北京地铁4号线钢轨异常波磨调查及整治措施

都市快轨交通 第24卷第3期2011年6

月

热点研讨

do:i10.3969/.jissn.1672-6073.2011.03.004

北京地铁4号线钢轨异常波磨

调查及整治措施

郭建平 刘维宁 雷黔湘 张艳军

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(1.北京市市政工程设计研究总院 北京 100082;2.北京交通大学土木建筑工程学院 北京 100044)

和曲线(见图2),均出现连续的波长固定为35~

50mm

摘 要 通过对北京地铁4号线钢轨异常波磨情况的全线调查,得到全线钢轨异常波磨出现的主要特征;针对波磨情况最为严重的轨道减振器扣件区段,进行钢轨原始不平顺评估、钢轨硬度测试以及减振器扣件轨距保持能力的测试分析,初步明确轨道减振器扣件产生钢轨波磨的原因,并针对具体情况给出整治措施。关键词 北京地铁 钢轨波磨 减振器扣件 钢轨硬度 整治措施

中图分类号 U213 4 文献标识码 A文章编号 1672-6073(2011)03-0010-04

之间钢轨波磨现象,占所有采用减振器轨道总长的67%以上,钢轨打磨后2个月波磨现象又会再次出现。

3)弹性整体道床地段出现的波磨分3种情况:

第一种情况为运营初期,钢轨波磨出现在R=350m小半径曲线头尾及与其他轨道的过渡段上,打磨后8个月检查无重现;第二种情况是在线路运营约为14个月后,在曲线地段若干处出现范围约1m

的局部波磨,经查均为轨道原始不平顺造成的(见图3);第三种情况是出现在小半径反向曲线区段,目前该区段目前打磨周期约为6个月。

图3 局部不平顺诱发的波磨

图2 减振器轨道钢轨波磨(R=1000) 图1 减振器轨道钢轨

波磨(直线)

近1个多世纪以来,铁路系统中直线段钢轨的短波磨耗始终是个尚未解决的难题。钢轨波磨不仅造成了噪声的污染,而且增加了养护维修费用。笔者以北京地铁4号线为例讨论钢轨异常波磨的现象和治理措施。

北京地铁4号线位于市中心区域,为满足环评对沿线振动及噪声控制的要求,采用了多种形式的减振轨道结构,然而开通运营1个月后,钢轨就出现了异常波磨现象。为此,课题组对该线的钢轨波磨现象进行了全线的调查、测试和评估。

1 调查结果

通过调查发现,该线的钢轨波磨情况有如下特点:1)除钢弹簧浮置板外,其余各种轨道结构形式均发现钢轨波磨现象,其中以减振器轨道结构区段最为严重。

2)采用减振器轨道结构的地段,不论直线(见图1)

收稿日期:2011-03-08

作者简介:郭建平,男,硕士,高级工程师,从事地铁轨道总体设计研

究工作

基金项目:北京市科委课题(Z101106000410004)

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4)梯形轨枕在某小半径(R=350m)曲线且坡度为16 的地段出现波磨,打磨周期为6个月。

5)普通道床地段也有波磨现象发生,但均为小半径曲线地段,或S曲线型头尾,且多产生在曲线下股。

从上述调查的规律看,减振器轨道出现钢轨波磨情况最为严重,也最为特殊,下文将重点对其进行论述。

内侧轨(310~330)。

在直线段和曲线段均发现波谷处硬度大于波峰处硬度,表明了波谷处受到了更大的压力。然而在直线段和曲线段发生波磨的钢轨表面磨痕光滑,测量中也未发现金属表面剥落的斑点,因此可推断塑性变形可能比表面疲劳磨损起了更大的作用。

2 轨道减振器地段出现波磨的原因

北京市轨道交通建设管理有限责任公司在北京市科委支持下成立课题组针对钢轨异常波磨的综合减振措施进行立项研究,同时4号线车辆供应商也进行了相关的研究工作。

2.2.3 减振器扣件轨距保持能力测试

根据对5号线的轨检、车检结果,5号线减振器轨

道轨距有超标现象。4号线由于实际情况,未进行动态轨距实测工作,但可以通过轨道减振器疲劳试验及试验中轨距变化及与弹性整体道床轨道在疲劳试验中的轨距变化,说明这一原因。

