吳宗臻 王文斌 王小鎖

摘 要：針對(duì)城市軌道交通（以下簡(jiǎn)稱“城軌”）鋼軌波磨問(wèn)題，首先分析城軌鋼軌波磨的特征及危害，然后對(duì)我國(guó)采用的鋼軌波磨評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析，指出分波長(zhǎng)分級(jí)波磨評(píng)價(jià)的必要性;對(duì)鋼軌波磨測(cè)量方式進(jìn)行分類總結(jié)，指出針對(duì)鋼軌波磨智能管理宜采用隨車全線測(cè)量和重點(diǎn)區(qū)段人工連續(xù)測(cè)量相結(jié)合的方式;對(duì)城軌鋼軌波磨管理模式進(jìn)行分析，指出既有管理方式的不足，提出鋼軌波磨智能管理的理念，并圍繞鋼軌波磨智能管理的要點(diǎn)分別進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;鋼軌波磨;智能管理;評(píng)價(jià)方法;測(cè)量方式

中圖分類號(hào)：U213.4

1 概述

鋼軌波磨是指在輪軌滾動(dòng)接觸表面出現(xiàn)的類似波浪的規(guī)律性不均勻磨耗現(xiàn)象。與軌面擦傷、焊縫不平、剝離掉塊等傷損形式不同，鋼軌波磨具有顯著的周期性特征。鋼軌波磨產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，治理困難，世界上約40%的軌道曲線段都會(huì)產(chǎn)生波磨危害。

城軌曲線眾多，軌道型式多樣，車輛加減速頻繁，導(dǎo)致鋼軌波磨成為城軌的一類主要病害，其種類及特征與大鐵路不同，發(fā)生早，發(fā)展速率快，以100mm以下短波波磨為主（圖1）。

城軌鋼軌波磨會(huì)引起一系列的次生病害，例如扣件彈條斷裂、扣件T栓斷裂、車內(nèi)噪聲異常等（圖2）。

由于城軌的線路線型、運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)及養(yǎng)護(hù)維修周期的原因，鋼軌波磨將伴隨著城軌運(yùn)營(yíng)而發(fā)生發(fā)展。鋼軌波磨治理的思路是將其科學(xué)地管理起來(lái)，通過(guò)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)、科學(xué)的治理方式及智能的管理方法，將鋼軌波磨對(duì)軌道壽命、運(yùn)營(yíng)質(zhì)量的不利影響降到最低。

本文結(jié)合作者長(zhǎng)期開展的鋼軌波磨研究經(jīng)驗(yàn)，從鋼軌波磨的評(píng)價(jià)方法、測(cè)量方法出發(fā)，重點(diǎn)闡述城軌鋼軌波磨的智能管理方法，以期為業(yè)內(nèi)同行開展鋼軌波磨相關(guān)的研究和管理工作提供借鑒和思考。

2 鋼軌波磨評(píng)價(jià)方法

2.1 鋼軌波磨評(píng)價(jià)指標(biāo)

我國(guó)城軌針對(duì)鋼軌波磨的評(píng)價(jià)依據(jù)為TG/GW102-2019《普速鐵路線路維修規(guī)則》，評(píng)價(jià)指標(biāo)僅包含波長(zhǎng)、波深等參量。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以鋼軌頭部磨耗、鋼軌波浪形磨耗程度等為參考，將鋼軌傷損分為輕傷和重傷2類。當(dāng)鋼軌波磨超過(guò)鋼軌輕傷標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的波深0.5mm后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行打磨維護(hù)。進(jìn)行鋼軌打磨后，鋼軌表面不平度應(yīng)<0.2mm。

但這種單一的測(cè)量及評(píng)價(jià)指標(biāo)過(guò)于粗糙，未對(duì)不同波長(zhǎng)的波磨進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，且打磨后0.2mm的單一驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于寬松，不利于針對(duì)鋼軌異常波磨進(jìn)行科學(xué)的維修和管理。

2.2 鋼軌波磨波長(zhǎng)、分級(jí)評(píng)價(jià)

圖3為仿真計(jì)算得出的不同速度級(jí)下鋼軌波磨波深和波長(zhǎng)對(duì)輪軌垂向力的影響趨勢(shì)圖，可以看出，對(duì)于不同波長(zhǎng)的波磨，其波深對(duì)輪軌垂向力的影響是不同的，尤其是短波波磨，在波深較小的情況下輪軌垂向力量值就已經(jīng)較大;另外隨著列車速度的提升，對(duì)不同波長(zhǎng)波磨的限值要求也更加嚴(yán)格?？茖W(xué)的波磨測(cè)量和評(píng)價(jià)方法需要采用分波長(zhǎng)、分級(jí)的方式進(jìn)行。

