地铁钢轨波磨调研及原因-对策分析

地铁钢轨波磨调研及原因\对策分析摘要：通过对发生波磨现象的北京地铁线路进行现场调查，总结出北京地铁钢轨波磨的主要特征。分析钢轨波磨产生的原因，发现轨道刚度、阻尼、自振频率、线路平顺性、钢轨硬度及地铁的线路和运营特征是钢轨波磨的敏感因素。针对新建和既有地铁线路，分别提出预防和解决钢轨波磨的对策。关键词：钢轨；波磨；调研；原因；对策钢轨投入运行后在表面形成一定规则的周期不平顺现象，就是常见的波浪形磨损，简称波磨（Corrugation）。到20世纪70年代，由于高速重载列车的大量运用，钢轨波磨现象日益严重，由此引发了各国学者对钢轨波磨起因研究的浪潮，形成了许多有价值的波磨形成假说和分析模型[1]。但至今未形成一个统一有效的理论模型来解释波磨初始形成和发展的机理以及波磨形成的关键因素[2]。国内外的大量学者多从不同角度对铁路客运线路和重载货运线路钢轨波磨进行了深入的研究，并从多角度给出了预防和治理钢轨波磨的措施。然而，随着近十年来城市轨道交通在我国的飞速发展，钢轨波磨在地铁运营中产生的负面影响也日益凸显。例如在北京地铁已通车的4、5、10号线上，局部减振轨道通车不到一年便发生了钢轨波磨，严重的地段钢轨打磨后波磨重现时间仅2~4个月。这种出现时间早、复发周期短、打磨后反复发生的波磨现象被称为钢轨异常波磨现象。地铁钢轨波磨不仅引起了强烈的振动和噪声,增加了养护维修费用，还影响到行车安全，因此有必要对波磨的状况及影响因素进行调研分析，为综合治理钢轨波磨问题提供对策。1北京地铁钢轨波磨的现状调查通过北京地铁近几年通车的几条线路的现场调研和运营单位提供的打磨记录情况，得到钢轨波磨的特征如下：1.1钢轨波磨出现时间早，个别线路开通运营仅1个月便在梯形轨枕地段发现了钢轨波磨现象。1.2钢轨波磨情况严重：调查发现，异常波磨地段最大矢度达到0.5mm，波长20mm~200mm。1.3异常波磨地段振动及振动诱发噪声增加显著：现场实测表明，在异常波磨地段，由波磨引起的环境噪声增大约15dB(A)。1.4除钢弹簧浮置板道床外,其余各种轨道结构上均发现了钢轨异常波磨现象，其中以剪切型减振器减振地段最为严重。（1）采用减振器轨道结构的地段，50%以上的地段，不论直线、曲线均出现了连续的波长35~50m的波磨现象(见图1)，钢轨打磨后2个月波磨现象又会再次出现。减振器波磨地段钢轨打磨深度为1.5-2.5mm，最大打磨深度3.4mm。图1剪切型轨道减振器钢轨波磨图2梯形轨枕道床钢轨波磨弹性短枕式道床地段的波磨主要出现在R=350m小半径曲线头尾及小半径反向曲线区段，前者打磨后8个月检查无重现，后者打磨周期约为6个月。铺设梯形轨枕的地段主要在小半径曲线出现波磨（见图3），其中平安里～新街口段是半径R=350m小半径曲线与16‰坡道叠加地段，异常波磨较为严重，重现期约2个月。钢弹簧浮置板轨道状态良好，仅发现一处２米范围内的波磨，该处经查为轨道原始不平顺点。非减振轨道局部也出现波磨，主要反映在小半径曲线地段及反向Ｓ曲线上，钢轨经打磨后局部有重现，但情况不严重，不需特殊处理。1.5线路通车一年后，铁科研金化所对某线路波磨严重地段的在线实测结果显示，满足轨道平顺性要求的钢轨焊接接头仅27%，说明线路接头的不平顺加剧了钢轨波磨。1.6地铁4号线车轮踏面出现严重的凹形磨耗（见图3），造成轮轨接触关系恶化，影响列车平稳运行，造成轨道、车辆部件提前失效，增加养护维修成本。图3车轮踏面磨耗从上述调查的规律看，地铁轨道出现钢轨波磨情况各异，原因不一，下文将重点对其进行论述。2地铁钢轨波磨原因2.1从轨道方面考虑，主要有以下几点：（1）部分减振轨道刚度不足地铁常用的减振轨道结构有：减振器扣件、Vanguard扣件、梯形轨枕和钢弹簧浮置板等。