轨道精细化维修对振动噪声及节能的影响

梁中东

（北京京港地铁有限公司，北京 100068）

随着城市轨道交通的发展，节能降耗及振动噪声问题已逐渐成为人们关心的热点问题。对于节能降耗问题，大多研究主要集中于运行交路、节能坡、再生制动、曲线限速、进出站运行控制、停站时间调整等方面[1-3]或者是列车操纵策略、列车自重及载重对能耗的影响[4-6]；对于减振降噪问题，大多数研究致力于车辆以及轨道结构的选型[7-8]。现阶段关于轨道维修对节能降耗的影响或是减振降噪的影响研究较少，且将两者结合起来，以工程实践量化其效果的研究未见报道。北京京港地铁有限公司（简称“京港地铁”）在确保轨道设施状态安全可靠的基础上，持续探索如何能进一步提高线路质量、改善乘车舒适性、降低运营成本，研究了轨道与振动噪声及能耗之间的关系，采用轨道精细化维修的方式有效实现了节能降耗及减振降噪的目标。

1 轨道与振动噪声及能耗

列车在运行过程中，因摩擦、冲击、线路条件等阻力因素产生振动和噪声等能量损耗。行车阻力可分为基本阻力和附加阻力，其中基本阻力包含：车轴轴承摩擦阻力、轮轨间滚动摩擦阻力、轮轨间滑动摩擦阻力、冲击阻力、空气阻力；附加阻力包含：坡度附加阻力、曲线附加阻力、隧道附加阻力[9]。在运营阶段，通过改善轨道状态以减小轮轨间阻力以及冲击是实现减振降噪以及节能减排的有效手段。

2 轨道精细化维修措施

2.1 改善轨道质量指数（TQI）

轨道质量指数（TQI）是一套评价轨道质量状态的先进技术，主要包含7项因素：水平、左高低、右高低、左轨向、右轨向、三角坑和轨距，以200 m为一个单元区段，对检测结果进行统计与计算获得，通过对这些因素进行测量，可实现对线路几何形态的描述测评[10]。TQI指数越低，表明该区段状态离散的程度越小，轨道的平顺性越好，列车运行过程中产生的振动噪声及能量损耗越少。

2014年，在北京地铁14号线率先引入TQI管理概念，并制定远高于DB11/T 718-2016《城市轨道交通设施养护维修技术规范》[11]中“TQI不超过14.51”的控制标准，提出优质线路的TQI值控制在8以内的目标。

由于地铁线路曲线多、半径小，纵坡变化频繁，经常出现竖缓重合的现象，导致线路的平顺性很难控制，TQI很容易超标，尤其是部分竖曲线地段设计标高与实际标高相差较大，是维修养护的难点。线路团队不断改进整改技术，成功将TQI值控制在8以内：①开展了细致的现场测量，研究曲线拟合方法、编写拟合程序，优化整改方法；②采用新型轨检仪，将现场数据输入程序，自动生成TQI整改方案，既节省人工计算和现场确认的时间，也提高作业效率和作业质量。

2018年，北京地铁14号线的整改技术及成果普及到其他线路：16号线的TQI值成功控制在8以内，4号线和大兴线的TQI标准值提高到10以内，各线平顺性明显改善。

2.2 开展钢轨廓形管理

2.2.1 钢轨预打磨

预打磨是对铺设上道后新钢轨的打磨，去除脱碳层，消除焊缝不平顺和运输、施工中产生的初始缺陷。实践表明在新线开通前或开通3个月内进行钢轨预打磨，在运营初期其波磨、剥落掉块等疲劳伤损发展时间较不进行预打磨延长至少50%。除新线外，线路团队在既有线换轨段也进行了钢轨预打磨处理，有效延缓了轨面不平顺的产生，减小了行车阻力。

2.2.2 钢轨定制化打磨

钢轨定制化打磨技术旨在通过跟踪观测不同地段钢轨廓形及磨耗、波磨、鱼鳞纹等数据状态变化规律，结合车轮踏面与镟修周期、车速、线路线形、轨道结构等因素，制定适用于不同地段的钢轨目标廓形。同时，利用专业有限元分析软件，进行轮轨匹配与接触应力分析，优化钢轨设计廓形，与专业公司合作，提供更细致的定制化钢轨廓形设计。

通过钢轨定制化打磨可减缓钢轨疲劳伤损及波磨的发展，改善钢轨表面平顺性，同时改善轮轨接触关系[12-13]，有效降低轮轨接触产生的振动及噪声，减小轮轨间摩擦阻力，减小冲击力。