3 鋼軌波磨測(cè)量方法

由于波磨波深為微米級(jí)別，肉眼無(wú)法簡(jiǎn)單判別，因此針對(duì)鋼軌波磨的分波長(zhǎng)分級(jí)管理高度依賴于測(cè)量工具，高精度的測(cè)量及分析手段才能保證鋼軌波磨智能管理的順利開展。按照數(shù)據(jù)采集原理，波磨測(cè)量可以分為間接測(cè)量和直接測(cè)量。

3.1 間接測(cè)量

間接測(cè)量指通過(guò)輪軌接觸作用下的間接指標(biāo)進(jìn)行波磨評(píng)價(jià)的方法。例如，通過(guò)噪聲，鋼軌或者車輛軸箱振動(dòng)等指標(biāo)，推算出輪軌接觸作用下的鋼軌波磨的波長(zhǎng)、波深等特征參數(shù)。其特點(diǎn)為：方便快捷，但精度低，受外界條件影響大。

3.2 直接測(cè)量

直接測(cè)量指將傳感器放置在鋼軌走行表面直接對(duì)鋼軌波磨進(jìn)行測(cè)量的方法，并以此測(cè)量結(jié)果作為評(píng)價(jià)鋼軌波磨及制定打磨計(jì)劃的測(cè)量依據(jù)。其特點(diǎn)為：直觀，精度高，不受外界條件的影響。

直接測(cè)量方法按照測(cè)量數(shù)據(jù)樣本的不同，可以分為離散型測(cè)量和連續(xù)性測(cè)量。

3.2.1 離散型測(cè)量

離散型測(cè)量指采用1m或1.2m的高精度電子直尺對(duì)波磨區(qū)段抽樣測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)是以1m為測(cè)量單位的離散單元，測(cè)量結(jié)果受測(cè)量人員選點(diǎn)影響較大（圖4）。

3.2.2 連續(xù)型測(cè)量

連續(xù)型測(cè)量指通過(guò)測(cè)量傳感器在鋼軌表面連續(xù)移動(dòng)的方式，對(duì)一個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)的鋼軌波磨連續(xù)采樣（圖5）。根據(jù)測(cè)量傳感器的原理不同，連續(xù)型測(cè)量可以分為加速度式接觸測(cè)量、激光式非接觸測(cè)量。

按照測(cè)量設(shè)備的安裝位置及實(shí)現(xiàn)方式的不同，連續(xù)型測(cè)量可以進(jìn)一步區(qū)分為人工局部測(cè)量和隨車全線測(cè)量。

（1）人工局部測(cè)量。指采用人工測(cè)量設(shè)備對(duì)典型波磨區(qū)段進(jìn)行測(cè)量（圖5），該測(cè)量方式的測(cè)量數(shù)據(jù)精度高，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行完善的量化分析，但測(cè)量效率低，難以進(jìn)行全線的統(tǒng)計(jì)分析。

（2）隨車全線測(cè)量。指將測(cè)量設(shè)備安裝于軌檢車或電客車上，隨車進(jìn)行全線的鋼軌表面不平順測(cè)量（圖 6），該測(cè)量方式測(cè)量效率高，可以對(duì)全線數(shù)據(jù)進(jìn)行高效采集，便于進(jìn)行全線的鋼軌波磨分類統(tǒng)計(jì)分析，但測(cè)量精度不及人工推車式測(cè)量方式。

鋼軌波磨智能管理需要包含高精度的分波長(zhǎng)分級(jí)分析及全線分類統(tǒng)計(jì)等能力，因此數(shù)據(jù)獲取方面需要將人工局部測(cè)量和隨車全線測(cè)量2種方式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。

4 鋼軌波磨智能管理

目前，鋼軌波磨機(jī)理及理論眾多，但都是基于一定的假設(shè)理論及實(shí)驗(yàn)研究，沒(méi)有一種波磨理論可以解釋所有類型的鋼軌波磨。因此，傳統(tǒng)的從鋼軌波磨機(jī)理研究出發(fā)，研究波磨特征、成因、解決方法的研究思路存在一定的局限性，不能應(yīng)對(duì)各個(gè)城軌鋼軌波磨智能管理問(wèn)題。

鋼軌波磨是一種伴隨城軌運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生和發(fā)展的軌道病害，只能通過(guò)科學(xué)的評(píng)價(jià)和管理方法進(jìn)行控制，以分波長(zhǎng)分級(jí)的鋼軌波磨評(píng)價(jià)方法為基礎(chǔ)，以全線和局部高精度測(cè)量方法為手段，開展城軌鋼軌波磨的智能管理。