对弹性短枕枕式整体道床及某型轨道减振器进行疲劳试验和保持轨距能力试验对比结果如表1所示。从表中看出,轨道减振器保持轨距能力较差,在横向力的作用下产生轨距扩大,无法对钢轨的横向振动进行约束,加剧了轮轨间非正常接触,从而诱发和加剧波磨的产生和发展。

表1 疲劳试验及轨距保持对比

轨道类型

加载方式

疲劳试验情况 在垂向荷载为

40kN,横向荷载为20kN,经300万次疲劳试验后,无破坏和任何开裂

橡胶套靴在垂向荷载为60kN,横向荷载为60kN,经600万次疲劳试验后,无破坏和任何开裂

轨距保持情况 疲劳试验开始时,轨头横移平均值为3.6mm,当疲劳试验进行一段时间后,动态横向位移趋于稳定为2.9~3.1mm,轨底动态横向位移为2.1~2.3mm 经过200万次荷载循环后,轨距最大变化为2mm;支承块距离变化为1mm,到400万次已无变化

2.1 出现波磨的原因

初步的研究成果表明,北京地铁4号线钢轨异常波磨现象产生的原因有2个:

1)轨道减振器保持轨距能力较差,在横向力的作用下产生轨距扩大,无法对钢轨的横向振动进行约束,加剧了轮轨间非正常接触,从而诱发和加剧波磨的产生和发展。

2)减振器轨道与车辆转向架构架存在共振现象,导致异常波磨出现。

另有2个附加原因:

1)线路存在原始不平顺。因有些地段波磨打磨过后,未见再现异常波磨。

2)钢轨基体硬度多未达到U71Mn钢轨性能要求,致使钢轨波磨过早过快出现。

轨道减振器

DME试验机,加载时垂横向之比为2 1

2.2 调查情况及测试分析

为进一步明确轨道减振器地段钢轨异常波磨的原因,课题组做了调查及测试分析。

弹性短 加力架,加枕枕式载时垂横向整体道床之比为1 1

2.2.1 钢轨不平顺调查

由于运营之初没有对线路进行初始打磨,该线路

存在大量原始不平顺。2010年11月,委托铁道科学研究院金属化学研究所,对钢轨焊接接头垂直不平顺度进行检测,发现其合格率仅为27%。

相比之下,弹性整体道床轨道轨距保持能力大大高于轨道减振器。4号线轨道实际使用结果也证明这一结论,弹性整体道床轨距保持好,即使是在线型条件较差的s曲线区段,钢轨波磨的发生和发展程度都远低于轨道减振器区段。

2.2.2 钢轨硬度调查

钢轨基体硬度测量结果的平均值为HB251(未经

车轮碾压部分),小于U71Mn钢轨硬度平均值280HB,造成轨头磨耗快、易产生塑性变形,是形成异常波磨的一个重要原因;直线段上发生波磨的钢轨表面的硬度大约分布在HB310~350之间;曲线段发生波磨,经车轮碾压,钢轨表面发生硬化,硬化程度为曲线段外侧轨(410~430),远大于直线段钢轨(310~350)和曲线段

3 轨道减振器波磨的综合治理措施

根据上述分析原因,提出以下解决轨道减振器地段钢轨波磨问题的治理措施。

3.1 更换耐磨钢轨

钢轨硬度普遍偏低,造成轨头磨耗快、易产生塑性变

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形,是形成异常波磨的一个重要原因。提高钢轨硬度,是减少波磨、延缓波磨周期的最基本手段。建议在R<600m以下半径曲线地段及发生异常波磨地段均应换铺全长淬火钢轨,提高钢轨耐磨性,减少或延缓波磨现象发生。

外本线减振器为无枕式铺设,加密减振器可直接在道床表面进行锚固安装,施工速度较快,对原有轨道不拆除、只加强。建议在R 600m的曲线上使用。

3.2 轨道减振器扣件处理

根据上述的调查分析发现,对轨道减振器的处理措施应着眼于提高轨道横向刚度,增加轨道抵抗动态轨距扩大的能力,避免轮轨接触共振。为此,提出以下4个整治方案。

3.2.2 方案2:采用压缩型减振器

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