梁中東

（北京京港地鐵有限公司，北京 100068）

隨著城市軌道交通的發(fā)展，節(jié)能降耗及振動(dòng)噪聲問(wèn)題已逐漸成為人們關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)于節(jié)能降耗問(wèn)題，大多研究主要集中于運(yùn)行交路、節(jié)能坡、再生制動(dòng)、曲線(xiàn)限速、進(jìn)出站運(yùn)行控制、停站時(shí)間調(diào)整等方面[1-3]或者是列車(chē)操縱策略、列車(chē)自重及載重對(duì)能耗的影響[4-6]；對(duì)于減振降噪問(wèn)題，大多數(shù)研究致力于車(chē)輛以及軌道結(jié)構(gòu)的選型[7-8]?，F(xiàn)階段關(guān)于軌道維修對(duì)節(jié)能降耗的影響或是減振降噪的影響研究較少，且將兩者結(jié)合起來(lái)，以工程實(shí)踐量化其效果的研究未見(jiàn)報(bào)道。北京京港地鐵有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“京港地鐵”）在確保軌道設(shè)施狀態(tài)安全可靠的基礎(chǔ)上，持續(xù)探索如何能進(jìn)一步提高線(xiàn)路質(zhì)量、改善乘車(chē)舒適性、降低運(yùn)營(yíng)成本，研究了軌道與振動(dòng)噪聲及能耗之間的關(guān)系，采用軌道精細(xì)化維修的方式有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗及減振降噪的目標(biāo)。

1 軌道與振動(dòng)噪聲及能耗

列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，因摩擦、沖擊、線(xiàn)路條件等阻力因素產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲等能量損耗。行車(chē)阻力可分為基本阻力和附加阻力，其中基本阻力包含：車(chē)軸軸承摩擦阻力、輪軌間滾動(dòng)摩擦阻力、輪軌間滑動(dòng)摩擦阻力、沖擊阻力、空氣阻力；附加阻力包含：坡度附加阻力、曲線(xiàn)附加阻力、隧道附加阻力[9]。在運(yùn)營(yíng)階段，通過(guò)改善軌道狀態(tài)以減小輪軌間阻力以及沖擊是實(shí)現(xiàn)減振降噪以及節(jié)能減排的有效手段。

2 軌道精細(xì)化維修措施

2.1 改善軌道質(zhì)量指數(shù)（TQI）

軌道質(zhì)量指數(shù)（TQI）是一套評(píng)價(jià)軌道質(zhì)量狀態(tài)的先進(jìn)技術(shù)，主要包含7項(xiàng)因素：水平、左高低、右高低、左軌向、右軌向、三角坑和軌距，以200 m為一個(gè)單元區(qū)段，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算獲得，通過(guò)對(duì)這些因素進(jìn)行測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)線(xiàn)路幾何形態(tài)的描述測(cè)評(píng)[10]。TQI指數(shù)越低，表明該區(qū)段狀態(tài)離散的程度越小，軌道的平順性越好，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲及能量損耗越少。

2014年，在北京地鐵14號(hào)線(xiàn)率先引入TQI管理概念，并制定遠(yuǎn)高于DB11/T 718-2016《城市軌道交通設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)規(guī)范》[11]中“TQI不超過(guò)14.51”的控制標(biāo)準(zhǔn)，提出優(yōu)質(zhì)線(xiàn)路的TQI值控制在8以?xún)?nèi)的目標(biāo)。

由于地鐵線(xiàn)路曲線(xiàn)多、半徑小，縱坡變化頻繁，經(jīng)常出現(xiàn)豎緩重合的現(xiàn)象，導(dǎo)致線(xiàn)路的平順性很難控制，TQI很容易超標(biāo)，尤其是部分豎曲線(xiàn)地段設(shè)計(jì)標(biāo)高與實(shí)際標(biāo)高相差較大，是維修養(yǎng)護(hù)的難點(diǎn)。線(xiàn)路團(tuán)隊(duì)不斷改進(jìn)整改技術(shù)，成功將TQI值控制在8以?xún)?nèi)：①開(kāi)展了細(xì)致的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，研究曲線(xiàn)擬合方法、編寫(xiě)擬合程序，優(yōu)化整改方法；②采用新型軌檢儀，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)輸入程序，自動(dòng)生成TQI整改方案，既節(jié)省人工計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)的時(shí)間，也提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

2018年，北京地鐵14號(hào)線(xiàn)的整改技術(shù)及成果普及到其他線(xiàn)路：16號(hào)線(xiàn)的TQI值成功控制在8以?xún)?nèi)，4號(hào)線(xiàn)和大興線(xiàn)的TQI標(biāo)準(zhǔn)值提高到10以?xún)?nèi)，各線(xiàn)平順性明顯改善。