智能管理模式通過(guò)建立波磨管理平臺(tái)，包含波磨數(shù)據(jù)庫(kù)、波磨評(píng)價(jià)指標(biāo)、波磨統(tǒng)計(jì)算法等，將現(xiàn)場(chǎng)波磨數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，進(jìn)行全線的系統(tǒng)評(píng)估、綜合的分類分析、以及科學(xué)打磨計(jì)劃的制定。智能管理主要包括：數(shù)據(jù)測(cè)量和上傳智能，評(píng)價(jià)指標(biāo)智能，波磨統(tǒng)計(jì)智能。

4.1 線路信息數(shù)字化

以里程為基點(diǎn)，將線路信息數(shù)據(jù)上傳至管理信息平臺(tái)，主要包含以下3類信息。

（1）車輛信息。車型相關(guān)基礎(chǔ)信息、速度曲線。

（2）軌道信息。軌道型式、扣件型式、曲線線型。

（3）養(yǎng)護(hù)維修信息。換軌記錄、打磨記錄、更換扣件記錄。

4.2 波磨數(shù)據(jù)智能采集及上傳

前端采用高精度設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包含隨車采集設(shè)備（全線）和局部手推采集設(shè)備（高精度），并將波磨原始數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)，與里程信息一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)按照數(shù)據(jù)采集時(shí)間順序排列（圖7），以滿足按里程分析和按時(shí)間線分析的基本功能，便于查詢和綜合統(tǒng)計(jì)分析。

4.3 分波長(zhǎng)分級(jí)波磨評(píng)價(jià)指標(biāo)

綜合考慮國(guó)內(nèi)鋼軌波磨評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合國(guó)外更為合理的鋼軌波磨評(píng)價(jià)規(guī)范（主要包含移動(dòng)波深幅值有效值RMS、移動(dòng)峰-峰平均值PPR以及鋼軌表面粗糙度級(jí)等參量），同步進(jìn)行不同參量的數(shù)據(jù)分析和對(duì)比，制定不同城市城軌波磨評(píng)價(jià)指標(biāo)限值。

波磨評(píng)價(jià)指標(biāo)及限值研究主要包含以下幾個(gè)方面。

（1）波長(zhǎng)段范圍。例如，10～30mm，30～100mm，100～300mm，300～1000mm。

（2）波磨多級(jí)限值。例如，10～30mm波長(zhǎng)段范圍，從波磨狀態(tài)好～差分為3個(gè)級(jí)別，相應(yīng)的波深限值為0.01mm、0.02mm、0.03mm。

（3）波磨等級(jí)。按照不同波長(zhǎng)段的不同波磨量值，給出合理的計(jì)權(quán)方法，計(jì)權(quán)得出一個(gè)波磨等級(jí)，并依此評(píng)價(jià)鋼軌波磨狀態(tài)。

最終可以實(shí)現(xiàn)波磨評(píng)價(jià)指標(biāo)隨數(shù)據(jù)積累的動(dòng)態(tài)更新，以及計(jì)權(quán)系數(shù)的動(dòng)態(tài)更新。

4.4 波磨分類統(tǒng)計(jì)分析

按照城軌線路、區(qū)間、里程范圍、行別、軌別等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制所選區(qū)間的波磨基本狀態(tài)及線路信息;按照軌道類型、曲線半徑、行車速度等進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析，繪制綜合統(tǒng)計(jì)圖表，從各方面進(jìn)行城軌鋼軌波磨狀態(tài)統(tǒng)計(jì)和管理，并且按不同參數(shù)進(jìn)行篩選統(tǒng)計(jì)（圖 8、圖9）

4.5 波磨發(fā)展分析

對(duì)于相同區(qū)段的波磨狀態(tài)，沿時(shí)間線進(jìn)行發(fā)展分析，可以看出不同區(qū)段鋼軌特征波長(zhǎng)、波深、PPR、粗糙度級(jí)等指標(biāo)的發(fā)展情況，并可以進(jìn)行不同參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析。

圖10～圖12為實(shí)際城軌區(qū)段實(shí)測(cè)波磨波長(zhǎng)和波深的發(fā)展統(tǒng)計(jì)曲線，該曲線可以對(duì)打磨效果、波深發(fā)展速率、波長(zhǎng)變化趨勢(shì)等進(jìn)行直觀和定量的分析。

4.6 自動(dòng)生成打磨維修建議

根據(jù)數(shù)字化的線路信息，按照波磨評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)波磨數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和發(fā)展分析，根據(jù)打磨維修能力及線路條件設(shè)定好打磨條件，進(jìn)而生成波磨區(qū)段的打磨維修計(jì)劃。打磨維修后，相關(guān)記錄錄入波磨管理平臺(tái)，更新線路信息。