以60kg/m钢轨为例，利用Abaqus对四种减振轨道进行分析（参振质量为0.6m长度范围内轨道质量），得出轨道结构参数如表1：表1轨道结构参数表轨道形式参振质量（kg）垂向刚度值（N/m）垂向阻尼值（Ns/m）横向刚度值（N/m）横向阻尼值（Ns/m）减振器扣件69.123.382e72417.331.095e71375.67Vanguard扣件66.314.713e72857.621.864e71797.31梯形轨枕333.036.040e77092.153.490e72456.04钢弹簧浮置板1892.104.630e714791.899.210e73995.64通过对轨道减振器及弹性短枕枕式整体道床进行疲劳试验和保持轨距能力试验得到的结果见表2。表2剪切型轨道减振器与弹性短枕式整体道床的疲劳试验及轨距保持对比表轨道类型加载方式疲劳试验情况轨距保持情况轨道减振器DME试验机，加载时垂横向之比为2：1在垂向荷载为40kN，横向荷载为20kN，经300万次疲劳试验后，无破坏和任何开裂疲劳试验开始时，轨头横移平均值3.6mm，当疲劳试验进行一段时间后，动态横向位移趋于稳定为2.9-3.1mm，轨底动态横向位移为2.1-2.3mm弹性短枕枕式整体道床加力架，加载时垂横向之比1：1橡胶套靴在垂向荷载为60kN，横向荷载为60kN，经600万次疲劳试验后，无破坏和任何开裂经过200万次荷载循环后，轨距最大变化2mm；支承块距离变化1mm，到400万次已无变化。从理论计算的结果看出，减振器扣件和Vanguard扣件的计算竖向和横向刚度均较低。通过疲劳试验和保持轨距能力试验的结果可以看出，轨道减振器保持轨距能力较差，在车辆竖向、横向力的作用下产生较大竖向变形和轨距扩大，无法对钢轨的竖向、横向振动进行有效约束，加剧了轮轨间非正常接触，从而诱发和加剧波磨产生和发展。（2）部分减振轨道阻尼不足轨道阻尼对波磨发生速率的影响很大。对连续波磨上轮轨磨耗功的计算表明，低轨道阻尼下波磨的发展速率要快1倍以上[3]。由表1的计算阻尼值和北京地铁4号线波磨调查情况来看，轨道阻尼越小的轨道型式越容易发生波磨。(3)轮轨共振轨道参振质量与自振频率成反比，参振质量越小，自振频率越高。当车辆的振动频率与轨道结构的自振频率接近时，易形成轮轨共振，其振幅（即挠度）比一般的振动大许多。从表1可知，减振器扣件和Vanguard扣件参振质量较小，导致轨道自振频率偏高，易与车辆产生共振。(4)线路原始不平顺轨道不平顺，使随机的轮对年化振动归一化，将高磨耗区和低磨耗区固定下来。在许多情况下，轨道不平顺直接激发轮对粘滑振动，促进波磨形成和发展[4]。Kalousek提出通过打磨可消除轨面的原始不平顺，提高线路的稳定性，大大减小轮轨动负荷，减小波磨的生成，延长钢轨的寿命[5]。由于4号线钢轨焊接接头存在较多的不平顺，而运营之前又没有对钢轨进行初始打磨,线路存在大量原始不平顺，这是诱发波磨形成和发展的重要因素。(5)钢轨硬度不足从北京地铁4号线调查发现，钢轨基体硬度测量结果的平均值为HB251，小于U71Mn钢轨硬度平均值280HB，钢轨硬度不足易导致轨头磨耗快、易产生塑性变形，是形成异常波磨的一个重要原因。2.2从线路方面考虑线路曲线半径越小，轮轨间出现滑动的几率越大，轮对粘滑振动及由此引起的波磨也就容易形成和发展。在大半径曲线上，波磨即使出现，发展速率也很缓慢[6]。地铁多位于城市中心区域，需要避让的敏感构筑物及地下管线较多，形成许多小半径曲线段或S型曲线，例如：北京地铁4号线102个曲线中曲线半径小于800m的曲线共59个，最小的曲线半径仅350m，。选取曲线半径在400~800m范围内变化，所得曲线半径与地铁车辆曲线通过时钢轨磨耗功率之间的关系曲线如图4所示。由图可看出，随着曲线半径的不断增加，磨耗功率呈现显著的下降趋势，尤其当半径处在400~600m内，磨耗功率数值下降最为明显。图4曲线半径对钢轨磨耗功率的影响曲线曲线半径较小导致轨道受力复杂，易造成机车转向架、轮对等变形，地铁长期在非理想状态下运转，增加了轮轨摩擦损伤几率。2.3从运营特征考虑客货混跑线路上因货车与客车的作用部分抵消，波磨较少出现，而单跑货车或客车的线路上波磨容易出现。