地铁小半径曲线减磨降噪技术研究

乔海锋

（北京京港地铁有限公司，北京 100068）

1 概述

地铁线路小半径曲线处的异常磨耗始终是工务部门运维的重点和难点；尤其是出入段线、进出站小半径曲线较多，列车通过曲线时噪声过大，产生噪声的主要原因未能有效确认，对乘车舒适度造成了一定的影响。现场勘查发现小半径曲线区段存在弹条断裂现象，曲线上股钢轨侧磨、下股钢轨波磨发展较快，对线路设备的养护维修造成了较大的困难。调查线路中小半径曲线因曲线上股钢轨波磨已更换钢轨达数公里。

此外，钢轨波磨是产生轮轨啸叫噪声和接触共振的主要原因之一。轮轨啸叫经常引起局部噪声超标；接触共振不仅会对列车走行部产生影响，而且还会诱发钢轨及轨下设施的疲劳伤损，以至影响列车安全[1]。因此，进一步分析列车通过小半径曲线的噪声主要成因，利用基于轮轨动力学的检测技术[2-3]，并研究采取更换楔形胶垫、更换减振扣件等减磨降噪整治方案，对提高列车通过小半径曲线行车舒适度，延长小半径曲线大修周期意义重大。

基于以上现场实际情况的分析发现现阶段解决的关键问题主要分为以下2个方面：其一、波磨引起噪声的区分，在前期测试中发现引起轮轨异常噪声的原因主要为曲线下股波磨引起的轮轨共振噪声；其二、各种减磨降噪整治手段的效果评估，评判一种减磨降噪手段的有效性可通过考核整治前后磨耗或噪声发展的快慢来进行。因此本文通过建立物理模型对减磨降噪的整治效果进行评估。

2 轮轨噪声区分

列车通过小半径曲线时，车内常见噪声表现为嗡鸣声，频率较低，影响乘车舒适度。现场测试时，在车站站台即能够明显感觉到嗡鸣声先于列车传递到人耳；列车驶过时嗡鸣声最大，且伴随刺耳尖锐噪声。为验证和区分2种轮轨噪声，对北京地铁某条线出入段线小半径曲线处进行轮轨共振及噪声测试。现场钢轨磨耗状态及轮轨共振、噪声区分试验测试结果如表1所示。上行线钢轨状态良好（经历换轨不足1个月），上股钢轨无侧磨，下股钢轨无波磨，2股钢轨振动正常。上股钢轨在列车通过时产生了频率 900 Hz 左右的高频噪声，车内噪声正常。下行线钢轨的上股侧磨和下股波磨均存在，波磨长度 110～130 mm ，波深约 0.2 mm ，局部可见鱼鳞纹。下股钢轨在列车通过时产生了150 Hz的轮轨共振，上股钢轨在列车通过时产生了频率1500 Hz左右的高频噪声，下股钢轨在列车通过时产生了150 Hz低频噪声；列车内产生了150 Hz、95 dB的低频噪声。

由以上数据可得出，列车经过小半径曲线时产生的车内噪声是由于曲线下股波磨导致的轮轨共振产生的；列车无法隔绝和吸收该频段的振动和噪声。因此，本文将重点针对地铁线路小半径曲线的下股波磨开展研究工作。

3 轮轨共振、噪声测试及结果分析

3.1 试验方案

本文对某地铁线路联络线和地铁站进出站小半径曲线进行了轮轨共振及噪声测试。 每条曲线选择2个断面采集钢轨的垂向和横向振动信息。依照试验方案进行整治前后分别采集轨道的振动信息，通过对比分析评价和优化得出最佳整治方案。其间，对钢轨廓形优化和曲线超高对轮轨共振及噪声的抑制效果利用动力学分析软件进行了仿真计算。

下行线振动测试断面Ⅰ和Ⅱ位于噪声测试断面两侧，测点位于曲线下股波磨波峰处正下方的钢轨轨底。传感器与钢轨之间由高分子刚性绝缘托隔离；噪声传感器布置于线路两旁的护栏处；所有信号线经防护后埋于隐蔽处。

