北京地鐵鋼軌波磨現(xiàn)狀及防治措施

馬天鴿

（北京市地鐵運(yùn)營有限公司線路分公司，北京 100082）

0 引言

近年來，北京地鐵進(jìn)行了大規(guī)模的建設(shè)，為北京城市交通的正常運(yùn)行作出了巨大的貢獻(xiàn)，為北京城市居民的出行帶來了便利。但同時，北京城市軌道交通也出現(xiàn)了一系列的問題。其中，北京地鐵各條線均出現(xiàn)了不同程度的鋼軌異常波磨問題，導(dǎo)致周圍環(huán)境振動、噪聲投訴增加、扣件松脫等問題，增加了軌道及車輛的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，加大了地鐵的運(yùn)營成本。因此，根據(jù)鋼軌異常波磨產(chǎn)生的不同原因制定針對性的防治措施，對提高北京軌道交通的安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性具有重大的意義。

1 北京地鐵鋼軌異常波磨的現(xiàn)狀分析

經(jīng)勘察北京地鐵開通的14條線路均存在不同程度的波磨現(xiàn)象，共288處，磨耗長度96.273km（單線延長），占運(yùn)營線路正線總長788.806km（單線延米）的12.2%。其中5號線、6號線、10號線為波磨的高發(fā)線路，分別達(dá)到48處、68處和71處，分別占總波磨區(qū)段數(shù)量的16.7%、23.6%和24.7%，3條線的波磨區(qū)段數(shù)量占所有波磨區(qū)段數(shù)量的65%左右，且發(fā)展異常迅速。但現(xiàn)階段波深均小于0.5mm，未達(dá)到輕傷標(biāo)準(zhǔn)，不會對安全運(yùn)營造成影響。各線出現(xiàn)鋼軌異常波浪磨耗現(xiàn)象的初始時間為新線開通試運(yùn)營后0～11個月，異常波磨平均打磨周期為5個月。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鋼軌異常波磨地段通過打磨僅起到暫時性消除作用，至今沒有1處波磨段經(jīng)過鋼軌打磨后徹底消除。北京地鐵的鋼軌波磨現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 北京地鐵的鋼軌波磨現(xiàn)象

北京地鐵5號線2007年5月18日試運(yùn)行，11月8日首次發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的鋼軌波磨。截至2016年6月，發(fā)生異常波磨現(xiàn)象共計48處，長度10994m，曲線地段46處，直線段2處，累計打磨156次。5號線異常波磨分類統(tǒng)計表見表1。

表1 5號線異常波磨分類統(tǒng)計表

北京地鐵6號線一期于2012年12月開始試運(yùn)營，2013年3月線路檢查發(fā)現(xiàn)已出現(xiàn)了鋼軌異常波磨。截至2016年6月，6號線發(fā)生異常波磨現(xiàn)象共計68處，23713m，直線段20處，曲線段48處，累計打磨80次。6號線異常波磨分類統(tǒng)計表見表2。

表2 6號線異常波磨分類統(tǒng)計表

北京地鐵10號線一期于2008年3月試運(yùn)營，10號線二期于2012年12月試運(yùn)營，2009年1月第一次發(fā)現(xiàn)鋼軌出現(xiàn)異常波磨。截至2016年6月10日，全線發(fā)生異常波磨現(xiàn)象共計71處，20285m，直線段7處，曲線段64處，累計打磨150次。十里河—分鐘寺區(qū)間外環(huán)復(fù)曲線段均出現(xiàn)異常波磨，其中巴溝—蘇州街上下行、芍藥居—太陽宮下行、安貞門—惠新西街南口下行、亮馬橋—農(nóng)業(yè)展覽館下行在2012年8月～12月期間進(jìn)行過更換鐵墊板及加裝橡膠墊塊的波磨整治。10號線異常波磨分類統(tǒng)計表見表3。

表3 10號線異常波磨分類統(tǒng)計表

通過對5號線、6號線、10號線的異常波磨統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：

其一，北京地鐵5號線、6號線、10號線鋼軌異常波磨187處，其中曲線段158處，直線段29處?？梢姳本┑罔F鋼軌異常波磨絕大多數(shù)還是出現(xiàn)在曲線地段，尤其是小半徑曲線的內(nèi)軌。但是6號線例外，出現(xiàn)的68處波磨區(qū)段，其中有20處出現(xiàn)在直線區(qū)段。