2.2.3 钢轨打磨质量指数（GQI）应用

钢轨打磨质量指数（GQI）代表实测廓形与目标廓形的贴合程度[14]，其值介于0～100之间，GQI值越高说明贴合度越高。为更好地评价钢轨修廓打磨质量，打磨团队改变了原有廓形评价方法（通过测量钢轨打磨轨头范围内实测廓形与目标廓形最大偏差和不密贴角度对区段打磨质量进行验收，见图1），在维护维修过程中引入了GQI。

GQI指标制定的关键是合理设置轨头分区（图2）、权重及偏差允许值。对于曲线上、下股和直线，钢轨与车轮的接触形式不同，要求在计算不同位置的钢轨GQI时，需要对轨头分区分配不同的权重，以体现重点位置的差异性；如果偏差允许值定的过松，则达不到精细化的要求，如果定的过严，则超过了维修的精度。打磨团队经长时间的摸索与试验验证，现已结合线路实际情况，制定了企业评价标准，实现了钢轨廓形及钢轨打磨质量的有效管控。

2.3 道岔精修

为有效改善道岔状态，提升整体平顺性，线路团队制定了多种改善措施：

（1）制定远高于北京市地方标准和行业标准的道岔精检细修标准，精调轨距、水平、高低、滑床板离缝等几何尺寸；

（2）采用角磨机手工制作楔形滑床板垫片，进行滑床板离缝调整工作，以解决短轨枕施工误差造成的滑床板离缝问题；

图1 原有廓形评价方法

图2 GQI计算的轨头分区示意图

（3）开展磨耗严重的道岔转辙配件更换工作时，结合现场情况，考虑对磨耗尖轨、基本轨等一同更换，同时对滑床板平整度进行精修。

以上措施已在既有线推广应用，并取得显著效果。以北京地铁14号线为例：14号线西段、东段自运营起，轮轨摩擦及冲击严重，折返道岔如张郭庄站岔1-2、岔1-3，西局站岔7-1、岔7-2，善各庄站岔37-1、岔37-2、岔37-5，金台路站岔26-2、岔26-5等出现了严重的道岔侧磨，其曲线尖轨、基本轨与导曲线钢轨最短使用寿命为4～5个月，远低于钢轨的正常使用寿命。为此，按照企业标准对道岔实施精检细修，对几何尺寸及短轨枕不平问题进行精细调整，同时对尖轨进行1 : 70的内倾角度调整。调整后，道岔导曲线钢轨侧磨和折返岔区尖轨侧磨发展速率明显降低，钢轨件使用寿命较之前平均延长2.5倍以上，同时降低了轮轨摩擦和冲击，继而实现减振降噪及节能降耗的目标。

2.4 轨底坡超限整改

短轨枕地段普遍存在轨底坡不良的情况，尤其是小半径曲线地段，轨底坡在轨排移动、运输、轨道几何尺寸精调过程中，由于约束刚度不足，极易发生变化。轨底坡不良可能会引起轮轨接触匹配不良，造成轮轨滚动接触疲劳，钢轨磨损严重，波磨及几何形位不良加速发展，轨道部件折断失效等[15-16]。

线路团队采用倾角仪对曲线短枕地段进行轨底坡测量，并计算实际轨底坡与设计值之差及离散率，通过在铁垫板下设置不同角度组合的楔形垫板调整轨底坡，确保轨底坡在合理范围内。在轨底坡整改过程中，同步检查线路轨距、水平、高低等几何尺寸，将其偏差控制在允许范围内。

2.5 消除钢轨接头

钢轨接头处的结构不平顺及接头不正常磨损，如错牙、肥边、鞍形磨耗等，均会使列车运行时受到较大冲击[17]。利用气压焊消除钢轨有缝接头可以进一步提高钢轨平顺性，同时杜绝接头病害产生，还能降低振动及噪声。另外在直流供电的情况下，钢轨作为负极，消除接头可以使得负极的电阻大大降低，对节能也做出贡献。

3 工作成效

随着轨道精细化维修工作的有序开展，目前北京地铁14号线及16号线实现TQI≤8，4号线及大兴线普通短轨枕地段TQI≤10，其他地段TQI≤12，全线平均噪声降低4.2 dB（A），乘客体验明显改善。2016年—2018年在4号线年均客流增长0.90%、大兴线年均客流增长2.93%的情况下，正线每车 · 公里电耗未发生明显变化。换言之，4号线和大兴线在几乎没有增加任何牵引电耗的情况下，每年多运送乘客730万人次。正线列车单耗变化详见图3。

图3 2016年—2018年正线列车单耗变化

4 结语

在轨道状态及维修质量控制方面，京港地铁实现了高标准、严要求，并执行了改善TQI、钢轨廓形管理、道岔精修、轨底坡超限整改、消除钢轨接头等一系列措施，目前在减小振动和噪声、降低车辆运行能耗方面的工作成效已明显显现。未来，线路团队将持续开展轨道精细化维修工作，不断进行技术优化与突破，提升乘客及居民体验，降低能源消耗。