地鐵小半徑曲線輪軌界面摩擦管理對鋼軌波磨及噪音的控制研究

寇婷婷

（昆明地鐵運營有限公司，云南 昆明 650200）

地鐵列車在運行過程中，尤其是在半徑400m及以下小半徑曲線運行時，往往會產生尖嘯、轟鳴、振動等噪音，該噪音產生的主要原因是鋼軌波磨與振動，既有地鐵運營大多通過增設聲屏障、設置鋼軌抑磨阻尼裝置、鋼軌打磨、涂油等措施來解決噪音問題，但無法解決鋼軌波磨損傷的問題。

借鑒國內同行業對鋼軌波磨、噪音產生的機理及輪軌關系研究結論，當輪軌界面具有負摩擦特性的情況下，車輪在鐵軌上的橫向蠕滑力引發粘-滑振動，粘-滑過程中所釋放出來的能量能夠用于激發在輪軌系統中的尖嘯噪音，當車輪通過彎道的時候，粘-滑機理造成的振動引發輪輻的膜片式振蕩，通過輪軌界面摩擦管理改變輪軌界面的蠕滑曲線，對抑制鋼軌波磨產生、降低噪音有一定的作用。

本文以昆明地鐵為例，通過在軌道上安裝軌頂摩擦控制裝置，對輪軌表面摩擦系數進行調整，開展輪軌界面摩擦管理前后鋼軌波磨發展速度對比試驗及噪音對比試驗，明確輪軌界面摩擦管理對鋼軌波磨及噪音的控制效果，為后期鋼軌波磨及噪音的整改提供思路。

1 輪軌界面摩擦管理方法

車輪和鋼軌接觸面為鋼軌軌距角與車輪輪緣、軌頂（踏面）與車輪踏面接觸，鋼軌波磨損傷一般發生在軌頂與車輪踏面界面摩擦。通過輪軌軌頂摩擦管理，將軌頂與車輪踏面的摩擦系數調整為0.35左右，降低車輪踏面和輪緣磨損率，抑制鋼軌波磨的增長。軌頂摩擦控制方法主要為在運行線路上安裝控制裝置，通過控制裝置將摩擦調節劑涂覆到鋼軌頂面，依賴輪軌之間的反復接觸，摩擦調節劑在輪軌界面上相互轉移，對輪軌兩個界面進行摩擦管理。

昆明地鐵于2019年4月在區間上安裝控制裝置，安裝線路為小半徑曲線與長大下坡道重疊區域，曲線半徑350m，最大坡度27.9%，曲線超高h=120mm，設備安裝位置為列車運行的下行區段緩和曲線前的直線段（即下行區段為摩擦管理控制區段，上行區段未進行摩擦管理控制，上、下行區段統稱測試區段）。該區段軌道采用60kg/m、U75V鋼軌、單趾彈條扣件鋪設無縫線路，鋪設短枕承軌臺式整體道床。

設備安裝后，測試方法如下：（1）設備安裝后啟用前，對測試區段上、下行鋼軌波磨既有狀態及對應區段車廂噪音進行測量，作為基線數據，與后期軌頂界面管理試驗波磨增長數據及噪音數據對比，確定試驗效果。（2）銑磨鋼軌，使鋼軌恢復初始狀態，測量測試區段上、下行鋼軌波磨及車廂噪音數據，作為測試基礎數據。（3）讓測試區段上、下行鋼軌波磨按正常規律發展半年，測量測試區段鋼軌波磨及車廂噪音數據，對比上、下行區段鋼軌波磨增長趨勢及噪音變化情況。（4）啟用設備進行軌頂摩擦管理試驗，每三個月測量一次測試區段上、下行鋼軌波磨及車廂噪音數據，分析鋼軌波磨及噪音變化趨勢，對比上、下行鋼軌波磨增長趨勢及噪音變化情況，明確摩擦控制區段與非摩擦控制區段變化趨勢。（5）啟用設備半年后，最終測量測試區段波磨數據及車輛噪音數據，對比上、下行鋼軌波磨增長趨勢及噪音變化情況，明確摩擦管理試驗對鋼軌波磨及噪音的控制效果。（6）對比摩擦管理試驗及基線測量下行鋼軌波磨及車輛噪音數據，明確變化趨勢。

2 鋼軌波磨發展趨勢對比分析

鋼軌波磨數據測量分為基線波磨測量（輪軌軌頂界面管理試驗前）、鋼軌銑磨后波磨測量。主要測量方法是使用波磨儀在整個試驗曲線的鋼軌上股及下股表面連續移動，對一個區間的鋼軌波磨連續采樣，測試鋼軌表面不平順性，每次鋼軌波磨測量在基線測量時的同一地點的上股鋼軌和下股鋼軌進行，將每次測試數據進行對比分析。為便于分析，所有波磨測量數據都進行濾波處理，濾波范圍設為30～400mm，使用塊均方根（Block RMS）表示鋼軌波磨波幅有效值，由1/3倍憑程數據得到鋼軌表面顯著波磨的波長。

圖1 銑磨前上、下行曲線鋼軌表面不平順性頻譜特征

2.1 基線波磨數據分析

2019年4 月，鋼軌銑磨前，利用波磨儀對測試區段上、下行區段曲線的上、下股鋼軌表面不平順數據進行測量，對比不同鋼軌表面不平順性（圖1），可以發現：（1）上行曲線和下行曲線的下股鋼軌表面均存在明顯的波磨。（2）下行曲線下股鋼軌表面存在125～160mm范圍的特征波長的波磨，上行曲線下股鋼軌表面存在125mm的特征波長的波磨；上股鋼軌表面存在315mm特征波長的不平順。（3）下行線鋼軌表面波磨比上行線鋼軌表面的波磨更嚴重。

