城市轨道交通钢轨波磨智能管理研究

吴宗臻 王文斌 王小锁

摘 要：针对城市轨道交通（以下简称“城轨”）钢轨波磨问题，首先分析城轨钢轨波磨的特征及危害，然后对我国采用的钢轨波磨评价方法进行分析，指出分波长分级波磨评价的必要性;对钢轨波磨测量方式进行分类总结，指出针对钢轨波磨智能管理宜采用随车全线测量和重点区段人工连续测量相结合的方式;对城轨钢轨波磨管理模式进行分析，指出既有管理方式的不足，提出钢轨波磨智能管理的理念，并围绕钢轨波磨智能管理的要点分别进行阐述。

关键词：城市轨道交通;钢轨波磨;智能管理;评价方法;测量方式

中图分类号：U213.4

1 概述

钢轨波磨是指在轮轨滚动接触表面出现的类似波浪的规律性不均匀磨耗现象。与轨面擦伤、焊缝不平、剥离掉块等伤损形式不同，钢轨波磨具有显著的周期性特征。钢轨波磨产生机理复杂，治理困难，世界上约40%的轨道曲线段都会产生波磨危害。

城轨曲线众多，轨道型式多样，车辆加减速频繁，导致钢轨波磨成为城轨的一类主要病害，其种类及特征与大铁路不同，发生早，发展速率快，以100mm以下短波波磨为主（图1）。

城轨钢轨波磨会引起一系列的次生病害，例如扣件弹条断裂、扣件T栓断裂、车内噪声异常等（图2）。

由于城轨的线路线型、运营特点及养护维修周期的原因，钢轨波磨将伴随着城轨运营而发生发展。钢轨波磨治理的思路是将其科学地管理起来，通过合理的评价指标、科学的治理方式及智能的管理方法，将钢轨波磨对轨道寿命、运营质量的不利影响降到最低。

本文结合作者长期开展的钢轨波磨研究经验，从钢轨波磨的评价方法、测量方法出发，重点阐述城轨钢轨波磨的智能管理方法，以期为业内同行开展钢轨波磨相关的研究和管理工作提供借鉴和思考。

2 钢轨波磨评价方法

2.1 钢轨波磨评价指标

我国城轨针对钢轨波磨的评价依据为TG/GW102-2019《普速铁路线路维修规则》，评价指标仅包含波長、波深等参量。标准规定以钢轨头部磨耗、钢轨波浪形磨耗程度等为参考，将钢轨伤损分为轻伤和重伤2类。当钢轨波磨超过钢轨轻伤标准规定的波深0.5mm后，应及时进行打磨维护。进行钢轨打磨后，钢轨表面不平度应<0.2mm。

但这种单一的测量及评价指标过于粗糙，未对不同波长的波磨进行分类评价，且打磨后0.2mm的单一验收标准过于宽松，不利于针对钢轨异常波磨进行科学的维修和管理。

2.2 钢轨波磨波长、分级评价

图3为仿真计算得出的不同速度级下钢轨波磨波深和波长对轮轨垂向力的影响趋势图，可以看出，对于不同波长的波磨，其波深对轮轨垂向力的影响是不同的，尤其是短波波磨，在波深较小的情况下轮轨垂向力量值就已经较大;另外随着列车速度的提升，对不同波长波磨的限值要求也更加严格。科学的波磨测量和评价方法需要采用分波长、分级的方式进行。

3 钢轨波磨测量方法

由于波磨波深为微米级别，肉眼无法简单判别，因此针对钢轨波磨的分波长分级管理高度依赖于测量工具，高精度的测量及分析手段才能保证钢轨波磨智能管理的顺利开展。按照数据采集原理，波磨测量可以分为间接测量和直接测量。

3.1 间接测量

间接测量指通过轮轨接触作用下的间接指标进行波磨评价的方法。例如，通过噪声，钢轨或者车辆轴箱振动等指标，推算出轮轨接触作用下的钢轨波磨的波长、波深等特征参数。其特点为：方便快捷，但精度低，受外界条件影响大。

3.2 直接测量

直接测量指将传感器放置在钢轨走行表面直接对钢轨波磨进行测量的方法，并以此测量结果作为评价钢轨波磨及制定打磨计划的测量依据。其特点为：直观，精度高，不受外界条件的影响。

直接测量方法按照测量数据样本的不同，可以分为离散型测量和连续性测量。

3.2.1 离散型测量

离散型测量指采用1m或1.2m的高精度电子直尺对波磨区段抽样测量，测试数据是以1m为测量单位的离散单元，测量结果受测量人员选点影响较大（图4）。

3.2.2 连续型测量

连续型测量指通过测量传感器在钢轨表面连续移动的方式，对一个区间范围内的钢轨波磨连续采样（图5）。根据测量传感器的原理不同，连续型测量可以分为加速度式接触测量、激光式非接触测量。

按照测量设备的安装位置及实现方式的不同，连续型测量可以进一步区分为人工局部测量和随车全线测量。

（1）人工局部测量。指采用人工测量设备对典型波磨区段进行测量（图5），该测量方式的测量数据精度高，可以对数据进行完善的量化分析，但测量效率低，难以进行全线的统计分析。