2.2 開(kāi)展鋼軌廓形管理

2.2.1 鋼軌預(yù)打磨

預(yù)打磨是對(duì)鋪設(shè)上道后新鋼軌的打磨，去除脫碳層，消除焊縫不平順和運(yùn)輸、施工中產(chǎn)生的初始缺陷。實(shí)踐表明在新線(xiàn)開(kāi)通前或開(kāi)通3個(gè)月內(nèi)進(jìn)行鋼軌預(yù)打磨，在運(yùn)營(yíng)初期其波磨、剝落掉塊等疲勞傷損發(fā)展時(shí)間較不進(jìn)行預(yù)打磨延長(zhǎng)至少50%。除新線(xiàn)外，線(xiàn)路團(tuán)隊(duì)在既有線(xiàn)換軌段也進(jìn)行了鋼軌預(yù)打磨處理，有效延緩了軌面不平順的產(chǎn)生，減小了行車(chē)阻力。

2.2.2 鋼軌定制化打磨

鋼軌定制化打磨技術(shù)旨在通過(guò)跟蹤觀測(cè)不同地段鋼軌廓形及磨耗、波磨、魚(yú)鱗紋等數(shù)據(jù)狀態(tài)變化規(guī)律，結(jié)合車(chē)輪踏面與鏇修周期、車(chē)速、線(xiàn)路線(xiàn)形、軌道結(jié)構(gòu)等因素，制定適用于不同地段的鋼軌目標(biāo)廓形。同時(shí)，利用專(zhuān)業(yè)有限元分析軟件，進(jìn)行輪軌匹配與接觸應(yīng)力分析，優(yōu)化鋼軌設(shè)計(jì)廓形，與專(zhuān)業(yè)公司合作，提供更細(xì)致的定制化鋼軌廓形設(shè)計(jì)。

通過(guò)鋼軌定制化打磨可減緩鋼軌疲勞傷損及波磨的發(fā)展，改善鋼軌表面平順性，同時(shí)改善輪軌接觸關(guān)系[12-13]，有效降低輪軌接觸產(chǎn)生的振動(dòng)及噪聲，減小輪軌間摩擦阻力，減小沖擊力。

2.2.3 鋼軌打磨質(zhì)量指數(shù)（GQI）應(yīng)用

鋼軌打磨質(zhì)量指數(shù)（GQI）代表實(shí)測(cè)廓形與目標(biāo)廓形的貼合程度[14]，其值介于0～100之間，GQI值越高說(shuō)明貼合度越高。為更好地評(píng)價(jià)鋼軌修廓打磨質(zhì)量，打磨團(tuán)隊(duì)改變了原有廓形評(píng)價(jià)方法（通過(guò)測(cè)量鋼軌打磨軌頭范圍內(nèi)實(shí)測(cè)廓形與目標(biāo)廓形最大偏差和不密貼角度對(duì)區(qū)段打磨質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收，見(jiàn)圖1），在維護(hù)維修過(guò)程中引入了GQI。

GQI指標(biāo)制定的關(guān)鍵是合理設(shè)置軌頭分區(qū)（圖2）、權(quán)重及偏差允許值。對(duì)于曲線(xiàn)上、下股和直線(xiàn)，鋼軌與車(chē)輪的接觸形式不同，要求在計(jì)算不同位置的鋼軌GQI時(shí)，需要對(duì)軌頭分區(qū)分配不同的權(quán)重，以體現(xiàn)重點(diǎn)位置的差異性；如果偏差允許值定的過(guò)松，則達(dá)不到精細(xì)化的要求，如果定的過(guò)嚴(yán)，則超過(guò)了維修的精度。打磨團(tuán)隊(duì)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的摸索與試驗(yàn)驗(yàn)證，現(xiàn)已結(jié)合線(xiàn)路實(shí)際情況，制定了企業(yè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了鋼軌廓形及鋼軌打磨質(zhì)量的有效管控。

2.3 道岔精修

為有效改善道岔狀態(tài)，提升整體平順性，線(xiàn)路團(tuán)隊(duì)制定了多種改善措施：

（1）制定遠(yuǎn)高于北京市地方標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的道岔精檢細(xì)修標(biāo)準(zhǔn)，精調(diào)軌距、水平、高低、滑床板離縫等幾何尺寸；

（2）采用角磨機(jī)手工制作楔形滑床板墊片，進(jìn)行滑床板離縫調(diào)整工作，以解決短軌枕施工誤差造成的滑床板離縫問(wèn)題；

圖1 原有廓形評(píng)價(jià)方法

圖2 GQI計(jì)算的軌頭分區(qū)示意圖

（3）開(kāi)展磨耗嚴(yán)重的道岔轉(zhuǎn)轍配件更換工作時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，考慮對(duì)磨耗尖軌、基本軌等一同更換，同時(shí)對(duì)滑床板平整度進(jìn)行精修。

