北京地铁钢轨波磨现状及防治措施

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[1]。

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[2]。

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[3]。

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]。

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。