北京地铁钢轨波磨现状及防治措施

2022-05-09 08:56马天鸽
运输经理世界 2022年19期
关键词:扣件区段北京地铁

马天鸽

(北京市地铁运营有限公司线路分公司,北京 100082)

0 引言

近年来,北京地铁进行了大规模的建设,为北京城市交通的正常运行作出了巨大的贡献,为北京城市居民的出行带来了便利。但同时,北京城市轨道交通也出现了一系列的问题。其中,北京地铁各条线均出现了不同程度的钢轨异常波磨问题,导致周围环境振动、噪声投诉增加、扣件松脱等问题,增加了轨道及车辆的养护维修费用,加大了地铁的运营成本。因此,根据钢轨异常波磨产生的不同原因制定针对性的防治措施,对提高北京轨道交通的安全性、舒适性、经济性具有重大的意义。

1 北京地铁钢轨异常波磨的现状分析

经勘察北京地铁开通的14条线路均存在不同程度的波磨现象,共288处,磨耗长度96.273km(单线延长),占运营线路正线总长788.806km(单线延米)的12.2%。其中5号线、6号线、10号线为波磨的高发线路,分别达到48处、68处和71处,分别占总波磨区段数量的16.7%、23.6%和24.7%,3条线的波磨区段数量占所有波磨区段数量的65%左右,且发展异常迅速。但现阶段波深均小于0.5mm,未达到轻伤标准,不会对安全运营造成影响。各线出现钢轨异常波浪磨耗现象的初始时间为新线开通试运营后0~11个月,异常波磨平均打磨周期为5个月。根据记录数据统计,钢轨异常波磨地段通过打磨仅起到暂时性消除作用,至今没有1处波磨段经过钢轨打磨后彻底消除。北京地铁的钢轨波磨现象如图1所示。

图1 北京地铁的钢轨波磨现象

北京地铁5号线2007年5月18日试运行,11月8日首次发现严重的钢轨波磨。截至2016年6月,发生异常波磨现象共计48处,长度10994m,曲线地段46处,直线段2处,累计打磨156次。5号线异常波磨分类统计表见表1。

表1 5号线异常波磨分类统计表

北京地铁6号线一期于2012年12月开始试运营,2013年3月线路检查发现已出现了钢轨异常波磨。截至2016年6月,6号线发生异常波磨现象共计68处,23713m,直线段20处,曲线段48处,累计打磨80次。6号线异常波磨分类统计表见表2。

表2 6号线异常波磨分类统计表

北京地铁10号线一期于2008年3月试运营,10号线二期于2012年12月试运营,2009年1月第一次发现钢轨出现异常波磨。截至2016年6月10日,全线发生异常波磨现象共计71处,20285m,直线段7处,曲线段64处,累计打磨150次。十里河—分钟寺区间外环复曲线段均出现异常波磨,其中巴沟—苏州街上下行、芍药居—太阳宫下行、安贞门—惠新西街南口下行、亮马桥—农业展览馆下行在2012年8月~12月期间进行过更换铁垫板及加装橡胶垫块的波磨整治。10号线异常波磨分类统计表见表3。

表3 10号线异常波磨分类统计表

通过对5号线、6号线、10号线的异常波磨统计数据可以得出如下结论:

其一,北京地铁5号线、6号线、10号线钢轨异常波磨187处,其中曲线段158处,直线段29处。可见北京地铁钢轨异常波磨绝大多数还是出现在曲线地段,尤其是小半径曲线的内轨。但是6号线例外,出现的68处波磨区段,其中有20处出现在直线区段。

其二,钢轨异常波磨出现的初始时间早、周期短,发展速度快,且出现在减振器扣件地段较多。根据北京地铁钢轨异常波磨数量的不完全统计,异常波磨出现的初始时间平均为线路开通试运营后6个月。打磨后平均运行5~8个月后,部分钢轨又有不同程度的波磨出现。在出现波浪磨耗后2~4个月,发展到需要打磨的阶段。

其三,在各种道床形式区段包括普通道床区段均出现异常波磨现象,以减振轨道结构区段尤其是减振器扣件区段最为严重,且大多集中出现在列车速度大于60km/h的区段。波磨控制波长20~200mm,属于短波波磨。波磨发生的规模大,发展快,曲线、直线段均有发生。

2 北京地铁钢轨异常波磨的危害

2.1 钢轨波磨造成严重的噪声污染

钢轨波磨造成严重的噪声污染。钢轨波磨导致轮轨关系恶化,加大了轮轨间的振动辐射噪声,因此钢轨波磨也称声学不平顺。钢轨异常波磨的产生,造成列车通过时振动和噪声加大,致使投诉增加。

2.2 引起钢轨扣件失效或折断

根据现场调查发现,在波磨严重的地段,车辆动荷载作用时,作用力会成倍增长,导致振动加大。钢轨扣件在横向作用力下达到屈服极限,导致钢轨扣件失效与折断,甚至是完全脱落,增大了轨道的安全隐患,直接危及行车安全。