4.7 評(píng)價(jià)指標(biāo)限值動(dòng)態(tài)更新

隨著城軌線路的實(shí)測(cè)波磨數(shù)據(jù)的積累，可以設(shè)定動(dòng)態(tài)反饋機(jī)制進(jìn)行判斷，對(duì)鋼軌波磨評(píng)價(jià)指標(biāo)的限值進(jìn)行更新，使其更加適用于各城市的城軌條件。

4.8 指導(dǎo)新線設(shè)計(jì)

根據(jù)既有線的大量波磨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，給出易發(fā)生波磨的車輛軌道參數(shù)組合，從而指導(dǎo)優(yōu)化新線設(shè)計(jì)。在新線建設(shè)中做好軌道系統(tǒng)的頻域規(guī)劃，使輪軌參數(shù)匹配合理。同時(shí)，新線建設(shè)考慮采用綜合的減振方案，考慮基礎(chǔ)減振、隧道結(jié)構(gòu)減振、路徑隔振、敏感目標(biāo)隔振相結(jié)合，降低軌道系統(tǒng)的減振壓力，降低鋼軌波磨等軌道病害的發(fā)生頻率。

5 結(jié)語(yǔ)

鋼軌波磨智能管理目的是通過(guò)感知端、分析端、平臺(tái)端的有機(jī)結(jié)合，對(duì)鋼軌波磨進(jìn)行科學(xué)管理，研究適用于城軌的鋼軌波磨分波長(zhǎng)分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，指導(dǎo)科學(xué)的鋼軌打磨維護(hù)管理。最終目標(biāo)是提高波磨治理效率，降低波磨維修養(yǎng)護(hù)成本，延長(zhǎng)鋼軌壽命，減少軌道病害，降低車內(nèi)噪聲，提高乘客舒適性。鋼軌波磨智能管理是智慧城軌建設(shè)及運(yùn)維體系中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)提升城軌智能運(yùn)維水平，降低運(yùn)營(yíng)成本，提高運(yùn)營(yíng)效率具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]張厚貴.北京地鐵鋼軌波磨的機(jī)理及整治方案研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2015.

[2]溫澤峰.鋼軌波浪形磨損研究[D].四川成都：西南交通大學(xué)，2006.

[3]金學(xué)松，李霞，李偉，等.鐵路鋼軌波浪形磨損研究進(jìn)展[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，51（2）：264-273.

[4]郭驍. 地鐵e型彈條扣件系統(tǒng)疲勞傷損機(jī)理研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2016.

[5]黑勇進(jìn).地鐵鋼軌波磨引起的扣件病害分析與治理[J]. 鐵道建筑，2019，59（8）：150-153.

[6]王文斌，李克飛，吳宗臻，等.地鐵高架線曲線段DTⅦ2型扣件T型螺栓異常斷裂研究[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2018，39（6）：22-28.

[7]TG/GW 102-2019 普速鐵路線路修理規(guī)則[S]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2019.

[8]吳宗臻，王文斌. 城市軌道交通鋼軌波磨評(píng)價(jià)指標(biāo)及打磨驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)探討[J]. 鐵道建筑，2018，58（1）：141-145.

[9]李偉. 地鐵鋼軌波磨成因及其對(duì)車輛/軌道行為的影響[D]. 四川成都：西南交通大學(xué)，2015.

[10] 尚文軍.鋼軌吸振器對(duì)地鐵鋼軌波磨抑制作用的研究[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2015（3）：57-61.

[11] 孫秀秀. 基于深度學(xué)習(xí)的高鐵鋼軌波磨檢測(cè)的研究[D]. 北京：北京建筑大學(xué)，2020.

[12] 劉力，趙曉男，陳光雄.基于慣性基準(zhǔn)法地鐵鋼軌波磨檢測(cè)方法研究[J]. 機(jī)械，2018，45（8）：30-34.

[13] 康高強(qiáng)，李春茂，秦莉娟. 基于激光攝像技術(shù)的鋼軌波磨檢測(cè)方法研究[J]. 城市軌道交通研究，2017，20（10）：84-87，101.

[14] 王俊智. 城軌車載式鋼軌波磨檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D]. 湖南長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2017.

[15] 劉文輝. 基于弦測(cè)法原理的波磨檢測(cè)小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 甘肅蘭州：蘭州交通大學(xué)，2016.

[16] 李宏鋒. 地鐵軌道波浪形磨耗檢測(cè)系統(tǒng)研究[D]. 四川成都：西南交通大學(xué)，2014.

收稿日期 2020-04-27

責(zé)任編輯 朱開明