軌道精細化維修對振動噪聲及節能的影響

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展，節能降耗及振動噪聲問題已逐漸成為人們關心的熱點問題。對于節能降耗問題，大多研究主要集中于運行交路、節能坡、再生制動、曲線限速、進出站運行控制、停站時間調整等方面[1-3]或者是列車操縱策略、列車自重及載重對能耗的影響[4-6]；對于減振降噪問題，大多數研究致力于車輛以及軌道結構的選型[7-8]。現階段關于軌道維修對節能降耗的影響或是減振降噪的影響研究較少，且將兩者結合起來，以工程實踐量化其效果的研究未見報道。北京京港地鐵有限公司（簡稱“京港地鐵”）在確保軌道設施狀態安全可靠的基礎上，持續探索如何能進一步提高線路質量、改善乘車舒適性、降低運營成本，研究了軌道與振動噪聲及能耗之間的關系，采用軌道精細化維修的方式有效實現了節能降耗及減振降噪的目標。

1 軌道與振動噪聲及能耗

列車在運行過程中，因摩擦、沖擊、線路條件等阻力因素產生振動和噪聲等能量損耗。行車阻力可分為基本阻力和附加阻力，其中基本阻力包含：車軸軸承摩擦阻力、輪軌間滾動摩擦阻力、輪軌間滑動摩擦阻力、沖擊阻力、空氣阻力；附加阻力包含：坡度附加阻力、曲線附加阻力、隧道附加阻力[9]。在運營階段，通過改善軌道狀態以減小輪軌間阻力以及沖擊是實現減振降噪以及節能減排的有效手段。

2 軌道精細化維修措施

2.1 改善軌道質量指數（TQI）

軌道質量指數（TQI）是一套評價軌道質量狀態的先進技術，主要包含7項因素：水平、左高低、右高低、左軌向、右軌向、三角坑和軌距，以200 m為一個單元區段，對檢測結果進行統計與計算獲得，通過對這些因素進行測量，可實現對線路幾何形態的描述測評[10]。TQI指數越低，表明該區段狀態離散的程度越小，軌道的平順性越好，列車運行過程中產生的振動噪聲及能量損耗越少。

2014年，在北京地鐵14號線率先引入TQI管理概念，并制定遠高于DB11/T 718-2016《城市軌道交通設施養護維修技術規范》[11]中“TQI不超過14.51”的控制標準，提出優質線路的TQI值控制在8以內的目標。

由于地鐵線路曲線多、半徑小，縱坡變化頻繁，經常出現豎緩重合的現象，導致線路的平順性很難控制，TQI很容易超標，尤其是部分豎曲線地段設計標高與實際標高相差較大，是維修養護的難點。線路團隊不斷改進整改技術，成功將TQI值控制在8以內：①開展了細致的現場測量，研究曲線擬合方法、編寫擬合程序，優化整改方法；②采用新型軌檢儀，將現場數據輸入程序，自動生成TQI整改方案，既節省人工計算和現場確認的時間，也提高作業效率和作業質量。

2018年，北京地鐵14號線的整改技術及成果普及到其他線路：16號線的TQI值成功控制在8以內，4號線和大興線的TQI標準值提高到10以內，各線平順性明顯改善。

2.2 開展鋼軌廓形管理

2.2.1 鋼軌預打磨

預打磨是對鋪設上道后新鋼軌的打磨，去除脫碳層，消除焊縫不平順和運輸、施工中產生的初始缺陷。實踐表明在新線開通前或開通3個月內進行鋼軌預打磨，在運營初期其波磨、剝落掉塊等疲勞傷損發展時間較不進行預打磨延長至少50%。除新線外，線路團隊在既有線換軌段也進行了鋼軌預打磨處理，有效延緩了軌面不平順的產生，減小了行車阻力。

2.2.2 鋼軌定制化打磨

鋼軌定制化打磨技術旨在通過跟蹤觀測不同地段鋼軌廓形及磨耗、波磨、魚鱗紋等數據狀態變化規律，結合車輪踏面與鏇修周期、車速、線路線形、軌道結構等因素，制定適用于不同地段的鋼軌目標廓形。同時，利用專業有限元分析軟件，進行輪軌匹配與接觸應力分析，優化鋼軌設計廓形，與專業公司合作，提供更細致的定制化鋼軌廓形設計。

通過鋼軌定制化打磨可減緩鋼軌疲勞傷損及波磨的發展，改善鋼軌表面平順性，同時改善輪軌接觸關系[12-13]，有效降低輪軌接觸產生的振動及噪聲，減小輪軌間摩擦阻力，減小沖擊力。