3.2 测试结果分析

经现场勘查，被测区段下行线下股钢轨已经产生严重波磨，上行线下股钢轨轨面较好，仅局部波磨。如图 1所示，下行线列车通过时，噪声明显，轮轨振动严重，幅值明显增大，峰值达到680 m/s2，超出正常值100 m/s2，具有典型的共振特征；上行线列车通过时，仅产生正常的轮轨振动，波形幅值均在正常范围内。

由轮轨动力学理论可知，对于钢轨上的某一点，当产生由波磨引起的轮轨共振时，列车悬挂的自振频率正好与波磨的波长和行车速度发生耦合，列车的轮对会沿行车方向连续冲击每个波磨的波峰；如此连续的高频冲击是形成此特定频率噪声的根本原因。轮轨共振可将振幅在特定频段大幅度增加，容易诱发钢轨及列车走行部的疲劳伤损，危及行车安全。本文通过对波磨的动力学监测结合信息化手段，对波磨反复出现的位置进行轨旁动态监测，对波形进行智能分析，以轮轨共振作为波磨整治标准之一，指导工务部门进行状态修和预防性整治。本次试验对比换轨前后效果、更换新型阻尼胶垫效果和更换减振扣件效果，并结合振动测试数据提出优化地铁小半径曲线轮轨噪声的整治方案。

4 仿真模型及结果分析

4.1 仿真模型

应用多体动力学软件建立高速列车动力学模型，模型中采用两系悬挂，考虑轮轨接触几何关系的非线性、横向止挡的非线性及部分减振器的非线性特性，由Kalker非线性蠕滑理论计算轮轨蠕滑力。车辆动力学仿真模型由1个车体、2个构架、4个轮对和8个轴箱组成，共50个自由度。车辆动力学仿真模型见图2，首先将建立的转向架模型作为子系统，然后通过子系统建模技术组装建立整车动力学仿真模型。

曲线半径400 m ，超高120 mm ，车辆以平衡速度65 km/h 通过曲线。计算分析钢轨廓形分别为TB60和60N时的钢轨磨耗指数。如图3可知，半径400 m曲线上使用60N钢轨的钢轨磨耗显著高于TB60。

接下来，通过实验，研究曲线半径400 m、超高120 mm、车辆运行速度为65 km/h的情况下，不同钢轨廓形与波磨深度对钢轨磨耗指数和轴箱加速度的影响。

4.2 不同钢轨廓形的影响

实验中轨底坡均为1/40、钢轨波磨波深0.15 mm，如图4所示：内TB60，外TB60廓形对钢轨磨耗指数影响最大；内60N，外TB60对钢轨磨耗指数和轴箱加速度影响最小；内TB60，外60N对轴箱加速度影响最大。

4.3 不同波磨深度的影响

实验中其他条件不变，轨底坡1/40、钢轨廓形TB60，如图5所示：波磨深度为0.1 mm时对钢轨磨耗指数和轴箱加速度影响最小；波磨深度为0.3 mm时对钢轨磨耗指数和轴箱加速度影响最大。

5 整治方案及效果评价

本部分将阐述采用5种减磨降噪方案在北京地铁不同线路进行整治的实施背景、实施过程和最终效果。

5.1 整治方案1——更换耐磨轨

为保证行车安全，提升行车表现，对大兴线西红门—新宫上行区间3段（DK2 + 500～DK3 + 000、DK4 + 900～DK5 + 500、DK6 + 200～DK6 + 700）磨耗超限的钢轨以线下小型气压焊焊接成长轨条。新轨上线后再采用小型气压焊焊复龙口的方式进行更换。焊后进行探伤检测，确保焊接接头符合上线使用要求。

大兴线轨道铺设初期设计采用的是U71Mn钢轨；同时，此区间小半径曲线较多；运营10年间，半径小于600 m的曲线钢轨顶面出现鱼鳞纹、碎裂、掉块等缺陷。为减少类似缺陷重复出现及延长钢轨使用寿命，参考14号、16号线既有线设计及钢轨使用状态，本次换轨地段钢轨采用U75V（与14号、16号线一致）；其在焊接、硬度、强度、韧性上都优于U71Mn材质钢轨。