（2）随车全线测量。指将测量设备安装于轨检车或电客车上，随车进行全线的钢轨表面不平顺测量（图 6），该测量方式测量效率高，可以对全线数据进行高效采集，便于进行全线的钢轨波磨分类统计分析，但测量精度不及人工推车式测量方式。

钢轨波磨智能管理需要包含高精度的分波长分级分析及全线分类统计等能力，因此数据获取方面需要将人工局部测量和随车全线测量2种方式进行有机结合。

4 钢轨波磨智能管理

目前，钢轨波磨机理及理论众多，但都是基于一定的假设理论及实验研究，没有一种波磨理论可以解释所有类型的钢轨波磨。因此，传统的从钢轨波磨机理研究出发，研究波磨特征、成因、解决方法的研究思路存在一定的局限性，不能应对各个城轨钢轨波磨智能管理问题。

钢轨波磨是一种伴随城轨运营产生和发展的轨道病害，只能通过科学的评价和管理方法进行控制，以分波长分级的钢轨波磨评价方法为基础，以全线和局部高精度测量方法为手段，开展城轨钢轨波磨的智能管理。

智能管理模式通过建立波磨管理平台，包含波磨数据库、波磨评价指标、波磨统计算法等，将现场波磨数据录入系统，进行全线的系统评估、综合的分类分析、以及科学打磨计划的制定。智能管理主要包括：数据测量和上传智能，评价指标智能，波磨统计智能。

4.1 线路信息数字化

以里程为基点，将线路信息数据上传至管理信息平台，主要包含以下3类信息。

（1）车辆信息。车型相关基础信息、速度曲线。

（2）轨道信息。轨道型式、扣件型式、曲线线型。

（3）养护维修信息。换轨记录、打磨记录、更换扣件记录。

4.2 波磨数据智能采集及上传

前端采用高精度设备进行数据采集，包含随车采集设备（全线）和局部手推采集设备（高精度），并将波磨原始数据上传系统，与里程信息一一对应，同时按照数据采集时间顺序排列（图7），以满足按里程分析和按时间线分析的基本功能，便于查询和综合统计分析。

4.3 分波长分级波磨评价指标

综合考虑国内钢轨波磨评价指标，结合国外更为合理的钢轨波磨评价规范（主要包含移动波深幅值有效值RMS、移动峰-峰平均值PPR以及钢轨表面粗糙度级等参量），同步进行不同参量的数据分析和对比，制定不同城市城轨波磨评价指标限值。

波磨评价指标及限值研究主要包含以下几个方面。

（1）波长段范围。例如，10～30mm，30～100mm，100～300mm，300～1000mm。

（2）波磨多级限值。例如，10～30mm波长段范围，从波磨状态好～差分为3个级别，相应的波深限值为0.01mm、0.02mm、0.03mm。

（3）波磨等级。按照不同波长段的不同波磨量值，给出合理的计权方法，计权得出一个波磨等级，并依此评价钢轨波磨状态。

最终可以实现波磨评价指标随数据积累的动态更新，以及计权系数的动态更新。

4.4 波磨分类统计分析

按照城轨线路、区间、里程范围、行别、轨别等进行统计分析，绘制所选区间的波磨基本状态及线路信息;按照轨道类型、曲线半径、行车速度等进行分类统计分析，绘制综合统计图表，从各方面进行城轨钢轨波磨状态统计和管理，并且按不同参数进行筛选统计（图 8、图9）

4.5 波磨发展分析

對于相同区段的波磨状态，沿时间线进行发展分析，可以看出不同区段钢轨特征波长、波深、PPR、粗糙度级等指标的发展情况，并可以进行不同参数的统计分析。

图10～图12为实际城轨区段实测波磨波长和波深的发展统计曲线，该曲线可以对打磨效果、波深发展速率、波长变化趋势等进行直观和定量的分析。

4.6 自动生成打磨维修建议

根据数字化的线路信息，按照波磨评价指标对波磨数据进行统计和发展分析，根据打磨维修能力及线路条件设定好打磨条件，进而生成波磨区段的打磨维修计划。打磨维修后，相关记录录入波磨管理平台，更新线路信息。

4.7 评价指标限值动态更新

随着城轨线路的实测波磨数据的积累，可以设定动态反馈机制进行判断，对钢轨波磨评价指标的限值进行更新，使其更加适用于各城市的城轨条件。

4.8 指导新线设计

根据既有线的大量波磨数据的统计分析结果，给出易发生波磨的车辆轨道参数组合，从而指导优化新线设计。在新线建设中做好轨道系统的频域规划，使轮轨参数匹配合理。同时，新线建设考虑采用综合的减振方案，考虑基础减振、隧道结构减振、路径隔振、敏感目标隔振相结合，降低轨道系统的减振压力，降低钢轨波磨等轨道病害的发生频率。

5 结语

钢轨波磨智能管理目的是通过感知端、分析端、平台端的有机结合，对钢轨波磨进行科学管理，研究适用于城轨的钢轨波磨分波长分级评价指标，指导科学的钢轨打磨维护管理。最终目标是提高波磨治理效率，降低波磨维修养护成本，延长钢轨寿命，减少轨道病害，降低车内噪声，提高乘客舒适性。钢轨波磨智能管理是智慧城轨建设及运维体系中的关键环节，对提升城轨智能运维水平，降低运营成本，提高运营效率具有重要的意义。

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收稿日期 2020-04-27

责任编辑 朱开明