xiàn)不同程度的病害，并將該病害處輪軌垂向力長(zhǎng)期作用造成的軌道傷損作為依據(jù)，細(xì)化輪軌垂向力控制標(biāo)準(zhǔn)。

3 大興機(jī)場(chǎng)線輪軌垂向力分析及控制標(biāo)準(zhǔn)建議

3.1 輪軌垂向力數(shù)據(jù)分布

以1 s的檢測(cè)數(shù)據(jù)為樣本，對(duì)大興機(jī)場(chǎng)線全線非道岔區(qū)段輪軌垂向力檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖6給出了2020年1月和4月輪軌垂向力檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布圖。

圖6 下行K20+511輪軌垂向力檢測(cè)波形圖

鑒于探傷檢測(cè)中焊縫輕傷位置實(shí)測(cè)輪軌垂向力為93 kN，考慮安全裕量，將統(tǒng)計(jì)的起始值定為80 kN。2 次檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，1月份全線大于80 kN的垂向力68處，占比2.9%。4月份全線大于80 kN的垂向力83 處，占比3.6%。

對(duì)實(shí)測(cè)輪軌垂向力超出80 kN的位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核統(tǒng)計(jì)分析，68%為焊縫，29%為軌縫，另外3%為小半徑曲線。軌縫因其結(jié)構(gòu)特殊，本文不進(jìn)行詳細(xì)分析研究，重點(diǎn)對(duì)焊縫和小半徑曲線的輪軌垂向力及軌道缺陷的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析。

3.2 輪軌垂向力80 kN以上焊縫現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

對(duì)實(shí)測(cè)輪軌垂向力超出80 kN的焊縫進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，焊縫a1值均超出0 mm≤a1≤0.3 mm管理限度值，其中焊縫凸起最大值為1.22 mm，低塌最大值為-0.62 mm。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中，這些位置的鋼軌特征主要表現(xiàn)為3種現(xiàn)象：①焊縫軌頂位置約30 mm長(zhǎng)度的光帶變窄，通常為焊縫凸起值較大造成的；②在焊縫前后位置有2處明顯的磨痕，一般相距100 mm左右，如圖 7a所示，通常為焊縫低塌造成的；③光帶單邊偏移，如圖 7b 所示，通常為焊縫低塌導(dǎo)致輪軌接觸面發(fā)生變化造成的。

圖7 垂向力80 kN以上焊縫現(xiàn)場(chǎng)檢查

3.3 輪軌垂向力 80 kN 以下焊縫現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

2020年4月焊縫a1值調(diào)查顯示，全線a1值超限凸起焊縫和低塌焊縫比約為3 : 1。根據(jù)該比例情況，從實(shí)測(cè)輪軌垂向力小于80 kN的a1值超限焊縫中抽查了30 個(gè)凸起焊縫和10個(gè)低塌焊縫，抽查樣本中焊縫凸起最大值0.92 mm，低塌最大值-0.48 mm，雖然均超出了a1控制限度值，但這些焊縫行車(chē)面光帶未發(fā)現(xiàn)明顯變化，用電子平直尺測(cè)試都有高低不平順變化相對(duì)平緩的相同特征，典型平直度檢查圖形如圖8所示。這些焊縫位置實(shí)測(cè)輪軌垂向力波形特征較弱，雜波少，且波動(dòng)幅值小，如圖9所示。

圖8 a1值超限、垂向力小于80 kN的焊縫平直度檢查

圖9 a1值超限、垂向力小于80 kN的焊縫位置實(shí)測(cè)輪軌垂向力波形圖

可見(jiàn)雖然焊縫a1值超限，但如果高低不平順變化平緩，就不會(huì)造成較大的輪軌垂向力作用，對(duì)鋼軌造成的傷損影響較小，因此對(duì)這些焊縫進(jìn)行維護(hù)的緊迫性不大，可以暫時(shí)不進(jìn)行維護(hù)，但應(yīng)長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)輪軌垂向力是否隨時(shí)間有增大的趨勢(shì)再?zèng)Q定是否進(jìn)行維護(hù)。

3.4 輪軌垂向力超80 kN小半徑曲線現(xiàn)場(chǎng)檢查

以大興機(jī)場(chǎng)線上行K42～K43兩段半徑分別為800 m和600 m的曲線進(jìn)行分析。4月份檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在下行K42 + 656輪軌垂向力達(dá)84 kN，高于80 kN，主要是因?yàn)榍€超高設(shè)置與通過(guò)速度不匹配引起了車(chē)輛偏載。對(duì)該區(qū)段實(shí)地檢查發(fā)現(xiàn)，曲線下股鋼軌光帶向外側(cè)偏移，曲線上股鋼軌軌距角發(fā)生一定程度的磨損，伴有肥邊以及魚(yú)鱗紋情況的出現(xiàn)。因此有必要通過(guò)優(yōu)化曲線超高設(shè)置盡量降低偏載，減小輪軌之間的作用力，減緩鋼軌肥邊和魚(yú)鱗紋的產(chǎn)生。

3.5 輪軌垂向力控制標(biāo)準(zhǔn)建議值

基于北京大興機(jī)場(chǎng)線輪軌垂向力檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及鋼軌焊縫和小半徑曲線現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，從降低鋼軌傷損指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)的角度提出將大興機(jī)場(chǎng)線輪軌垂向力控制目標(biāo)值定為80 kN，對(duì)于正線輪軌垂向力大于80 kN的位置建議參考幾何軌檢二級(jí)超限的要求進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)?；诂F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及2次重點(diǎn)問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)，提出將120 kN定為大興機(jī)場(chǎng)線輪軌垂向力的警告值，對(duì)于正線輪軌垂向力大于120 kN的位置建議參考幾何軌檢三級(jí)超限的要求及時(shí)進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

大興機(jī)場(chǎng)線作為國(guó)內(nèi)首條開(kāi)通的160 km/h的城市軌道交通線路，在軌道檢測(cè)技術(shù)方面創(chuàng)新性地采用了連續(xù)測(cè)量輪軌力檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有效地對(duì)軌道狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，輪軌垂向力在鋼軌頂面的短波不平順檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)尤為突出，但目前輪軌垂向力的控制標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于寬松，本文通過(guò)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，提出了大興機(jī)場(chǎng)線輪軌垂向力控制標(biāo)準(zhǔn)建議值，實(shí)踐表明該標(biāo)準(zhǔn)建議值可有效發(fā)現(xiàn)線路不同程度的病害，為列車(chē)安全運(yùn)行及線路養(yǎng)護(hù)管理提供科學(xué)指導(dǎo)。