按照施工计划到车站进行施工登记，接触轨停电后对接触轨进行验电，做接地保护。施工作业前做安全交底。做好施工防护，施工中注意施工安全和人身安全；特种作业人员须持证上岗。改造过程中及结束后需由轨道专业具备相应独立安全检查资格的人员对安全关键项目钢轨（SCI-PW-004）进行独立安全检查。更换钢轨工作为夜间停运后施工，不影响运营程序。

对收集整理整改前后的振动数据进行综合评定的结果显示，更换钢轨后，减磨效果有明显改善，噪声比改造前平均降低 1～2 dB。减磨效果较好，降噪效果明显。

5.2 整治方案2——更换楔形胶垫

北京地铁目前设计轨枕预留轨底坡1/40，用于直线区段比较合适；而在曲线区段，由于超高的作用，车轮踏面与钢轨顶面未能全部接触，列车车体荷载就集中于钢轨顶面内侧，形成不均匀偏载，有时会因轮缘挤压钢轨头内侧作用边，形成应力角，造成应力集中，形成磨耗，对钢轨破坏很大，且钢轨轨头内侧容易产生伤损。在曲线地段更换安装楔形胶垫，增大轨底坡，可以起到减缓偏载的作用。通过对北京地铁4号线半径400 m及以下曲线区段更换安装的楔形胶垫数据进行统计分析，轨头内部作用边的核伤数量明显减少，但是减磨和降噪效果甚微。

5.3 整治方案3——非对称性打磨

鉴于此前对于地铁4号线异常波磨地段采用修理性打磨（repair rail grinding）的措施进行整治，2台打磨车每年平均出动约160班次，对严重波磨地段每2月就需打磨1次。修理性打磨是按原始廓形整体向下进行，虽然能有效地消除波磨的峰值，但也磨去了大部分的钢轨加工硬化层，留下了存在残余裂纹的软质金属层（因为较深的裂纹没被消除），轨头的塑性变形也未消除，事实上更容易产生塑性变形（波磨）和接触疲劳（裂纹和碾边）；波磨发生的原因未根除，所以很快又复发；另外钢轨踏面上的隐伤如斜裂纹仍然保留在波磨的波谷上，钢轨与假轮缘小半径反向凸起曲线相接触的可能性仍然存在，轨距角外侧角处的碾边也未除去。总之，修理性打磨只能磨去波磨的峰值，没有从波磨形成的原因上入手而改善钢轨状态。特别对于严重的波磨地段，因频繁进行修理性打磨，钢轨断面快速减小而导致钢轨重伤而下道，大幅增加了维护费用甚至难以为继。

为了降低打磨导致的钢轨磨耗，增加钢轨使用寿命，将目前的修理性打磨向预防性打磨（preventative rail grinding）策略过渡，对曲线段钢轨打磨采取不对称打磨（Asymmetric rail grinding）的打磨技术措施，以期增加钢轨使用寿命，降低噪声，减少维护费用。

鉴于目前地铁4号线全线轨底坡离散，且95%的轨底坡超过设计标准，故将打磨车系统中轨底坡按照实际平均值设定，即1/20进行预防性打磨。在曲线段采用不对称打磨时，因打磨车电机角度是一个固定值，不可能随着轨底坡的变化而变化，打磨钢轨不同的弧面时打磨宽度、角度会产生较大的误差，而不能构建出理想廓形。对于轨底坡超限率离散率不大于100%的区段，以该段段轨底坡的均值为根据来设置电机的角度；对于轨底坡超限严重、离散率大的地段（大于100%），在轨底坡改正之前，不按照曲线不对称廓形进行修廓整形。

钢轨不对称廓形优化设计有以下几个原则：

（1）曲线地段使外轨的轮轨接触区尽量靠近轮缘，内轨轮轨接触区尽量远离轮缘，以得到最大的内外轮之间的滚动半径差，同时又要避免外轮缘与钢轨轨距角接触；

（2）直线地段将轮轨接触区移向轨顶面中心，并保持轨顶面规定的半径；

（3）轮轨间接触宽度既不能过大，以免加剧轮轨间蠕滑作用导致波磨，又不能太小以免接触应力过大产生疲劳损伤；实践证明接触宽度 25 mm 较合适；

（4）设计出的廓形断面应使得金属切削量尽可能地小，节省打磨费用和延长钢轨的寿命。

本次试验区间选取新街口—西直门（上下行），打磨周期为30天；魏公村—人民大学（上下行），打磨周期为30天；北京南站—马家堡（上下行），打磨周期为119天；国家图书馆—动物园（上行），打磨周期为91天；公益西桥—新宫（下行），打磨周期182天；黄村火车站—义和庄（上下行），打磨周期为182天。