其二，鋼軌異常波磨出現(xiàn)的初始時間早、周期短，發(fā)展速度快，且出現(xiàn)在減振器扣件地段較多。根據(jù)北京地鐵鋼軌異常波磨數(shù)量的不完全統(tǒng)計，異常波磨出現(xiàn)的初始時間平均為線路開通試運(yùn)營后6個月。打磨后平均運(yùn)行5～8個月后，部分鋼軌又有不同程度的波磨出現(xiàn)。在出現(xiàn)波浪磨耗后2～4個月，發(fā)展到需要打磨的階段。

其三，在各種道床形式區(qū)段包括普通道床區(qū)段均出現(xiàn)異常波磨現(xiàn)象，以減振軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段尤其是減振器扣件區(qū)段最為嚴(yán)重，且大多集中出現(xiàn)在列車速度大于60km/h的區(qū)段。波磨控制波長20～200mm，屬于短波波磨。波磨發(fā)生的規(guī)模大，發(fā)展快，曲線、直線段均有發(fā)生。

2 北京地鐵鋼軌異常波磨的危害

2.1 鋼軌波磨造成嚴(yán)重的噪聲污染

鋼軌波磨造成嚴(yán)重的噪聲污染。鋼軌波磨導(dǎo)致輪軌關(guān)系惡化，加大了輪軌間的振動輻射噪聲，因此鋼軌波磨也稱聲學(xué)不平順。鋼軌異常波磨的產(chǎn)生，造成列車通過時振動和噪聲加大，致使投訴增加。

2.2 引起鋼軌扣件失效或折斷

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在波磨嚴(yán)重的地段，車輛動荷載作用時，作用力會成倍增長，導(dǎo)致振動加大。鋼軌扣件在橫向作用力下達(dá)到屈服極限，導(dǎo)致鋼軌扣件失效與折斷，甚至是完全脫落，增大了軌道的安全隱患，直接危及行車安全。

2.3 加大突然發(fā)生斷軌的風(fēng)險

鋼軌波磨導(dǎo)致輪軌劇烈作用，造成鋼軌軌頭傷損變形等，使鋼軌在輪軌接觸作用力下產(chǎn)生裂紋疲勞，并向水平和縱深方向發(fā)展。如果正好未在探傷周期內(nèi)發(fā)現(xiàn)傷損，將增加鋼軌突發(fā)斷軌的風(fēng)險，造成危險性安全事故。

2.4 增加維修養(yǎng)護(hù)成本

由于波磨發(fā)展迅速，為保證地鐵正常運(yùn)營并減少投訴，會對波磨地段進(jìn)行頻繁打磨，加劇鋼軌磨耗的速度。達(dá)到磨耗極限時，需要更換鋼軌，增加維修養(yǎng)護(hù)成本。

2.5 鋼軌波磨對車輛部件的危害

鋼軌異常波磨導(dǎo)致過大的沖擊加速度，加劇了車輛輪軌的動力作用，使車輛異常振動，部件工作狀態(tài)惡劣，造成車輛緊固件松動，零部件沖擊斷裂、電機(jī)振動、軸承破損等一系列的問題，對車輛運(yùn)營安全帶來了巨大的隱患。例如，5號線測速電機(jī)支架斷裂、受流器支架和底座螺絲斷裂；5號線、10號線車輪降噪板螺絲斷裂、車輪踏面的異常磨耗。目前僅輪對降噪板螺栓和鉚釘已經(jīng)斷裂了2000多條。

3 北京地鐵鋼軌異常波磨的原因分析

3.1 內(nèi)因

鋼軌異常波磨產(chǎn)生的內(nèi)因包括如下三點(diǎn)：

3.1.1 軌道結(jié)構(gòu)與車輛轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)動力參數(shù)不匹配，在一定行車速度下輪軌共振（共振頻率在200～300Hz）導(dǎo)致輪軌接觸不良，接觸應(yīng)力超過鋼軌表面屈服極限，導(dǎo)致鋼軌異常波磨的產(chǎn)生。

3.1.2 由于減振扣件不能提供足夠的阻尼控制高頻率的輪軌接觸共振，使得鋼軌異常波磨加劇發(fā)展。

3.1.3 目前線上鋼軌硬度大多未達(dá)到U71Mn鋼軌性能要求，輪軌接觸應(yīng)力過早、過快超過鋼軌疲勞極限，導(dǎo)致鋼軌波磨出現(xiàn)。

