浅谈地铁钢轨波磨问题

杨艳金

杨艳金

广州市地下铁道总公司广东广州510000

摘要：钢轨波浪形磨耗是轨道交通行业近年来致力解决的复杂问题。本文根据广州地铁四、五号线运营以来的钢轨磨耗数据及检修情况，从设计、建设、运营等多角度探讨钢轨波磨形成的原因、预防手段及减缓措施，整体上减少钢轨磨耗，延长轮轨寿命，节约运营成本并提高乘客乘车舒适度。本研究还提出了能有效控制钢轨波浪形磨耗的一些建议。

关键词：钢轨波浪形磨耗；广州地铁；减震扣件；钢轨打磨；小半径曲线

Abstract：theabrasionrailwavyisrailtransitindustryinrecentyearscommittedtosolvecomplexproblems.Accordingtotheoperationofguangzhoumetroline4and5sincetherailabrasiondataandmaintenancesituation，fromthedesign，construction，operationandinquiresintothecausesoftheformationofwaverailgrinding，preventionandmitigationmeasures，reducerailabrasiononthewhole，prolongthelifeofwheel/rail，saveoperatingcostsandimprovethepassengerridecomfort.ThisresearchalsoputsforwardtheeffectivecontrolofrailwavywearsomeSuggestions.

钢轨投入使用后，踏面上出现的规律性凸、凹不平现象被称为钢轨波浪形磨耗（简称波磨），按其波长特征，有长波（波长约200～600mm）与短波（约30～80mm）之分，一般长波出现在小半径曲线上，而短波则主要出现在直线与大半径曲线上，往往是长波寄生着短波。

钢轨波磨是轮轨交通系统中一种固有的现象和问题。一般情况下，小半径曲线地段复发周期约半年至一年或更长的波磨可当作正常波磨，若发生在大半径曲线甚至直线地段或复发周期短至2～4个月，则可认为是异常波磨。

广州地铁4号线为南北走向，连接广州天河区至南沙新区，线路类型多样，包括隧道、地面线及高架线，正线46km线路中曲线长度超过17km，占正线总里程的37%。其中，仅300m以下（含300m）的小半径曲线就有6个，400m及以下的小半径曲线有7个。广州地铁5号线为东西走向，贯穿广州市繁华城区，线路的平面线形复杂，正线32km线路中曲线长度超过14km，占正线总里程的45％。其中，仅300m以下（含300m）的小半径曲线就有15个，400m以下的小半径曲线更有24个之多。广州地铁4、5号线采用的是L型直线电机车辆。该类车辆不依靠车轮与钢轨摩擦力产生牵引力，轮轨关系与钢轨磨耗情况又与其他轨道线路不同，没有现成的相似案例可进行对比分析。本文以检测数据和现场观察为基础，对4、5号线运营以来的钢轨磨耗状况进行分析。

广州地铁4、5号线开通以来，先后在局部地段出现钢轨波磨情况。波磨有如下主要特征：

1)扣件类型以减振器扣件为主，另包括部分GJ-Ⅲ型减振扣件、lord扣件以及vanguard扣件，地段涵盖各种半径的曲线及个别直线地段。

2）波磨多位于区间列车匀速运行地段，车站及其两端加减速地段较为少见，车站两端上下坡区段除外。

3）四号线波长范围多为80～200mm，五号线波长范围多为30～100mm，均属于波纹磨耗类，曲线地段一般发生在曲线上股。

4）400m及以下半径曲线均有较明显波磨。其中：260m以上半径曲线波深发展到一定程度后保持稳定，波深基本可控制在0.1mm以下；260m以下半径曲线波磨发展速度较快，部分曲线需定期开行打磨车打磨。

总体上看，在直线电机牵引模式下，曲线半径在260mm以上，钢轨磨耗发展速度较慢，设备具备较长换轨周期，与常规地铁牵引模式比较，具备一定优势。在国内地铁快速建设的大环境下，钢轨波磨现象需要人们从地铁工程的设计、建设、运营等多角度进行全面分析。总的说来，主要有以下方面的不足，其原因是综合的、相互作用的。

一、缺乏对振动控制的总体把握

随着地铁网络化建设及环保要求对振动噪声控制的重视，地铁工程对减振措施的依赖性也越来越大，个别工程减振地段长度达到全线的60％，减振类型多达十几种。却忽略了从总体的角度来考虑采用线路设计、屏障式隔振（隔振沟等）、隧道隔振等综合振动控制措施。在降低钢轨支承刚度的同时，也降低车辆运营的平稳性，增加了减振细化等级及减振地段，带来全线弹性不连续，造成钢轨波磨的产生。

二、轨道系统的刚度应适度。

轨道刚度低，列车振动传至轨下的响应会降低，但车内振动会增大；轨道刚度大，则列车振动传至轨下的响应会增大，但列车平稳性会较好。减振扣件的使用可以一定程度上缓解轨道结构振动，减小振动，但如果减振扣件的刚度太低，将会引起轨道固有振动频率降低。如低到100HZ以下，有可能与转向架部件共振，从而导致异常振动发生，增加波磨的产生。应充分重视减振扣件与钢轨波磨的关系。