2.2 鋼軌銑磨后波磨增長趨勢分析

2.2.1 下行曲線波磨增長趨勢分析

在鋼軌銑磨恢復初始狀態后，4～9月未開啟軌頂摩擦控制裝置（以下簡稱干軌階段），10月開始開啟軌頂摩擦控制裝置，開展軌頂摩擦管理試驗（以下簡稱摩擦控制階段），對該階段下行曲線鋼軌表面不平順隨時間變化數據進行對比分析（圖2），可以發現下行曲線下股鋼軌的表面不平順在波長125mm處出現特征峰，峰值隨時間的增長而變化。

圖2 不同階段下行曲線鋼軌表面不平順性頻譜特征

采用鋼軌表面波長125mm處的不平順水平分析對應的波磨幅度變化，對比125mm特征波長在干軌階段和摩擦控制階段的變化速度，可以發現干軌階段125 mm處不平順水平的增長率為0.74dB re 1um/月；摩擦控制階段125mm不平順水平的增長率降為0.36dB re 1um/月。摩擦控制階段的不平順水平的增長率只是干軌階段的49%（圖3）。

圖3 不同階段下行曲線下股鋼軌波磨波長125mm不平順變化

2.2.2 上行曲線波磨增長趨勢分析

對干軌階段和摩擦控制階段上行曲線鋼軌表面不平順隨時間變化數據進行對比分析（圖4），可以發現下行曲線下股鋼軌的表面不平順在波長100～125mm處出現特征峰，峰值隨時間的增長而變化。

圖4 不同階段上行曲線鋼軌不平順性頻譜特征

采用波磨波長125mm處的不平順水平分析對應的波磨幅度變化，對比100mm特征波長在干軌階段和摩擦控制階段的變化速度，可以發現2019年4～9月段100mm處不平順水平的增長率為0.81dB re 1um/月；2019年4～9月100mm不平順水平的增長率降為0.96dBre 1um/月。對比125mm特征波長在不同時間段的變化速度，可以發現2019年4～9月125mm處不平順水平的增長率為0.75dB re 1um/月；2019年9月～2020年1月125mm不平順水平的增長率降為1.01dB re 1um/月（圖5）。

圖5 不同階段上行曲線鋼軌表面100～125mm特征波長不平順變化

2.3 上、下行曲線鋼軌波磨增長趨勢對比分析

對比鋼軌銑磨后上行曲線和下行曲線鋼軌表面125mm特征波長不平順水平在不同時間段增長速度，及銑磨后上行曲線和下行曲線與基線測量數據，可以得出以下結論：

（1）上行曲線未使用軌頂摩擦控制技術，鋼軌波長100～125mm范圍內的波磨的增長率隨時間增大。

（2）下行曲線上實施的軌頂摩擦控制對波磨增長的控制作用明顯，摩擦控制階段內下股鋼軌特征波長的不平順水平增長率小于干軌階段對應的增長率。摩擦控制階段特征波長增長率大約僅是干軌階段增長率的49%；下行曲線下股鋼軌摩擦控制階段的特征波長的增長率大約僅是上行曲線下股鋼軌同時期增長率的36%。

（3）截止2020年1月份，上行和下行曲線下股的不平順水平還未達到基線測量的水平。

3 車廂噪音數據對比分析

噪音數據測量與鋼軌波磨數據測量同步進行。測試地點在列車行車方向電客列車客室第三節車廂中后部，主要測量方法為登乘列車，將音頻測量儀放在測試地點，從列車在上一站車門完全關閉時候開始，至列車到達下一站完全停止時結束，作為一組測試數據。每次測試5組數據，所有階段的區間噪音測試同一列車（兩次試驗間未鏇輪）同一位置。數據測試完成后，將試驗前后噪音測試數據分析所得的平均最大噪音值、平均等效連續噪音級進行對比分析。

從測試數據的對比分析可以看出（圖6、7）：（1）鋼軌打磨前，列車在上行曲線和下行曲線上運行時，上行噪音和下行噪音大小相當。（2）鋼軌打磨后，下行曲線施加摩擦控制前，上行噪音和下行噪音水平大小相當，相比于打磨前均有所降低。（3）下行曲線施加摩擦控制后，2020年1月測量值相比于2019年4月測量值，平均最大噪音降低3.4dBA，平均等效連續噪音降低2.8dBA；（4）上行曲線未施加摩擦控制，2020年1月測量值相比于2019年4月測量值，最大噪音降低降低0.3dBA，平均等效連續噪音降低0.0dBA；（5）下行曲線施加摩擦控制后，無論是同一條曲線不同鋼軌狀態下的噪音對比，還是和上行曲線的噪音對比，都顯示了摩擦控制良好的噪音控制效果。

圖6 上行曲線和下行曲線不同時間內車內噪音平均最大噪音級

4 結語

從上述測試數據對比可以得出，軌頂摩擦控制對鋼軌波磨和噪音的控制效果明顯，輪軌界面摩擦管理是解決鋼軌波磨的一個有效途徑。但本文仍有一些不足，有待后續繼續研究明確：

（1）測試時間有限，測試數據僅代表測試時間段的鋼軌波磨發展趨勢，輪軌界面摩擦管理對鋼軌波磨發展的效果還需繼續觀察測試。

圖7 上行曲線和下行曲線不同時間內車內噪音平均等效連續噪音級

（2）開展輪軌界面摩擦管理試驗前數據欠缺，導致試驗前后鋼軌波磨增長趨勢對比缺失，數據依據缺少。