以上措施已在既有線(xiàn)推廣應(yīng)用，并取得顯著效果。以北京地鐵14號(hào)線(xiàn)為例：14號(hào)線(xiàn)西段、東段自運(yùn)營(yíng)起，輪軌摩擦及沖擊嚴(yán)重，折返道岔如張郭莊站岔1-2、岔1-3，西局站岔7-1、岔7-2，善各莊站岔37-1、岔37-2、岔37-5，金臺(tái)路站岔26-2、岔26-5等出現(xiàn)了嚴(yán)重的道岔側(cè)磨，其曲線(xiàn)尖軌、基本軌與導(dǎo)曲線(xiàn)鋼軌最短使用壽命為4～5個(gè)月，遠(yuǎn)低于鋼軌的正常使用壽命。為此，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)道岔實(shí)施精檢細(xì)修，對(duì)幾何尺寸及短軌枕不平問(wèn)題進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，同時(shí)對(duì)尖軌進(jìn)行1 : 70的內(nèi)傾角度調(diào)整。調(diào)整后，道岔導(dǎo)曲線(xiàn)鋼軌側(cè)磨和折返岔區(qū)尖軌側(cè)磨發(fā)展速率明顯降低，鋼軌件使用壽命較之前平均延長(zhǎng)2.5倍以上，同時(shí)降低了輪軌摩擦和沖擊，繼而實(shí)現(xiàn)減振降噪及節(jié)能降耗的目標(biāo)。

2.4 軌底坡超限整改

短軌枕地段普遍存在軌底坡不良的情況，尤其是小半徑曲線(xiàn)地段，軌底坡在軌排移動(dòng)、運(yùn)輸、軌道幾何尺寸精調(diào)過(guò)程中，由于約束剛度不足，極易發(fā)生變化。軌底坡不良可能會(huì)引起輪軌接觸匹配不良，造成輪軌滾動(dòng)接觸疲勞，鋼軌磨損嚴(yán)重，波磨及幾何形位不良加速發(fā)展，軌道部件折斷失效等[15-16]。

線(xiàn)路團(tuán)隊(duì)采用傾角儀對(duì)曲線(xiàn)短枕地段進(jìn)行軌底坡測(cè)量，并計(jì)算實(shí)際軌底坡與設(shè)計(jì)值之差及離散率，通過(guò)在鐵墊板下設(shè)置不同角度組合的楔形墊板調(diào)整軌底坡，確保軌底坡在合理范圍內(nèi)。在軌底坡整改過(guò)程中，同步檢查線(xiàn)路軌距、水平、高低等幾何尺寸，將其偏差控制在允許范圍內(nèi)。

2.5 消除鋼軌接頭

鋼軌接頭處的結(jié)構(gòu)不平順及接頭不正常磨損，如錯(cuò)牙、肥邊、鞍形磨耗等，均會(huì)使列車(chē)運(yùn)行時(shí)受到較大沖擊[17]。利用氣壓焊消除鋼軌有縫接頭可以進(jìn)一步提高鋼軌平順性，同時(shí)杜絕接頭病害產(chǎn)生，還能降低振動(dòng)及噪聲。另外在直流供電的情況下，鋼軌作為負(fù)極，消除接頭可以使得負(fù)極的電阻大大降低，對(duì)節(jié)能也做出貢獻(xiàn)。

3 工作成效

隨著軌道精細(xì)化維修工作的有序開(kāi)展，目前北京地鐵14號(hào)線(xiàn)及16號(hào)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)TQI≤8，4號(hào)線(xiàn)及大興線(xiàn)普通短軌枕地段TQI≤10，其他地段TQI≤12，全線(xiàn)平均噪聲降低4.2 dB（A），乘客體驗(yàn)明顯改善。2016年—2018年在4號(hào)線(xiàn)年均客流增長(zhǎng)0.90%、大興線(xiàn)年均客流增長(zhǎng)2.93%的情況下，正線(xiàn)每車(chē) · 公里電耗未發(fā)生明顯變化。換言之，4號(hào)線(xiàn)和大興線(xiàn)在幾乎沒(méi)有增加任何牽引電耗的情況下，每年多運(yùn)送乘客730萬(wàn)人次。正線(xiàn)列車(chē)單耗變化詳見(jiàn)圖3。

圖3 2016年—2018年正線(xiàn)列車(chē)單耗變化

4 結(jié)語(yǔ)

在軌道狀態(tài)及維修質(zhì)量控制方面，京港地鐵實(shí)現(xiàn)了高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，并執(zhí)行了改善TQI、鋼軌廓形管理、道岔精修、軌底坡超限整改、消除鋼軌接頭等一系列措施，目前在減小振動(dòng)和噪聲、降低車(chē)輛運(yùn)行能耗方面的工作成效已明顯顯現(xiàn)。未來(lái)，線(xiàn)路團(tuán)隊(duì)將持續(xù)開(kāi)展軌道精細(xì)化維修工作，不斷進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化與突破，提升乘客及居民體驗(yàn)，降低能源消耗。