通过对钢轨波磨的初步研究及深入思考，提出在新线设计、建设和既有线维护中应从以下方面进行考虑，减缓波磨的产生和发展。

三、关注轮轨踏面硬度、廓形及动力特性匹配

恰当的轮轨硬度关系是延长钢轨使用寿命的重要条件。轨道专业应该与车辆设备维修专业建立定期联络制度，对轮轨硬度、镟轮周期和数量、轮轨动力学性能匹配研究等问题进行讨论磋商，确定最适合的模式。

广州地铁4号线全线采用U75V（PD3）淬火轨，硬度达HB330～390，而4号线车辆采用欧洲标准ER8T车轮。根据标准要求，ER8T车轮踏面硬度为不小HB245，而新轮实测一般在HB260左右。轮轨硬度比值较大，达1.269～1.5，有可能是引起车轮磨耗较快的原因。若钢轨硬度比车轮高出很多，会造成车轮磨耗严重而钢轨磨耗少，一方面，会导致车轮磨耗严重，不利于形成良好的轮轨关系；另一方面，由于钢轨磨耗少，会加速其滚动接触疲劳伤损的发生和扩展，造成钢轨波磨的产生。对于ER8车轮，铺设硬度为260～300的轧态钢轨比较适宜。

四、对钢轨采取预打磨等技术措施

在波磨发展的不同时期，采用钢轨打磨可以有效的降低轮轨相互作用力，控制波磨的快速反弹，延长钢轨打磨周期，从而节省成本。目前广州地铁钢轨踏面波磨修理性打磨标准为波深最大值0.4mm，预防性打磨标准为波深最大值0.2mm。

预防性打磨就是通过非对称打磨钢轨，达到增大左右轮的滚动半径差，以补偿内外轨的长度差，从而减少导向轮缘力、冲角，达到减低轮轨磨耗的目的。与修理性打磨相比，预防性打磨的优点是能获得较长的钢轨使用寿命，提高打磨机械的工作效率，并能降低轨道打磨每公里所需的打磨费用，虽然打磨频率较高，但打磨掉的金属总体积少，具有显著的经济效果。修理性打磨主要用于消除钢轨的波浪形磨耗、车轮擦伤、钢轨裂纹以及接头的马鞍形磨耗，钢轨的一次磨消量较大，打磨周期长。但是这种打磨方式并不能消除引起波磨、钢轨头材质剥离及掉块的潜在的接触疲劳裂纹，在以后列车通过时这些裂纹还将继续发展。

图1钢轨断面非对称打磨

如图1所示，对①区进行打磨可使轮轨接触点A移至点B，内外轮滚动半径差加大了2（AB）λ（λ为车轮踏面锥度）。理论上，这个差值若能比内外轮滚动半径长度差略大，则外轮轮缘与轨头侧面可以不接触，完全由蠕滑力导向；打磨②区可以避免轮缘根部与钢轨头的小圆弧区接触：打磨③区可以整修圆角或作为钢轨换边准备。经过现场试验，采用修理性打磨后，测得轨检车车体的垂向加速度为0．1～

0．22g，平均振动频率为1．67Hz。该振动具有低频率、大波幅的特点，列车通过时乘客感觉较强烈，乘坐舒适度较差；采用预防性打磨后，测得轨检车车体的垂向加速度为0．08～0．15g，平均振动频率为2．60Hz。该振动具有高频率、小波幅的特点，列车通过时乘客感觉较微弱，乘坐舒适度较好。对比分析得出，与修理性打磨相比，预防性打磨能有效减缓钢轨侧磨、疲劳和波磨的发展速度，从而改善轮轨接触状况，降低轮轨噪声，提高乘坐舒适度。

六、其他波磨预防及减缓措施

1）优化线路设计，采取特殊减振措施，线路走向或埋深设计应尽量避开振动敏感点；

2）还“轨道减振”为“地铁减振”、“结构减振”，考虑采用线路设计、屏障式隔振（隔振沟等）、在隧道初衬与二衬之间设弹性减振材料（耐久性良好的岩棉或特种橡胶等）、隧道隔振、弹性轨枕等综合振动控制措施；

3）对小半径曲线进行加密监测，控制轨距等几何尺寸变化，能有效延缓钢轨磨损；

4）打磨车打磨、轮对集中镟轮后，钢轨磨耗速度将加剧，所以打磨车打磨应作为处理钢轨波磨的最后手段，平时尽量使用小型机械或手工打磨，对波磨发展较快的地段进行手工预防性打磨，可延长打磨周期；

5）多种曲线重合等不利条件的叠加将大大加快曲线磨耗速度，设计和制定相关规范时应尽量避免；

6）可试点钢轨踏面涂油。对一般线路来说，钢轨踏面涂油会导致车辆打滑，但直线电机列车并不依靠车轮与钢轨摩擦力产生牵引力。只要针对现场实际情况，对列车制动区域进行周全考虑，实行钢轨踏面涂油，可以在确保安全的前提下大大降低波磨的发展。

参考文献：

[1]GB50157-2003地铁设计规范『S]．北京：中国计划出版社，2003．

[2]TB10082-2005铁路轨道设计规范[S]．北京：中国铁道出版社．2005．

[3]GB501572003地铁设计规范Is]．

[4]刘灿龙．地铁轮轨磨耗的初步研究]．城市轨道交通研究，2008（1O）：57．

[5]潘建杰，刘洪涛．地铁曲线钢轨侧磨分析J]．都市快轨交通，2005，5（4）：134．