本次试验的目的在于：探究轨底坡不良状态下的不对称打磨廓形；针对不同半径曲线的适用廓形进行探索；通过精确调整电机角度、打磨压力和控制打磨车作业车速来细化打磨方式，积累精细化打磨作业经验；按照预防性打磨策略，探究不同线型、不同轨道结构钢轨的打磨周期和打磨量与波磨发生发展速度之间的量化关系，确定不同线型、不同轨道结构钢轨的合理打磨周期和打磨量。在钢轨自然磨损和钢轨打磨的共同作用影响下，探究钢轨的合理使用寿命，对钢轨进行全寿命管理。

经过对试验结果持续跟踪分析，波磨发展速度下降为原速度的一半；噪声发展速度下降为原速度的2/3。减磨效果良好，噪声比改造前平均降低1～2 dB，降噪效果明显。

5.4 整治方案4——调整曲线超高

由于地铁14号线使用的A型车车轴重较大，曲线外股形成侧磨，目前部分曲线段侧磨已达到2 mm，侧磨发展速率1 mm/年；故将曲线外股超高调至10 mm，借此减轻外股侧磨，最终降低噪声和增加外股钢轨使用寿命。

实施中，对起道完毕的的曲线按照以下容许偏差管理值进行检测，对超限区段再次进行调整。曲线超高在缓和曲线内递减顺坡，无缓和曲线时在圆曲线两段直线段递减顺坡，超高顺坡率一般不大于2‰，困难条件下不宜大于2.5‰。按照行车通告中的施工计划在相应的车站登记、要点，召开施工前的安全预想会。作业队长[CP（T）人员]监督作业人员按规定着装、按照相关工作指引进行起道作业，并在起道后对起道量进行检查核对。CP（T）人员在施工结束后检查现场，做到工完场清，清点人数，注销施工登记。

经第三方检测单位收集整理整改前后的振动数据，综合评定，调整曲线超高后，减磨效果有明显改善，降噪效果不明显。

5.5 整治方案5——更换减振扣件

因有居民投诉地铁大兴线高米店北站—高米店南站区间列车经过时，昼夜都有频繁的隆隆声，已严重影响小区居民的正常生活。为解决以上问题，经研究，拟对大兴线高米店北站—高米店南站区间上行线（DK9 + 250 ～DK9 + 540）进行原DTⅥ2型扣件更换为先锋扣件的减振改造。

组织施工、监理、设计、运营单位沟通施工方案和实施计划，确保将其对正常运营的影响降至最小范围，委托第三方检测单位对实施减振改造区段进行现场复勘并布设检测数据点，及时修正、完善技术方案。施工前检查施工人员、劳动防护用品及工器料具准备情况。施工过程中，施工负责人和监理工程师检查扣件施工作业程序，确保严格按照拟定方案实施。施工结束后，施工负责人、监理工程师、线路专业工程师及其他涉及专业人员共同检查施工区段的作业质量（主要包括线路、接触轨的几何尺寸，附属设备的伤损情况，检查现场是否有遗留的工器料具以及可能影响运营的其他情况），确认无误后方可注销施工申请。

经第三方检测单位收集整理整改前后的振动数据，综合评定，更换减振扣件后，减磨效果有明显改善，噪声比改造前平均降低1 dB。减磨效果较好，降噪效果明显。

综上所述，采用5种整治方案的减磨、降噪效果如表2所示。

表2 整治效果评价表 dB

6 结论

本文提出的措施可有效降低由轮轨共振造成的异常噪声1～2 dB，提升了旅客乘坐舒适性，减轻了沿线周边的噪声污染，消除了列车走行部在小半径曲线的疲劳源，提高了列车运营安全性。同时，本文提出地铁小半径曲线减磨降噪技术方案，通过钢轨非对称性打磨明显提升减磨和降噪效果，并为钢轨预防性打磨做了一定的预研工作，提高了钢轨的使用寿命。