通过曲线的所有列车中，如某一速度段的列车数量占明显优势，则波磨易于形成[3]。地铁线路中，车辆仅用于客运，且车辆运行速度由信号控制，通过每个局部区段的行车速度基本固定不变，且地铁线路中发车间隔短、频繁加速制动，均造成了地铁线路更易发生钢轨波磨现象。3、预防和整治地铁钢轨波磨的对策根据上述波磨原因调研和分析,针对新建线路和既有线路，分别提出以下应对钢轨波磨问题的对策。3.1新建线路的波磨预防措施（1）合理选择减振减振的刚度和阻尼，增加轨道抵抗动态轨距扩大的能力。从本文表1可知，刚度及阻尼从大到小的轨道形式依次为：钢弹簧浮置板、梯形轨枕、Vanguard扣件、减振器扣件，这个排序也正是运营中钢轨磨耗从小到大的顺序。可见，适当增加轨道刚度和阻尼有利于减小振幅，从而减小轮轨冲击对钢轨的磨损。（2）避免选用易发生轮轨共振的减振结构，例如剪切型轨道减振器扣件，如已选用该减振装置，则可适当加密减振器，以增加轨道刚度和阻尼，降低钢轨波磨几率。（3）适当提高钢轨强度和硬度，使用屈服点较高的钢材，可有效抵制钢轨表面疲劳和塑性流动，推迟波磨出现[3]。通过对比各种类型钢轨的性能（见表3），并考虑轮轨硬度的匹配，建议新建线路使用U71Mn热处理轨或U75V钢轨。表3钢轨机械性能比较表钢轨型号生产工艺（Mpa）（Mpa）(％)轨头硬度（HB）U71Mn热轧≥880≥490≥10260～300在线热处理≥1180≥784≥10332～391U75V热轧≥980≥610≥10280～320在线热处理≥1200≥800≥10341～401注：—抗拉强度；—屈服强度；—伸长率；HB—布氏硬度另外，要严把钢轨质量关。钢轨应具有出厂质量证明书和试验报告单，进场时除应检查其外观和标志外，尚应按不同的规格及生产厂家抽取试样进行硬度及力学性能检验，检验试验方法应符合现行国家标准的规定。钢轨经进场检验合格后方可使用。（4）适当降低轨道超高均衡超高条件下，轮对发生剧烈的粘滑振动，磨耗功出现持续波动，预示着波磨可能形成。而欠超高条件下，轮对为非自激振动，预示着波磨难以形成[3]。在新建线路的轨道设计中，曲线段的超高值设置建议略低于均衡超高，使用欠超高设计。（5）提高轨道施工质量，进行钢轨预打磨，消除轨道原始不平顺。由于地铁建设常常面临工期紧的困难，施工质量不易保证，而北京地铁每条市区线路刚开通的客流量便远远超过预测客流值，面临超负荷运行的情况，轨道的原始不平顺和初期大客流运营迅速激发了钢轨的波磨，进而引发车轮踏面的严重磨耗，造成轮轨接触关系相互恶化。（6）在线路设计中，尽量减少小半径曲线尤其是反向S曲线。在不可避免的区段，合理设置曲线超高，选用不易发生波磨的轨道型式，以减缓钢轨波磨的发生。3.2既有线路的波磨整治对策（1）在选用剪切型减振器扣件区段，增加轨道竖向和横向刚度，增大结构阻尼。a、对于依然有减振需求的地段，更换为压缩形减振器或对剪切型减振器的布置进行加密，可以增加轨道横向及竖向约束，减小轨面下沉量，减少轨距动态扩大，减少轮轨间的动力作用，延缓波磨再次出现的时间间隔。b、对于线路上方已实施拆迁的地段，建议更换为普通扣件，由于减振器与普通扣件的钉孔及轨道高度均不同，为了保证轨面不变，按照减振器的厚度和钉孔距设计特殊的加厚铁垫板，保证改造后的轨道高度与既有结构一致。(2)进行钢轨打磨波磨出现激化和加剧轮对的粘滑振动，促进波磨进一步发展，波深越大则波磨发展越快，构成恶性循环。钢轨打磨中断了这种恶性循环的发展过程，减缓了波磨发展速率[3]。通过对四号线波磨情况的跟踪，发现一些彻底打磨的地段波磨发展变缓，趋于稳定，由此可见，钢轨打磨是减缓波磨的有效措施之一。（3）更换耐磨钢轨钢轨硬度偏低，造成轨头磨耗快、易产生塑性变形，是形成异常波磨的一个重要原因。提高钢轨硬度，是减少波磨、延缓波磨周期的最基本手段。建议在波磨严重、经过反复打磨依然难以治理的地段换铺热处理钢轨，提高钢轨耐磨性，减少或延缓波磨现象发生。