2.3 加大突然发生断轨的风险

钢轨波磨导致轮轨剧烈作用,造成钢轨轨头伤损变形等,使钢轨在轮轨接触作用力下产生裂纹疲劳,并向水平和纵深方向发展。如果正好未在探伤周期内发现伤损,将增加钢轨突发断轨的风险,造成危险性安全事故。

2.4 增加维修养护成本

由于波磨发展迅速,为保证地铁正常运营并减少投诉,会对波磨地段进行频繁打磨,加剧钢轨磨耗的速度。达到磨耗极限时,需要更换钢轨,增加维修养护成本。

2.5 钢轨波磨对车辆部件的危害

钢轨异常波磨导致过大的冲击加速度,加剧了车辆轮轨的动力作用,使车辆异常振动,部件工作状态恶劣,造成车辆紧固件松动,零部件冲击断裂、电机振动、轴承破损等一系列的问题,对车辆运营安全带来了巨大的隐患。例如,5号线测速电机支架断裂、受流器支架和底座螺丝断裂;5号线、10号线车轮降噪板螺丝断裂、车轮踏面的异常磨耗。目前仅轮对降噪板螺栓和铆钉已经断裂了2000多条。

3 北京地铁钢轨异常波磨的原因分析

3.1 内因

钢轨异常波磨产生的内因包括如下三点:

3.1.1 轨道结构与车辆转向架系统动力参数不匹配,在一定行车速度下轮轨共振(共振频率在200~300Hz)导致轮轨接触不良,接触应力超过钢轨表面屈服极限,导致钢轨异常波磨的产生。

3.1.2 由于减振扣件不能提供足够的阻尼控制高频率的轮轨接触共振,使得钢轨异常波磨加剧发展。

3.1.3 目前线上钢轨硬度大多未达到U71Mn钢轨性能要求,轮轨接触应力过早、过快超过钢轨疲劳极限,导致钢轨波磨出现。

3.2 外因

3.2.1 钢轨的原始不平顺导致波磨。线路开通前,钢轨未经初始打磨与几何形位的精调,存在施工过程导致的轨面缺陷和伤损,引起轮轨不匹配,造成原始不平顺现象。

3.2.2 线路开通即承担巨大的运量,轮轨磨合期短。

3.2.3 现有钢轨打磨维修装备不足,未能按实际需要及时进行彻底打磨。

3.2.4 在一条线路中采用的轨道减振措施较多且过渡段不足,轨道刚度不一致且变化快,对于车辆采取有效措施形成更合理的轮轨匹配不利。

3.2.5 在线路上使用的各种轨道减振器与轨道车辆转向架存在共振,且在与轮轨接触时产生的横向力作用下难以保持轨距,钢轨横向振动加剧,导致轮轨非正常接触诱发波磨的产生和发展。

3.2.6 曲线地段轨道超高对波磨的产生会有一定的影响。在曲线地段,列车运行速度一般比设计最高限速要小,造成实际运行时轨道存在超高现象,因此内侧钢轨所受垂向力较大,外侧钢轨所受垂向力较小,导致曲线内轨波磨产生和迅速发展。

4 北京地铁钢轨异常波磨的防治措施

4.1 消除钢轨原始不平顺

消除钢轨原始不平顺,首先应对产生波磨的地段进行几何尺寸的检查和精调,使得轨道几何尺寸满足线路设备维修规程标准。在日常线路设备检查维修工作中,对小半径曲线和异常波磨地段,及时维修,降低轮轨冲击力,提高轮轨接触环境和轨道平顺性,降低钢轨波磨产生的可能性。

4.2 钢轨打磨

对波磨达到线路设备维修规程标准要求的波磨地段,尽快安排打磨。打磨可以彻底改善轮轨作用关系,预防和延缓钢轨波磨的产生。钢轨打磨能够快速消除波磨,减少振动和由于波磨产生的噪声问题。但从北京地铁各条线的情况看,波磨打磨后还会在一定的周期内重复出现,重复的打磨会导致钢轨很快达到磨耗极限,造成大量的换轨,增加养护维修的成本。

4.3 更换耐磨钢轨

更换耐磨钢轨对抑制波磨的发展起到了一定的作用。

4.4 增设轨下垫板

在剪切型减振器扣件区段内增设轨下橡胶垫板,能有效地消减和抑制钢轨波磨的产生和发展。

4.5 增设轨撑

在剪切型减振器地段设置轨撑,增加钢轨横向刚度,抑制钢轨横向移动,增加横向稳定性,抑制波磨的产生。

4.6 增设轨顶摩擦控制装置

轨顶摩擦控制装置能有效延缓钢轨波磨的发展。

以上几项措施仅仅是在已建成的线路轨道上采取的减缓波磨的措施。为了从根本上消除波磨的产生,应在设计、选线、车辆各方面,采取综合减振降噪措施,彻底消除波磨。

5 结语

本文对北京地铁钢轨异常波磨的现状进行了分析,找出北京地铁钢轨产生波磨的内因和外因,提出防治波磨的相关措施,包括消除钢轨原始不平顺、钢轨打磨;更换耐磨钢轨和增设轨下垫板;增设轨撑和轨顶控制摩擦装置等措施。提出通过设计、建设、选线、车辆、轨道等综合措施从根本上消除波磨的产生条件,确保轨道交通的安全运营。

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