3.2 外因

3.2.1 鋼軌的原始不平順導(dǎo)致波磨。線路開通前，鋼軌未經(jīng)初始打磨與幾何形位的精調(diào)，存在施工過程導(dǎo)致的軌面缺陷和傷損，引起輪軌不匹配，造成原始不平順現(xiàn)象。

3.2.2 線路開通即承擔(dān)巨大的運(yùn)量，輪軌磨合期短。

3.2.3 現(xiàn)有鋼軌打磨維修裝備不足，未能按實(shí)際需要及時進(jìn)行徹底打磨。

3.2.4 在一條線路中采用的軌道減振措施較多且過渡段不足，軌道剛度不一致且變化快，對于車輛采取有效措施形成更合理的輪軌匹配不利。

3.2.5 在線路上使用的各種軌道減振器與軌道車輛轉(zhuǎn)向架存在共振，且在與輪軌接觸時產(chǎn)生的橫向力作用下難以保持軌距，鋼軌橫向振動加劇，導(dǎo)致輪軌非正常接觸誘發(fā)波磨的產(chǎn)生和發(fā)展。

3.2.6 曲線地段軌道超高對波磨的產(chǎn)生會有一定的影響。在曲線地段，列車運(yùn)行速度一般比設(shè)計最高限速要小，造成實(shí)際運(yùn)行時軌道存在超高現(xiàn)象，因此內(nèi)側(cè)鋼軌所受垂向力較大，外側(cè)鋼軌所受垂向力較小，導(dǎo)致曲線內(nèi)軌波磨產(chǎn)生和迅速發(fā)展。

4 北京地鐵鋼軌異常波磨的防治措施

4.1 消除鋼軌原始不平順

消除鋼軌原始不平順，首先應(yīng)對產(chǎn)生波磨的地段進(jìn)行幾何尺寸的檢查和精調(diào)，使得軌道幾何尺寸滿足線路設(shè)備維修規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)。在日常線路設(shè)備檢查維修工作中，對小半徑曲線和異常波磨地段，及時維修，降低輪軌沖擊力，提高輪軌接觸環(huán)境和軌道平順性，降低鋼軌波磨產(chǎn)生的可能性。

4.2 鋼軌打磨

對波磨達(dá)到線路設(shè)備維修規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)要求的波磨地段，盡快安排打磨。打磨可以徹底改善輪軌作用關(guān)系，預(yù)防和延緩鋼軌波磨的產(chǎn)生。鋼軌打磨能夠快速消除波磨，減少振動和由于波磨產(chǎn)生的噪聲問題。但從北京地鐵各條線的情況看，波磨打磨后還會在一定的周期內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)，重復(fù)的打磨會導(dǎo)致鋼軌很快達(dá)到磨耗極限，造成大量的換軌，增加養(yǎng)護(hù)維修的成本。

4.3 更換耐磨鋼軌

更換耐磨鋼軌對抑制波磨的發(fā)展起到了一定的作用。

4.4 增設(shè)軌下墊板

在剪切型減振器扣件區(qū)段內(nèi)增設(shè)軌下橡膠墊板，能有效地消減和抑制鋼軌波磨的產(chǎn)生和發(fā)展。

4.5 增設(shè)軌撐

在剪切型減振器地段設(shè)置軌撐，增加鋼軌橫向剛度，抑制鋼軌橫向移動，增加橫向穩(wěn)定性，抑制波磨的產(chǎn)生。

4.6 增設(shè)軌頂摩擦控制裝置

軌頂摩擦控制裝置能有效延緩鋼軌波磨的發(fā)展。

以上幾項措施僅僅是在已建成的線路軌道上采取的減緩波磨的措施。為了從根本上消除波磨的產(chǎn)生，應(yīng)在設(shè)計、選線、車輛各方面，采取綜合減振降噪措施，徹底消除波磨。

5 結(jié)語

本文對北京地鐵鋼軌異常波磨的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，找出北京地鐵鋼軌產(chǎn)生波磨的內(nèi)因和外因，提出防治波磨的相關(guān)措施，包括消除鋼軌原始不平順、鋼軌打磨；更換耐磨鋼軌和增設(shè)軌下墊板；增設(shè)軌撐和軌頂控制摩擦裝置等措施。提出通過設(shè)計、建設(shè)、選線、車輛、軌道等綜合措施從根本上消除波磨的產(chǎn)生條件，確保軌道交通的安全運(yùn)營。