2.2.3 鋼軌打磨質量指數（GQI）應用

鋼軌打磨質量指數（GQI）代表實測廓形與目標廓形的貼合程度[14]，其值介于0～100之間，GQI值越高說明貼合度越高。為更好地評價鋼軌修廓打磨質量，打磨團隊改變了原有廓形評價方法（通過測量鋼軌打磨軌頭范圍內實測廓形與目標廓形最大偏差和不密貼角度對區段打磨質量進行驗收，見圖1），在維護維修過程中引入了GQI。

GQI指標制定的關鍵是合理設置軌頭分區（圖2）、權重及偏差允許值。對于曲線上、下股和直線，鋼軌與車輪的接觸形式不同，要求在計算不同位置的鋼軌GQI時，需要對軌頭分區分配不同的權重，以體現重點位置的差異性；如果偏差允許值定的過松，則達不到精細化的要求，如果定的過嚴，則超過了維修的精度。打磨團隊經長時間的摸索與試驗驗證，現已結合線路實際情況，制定了企業評價標準，實現了鋼軌廓形及鋼軌打磨質量的有效管控。

2.3 道岔精修

為有效改善道岔狀態，提升整體平順性，線路團隊制定了多種改善措施：

（1）制定遠高于北京市地方標準和行業標準的道岔精檢細修標準，精調軌距、水平、高低、滑床板離縫等幾何尺寸；

（2）采用角磨機手工制作楔形滑床板墊片，進行滑床板離縫調整工作，以解決短軌枕施工誤差造成的滑床板離縫問題；

圖1 原有廓形評價方法

圖2 GQI計算的軌頭分區示意圖

（3）開展磨耗嚴重的道岔轉轍配件更換工作時，結合現場情況，考慮對磨耗尖軌、基本軌等一同更換，同時對滑床板平整度進行精修。

以上措施已在既有線推廣應用，并取得顯著效果。以北京地鐵14號線為例：14號線西段、東段自運營起，輪軌摩擦及沖擊嚴重，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，金臺路站岔26-2、岔26-5等出現了嚴重的道岔側磨，其曲線尖軌、基本軌與導曲線鋼軌最短使用壽命為4～5個月，遠低于鋼軌的正常使用壽命。為此，按照企業標準對道岔實施精檢細修，對幾何尺寸及短軌枕不平問題進行精細調整，同時對尖軌進行1 : 70的內傾角度調整。調整后，道岔導曲線鋼軌側磨和折返岔區尖軌側磨發展速率明顯降低，鋼軌件使用壽命較之前平均延長2.5倍以上，同時降低了輪軌摩擦和沖擊，繼而實現減振降噪及節能降耗的目標。

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，尤其是小半徑曲線地段，軌底坡在軌排移動、運輸、軌道幾何尺寸精調過程中，由于約束剛度不足，極易發生變化。軌底坡不良可能會引起輪軌接觸匹配不良，造成輪軌滾動接觸疲勞，鋼軌磨損嚴重，波磨及幾何形位不良加速發展，軌道部件折斷失效等[15-16]。

線路團隊采用傾角儀對曲線短枕地段進行軌底坡測量，并計算實際軌底坡與設計值之差及離散率，通過在鐵墊板下設置不同角度組合的楔形墊板調整軌底坡，確保軌底坡在合理范圍內。在軌底坡整改過程中，同步檢查線路軌距、水平、高低等幾何尺寸，將其偏差控制在允許范圍內。

2.5 消除鋼軌接頭

鋼軌接頭處的結構不平順及接頭不正常磨損，如錯牙、肥邊、鞍形磨耗等，均會使列車運行時受到較大沖擊[17]。利用氣壓焊消除鋼軌有縫接頭可以進一步提高鋼軌平順性，同時杜絕接頭病害產生，還能降低振動及噪聲。另外在直流供電的情況下，鋼軌作為負極，消除接頭可以使得負極的電阻大大降低，對節能也做出貢獻。

3 工作成效

隨著軌道精細化維修工作的有序開展，目前北京地鐵14號線及16號線實現TQI≤8，4號線及大興線普通短軌枕地段TQI≤10，其他地段TQI≤12，全線平均噪聲降低4.2 dB（A），乘客體驗明顯改善。2016年—2018年在4號線年均客流增長0.90%、大興線年均客流增長2.93%的情況下，正線每車 · 公里電耗未發生明顯變化。換言之，4號線和大興線在幾乎沒有增加任何牽引電耗的情況下，每年多運送乘客730萬人次。正線列車單耗變化詳見圖3。

圖3 2016年—2018年正線列車單耗變化

4 結語

在軌道狀態及維修質量控制方面，京港地鐵實現了高標準、嚴要求，并執行了改善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，目前在減小振動和噪聲、降低車輛運行能耗方面的工作成效已明顯顯現。未來，線路團隊將持續開展軌道精細化維修工作，不斷進行技術優化與突破，提升乘客及居民體驗，降低能源消耗。