城市轨道交通钢轨波磨评价指标及打磨验收标准探讨

吴宗臻，王文斌

(中国铁道科学研究院 城市轨道交通中心，北京 100081)

钢轨波磨是指在轮轨滚动接触表面出现的类似波浪的规律性不均匀磨耗现象[1]。与轨面擦伤、焊缝不平、剥离掉块等伤损形式不同，钢轨波磨具有显著的周期性特征。钢轨波磨产生机理复杂，治理困难，世界上约40%的轨道曲线段都会产生波磨危害[2]。

近年来，随着城市轨道交通的飞速发展，随之而来的轨道系统病害也日益引起关注。城市轨道交通曲线众多，轨道形式多变，车辆频繁加减速，导致钢轨波磨成为城市轨道交通的主要问题，显著影响着城轨运营安全及养护维修效率。由于城轨独有的特点，其钢轨波磨种类及特征与大铁路不同。城轨波磨病害发生范围广，发展迅速，以100 mm以下短波波磨为主，波磨特征和减振轨道(扣件)类型高度相关。

在钢轨波磨研究中，其评价指标及打磨验收标准是其中一个重要方面。科学的钢轨波磨评价指标可以指导波磨机理研究，给出波磨发展的准确预测，指导钢轨打磨维保周期，并可以科学评价打磨质量。本文将对国内外钢轨波磨评价指标及打磨验收标准的异同进行梳理分析，并给出城轨实测案例及后续研究建议。

1 我国钢轨波磨评价指标及打磨验收标准

我国城轨针对钢轨波磨的评价依据为《铁路线路维修规则》(铁运[2006]146号)[3]，评价指标仅包含波长、波深等参量。该文件规定，以钢轨头部磨耗、钢轨波浪形磨耗程度等为参考，将钢轨伤损分为轻伤和重伤2类。当钢轨波磨超过钢轨轻伤标准规定的波深0.5 mm后，应及时进行打磨维护(表1)。进行钢轨打磨后，钢轨表面不平度应<0.2 mm(表2)。

表1 《铁路线路维修规则》钢轨波磨打磨限值[3]

但现行的这种单一的测量及评价指标过于粗糙，且打磨后0.2 mm的验收标准过于宽松，不利于针对钢轨异常波磨的详细分析及提出合理的维护养修计划。

表2 《铁路线路维修规则》钢轨打磨验收标准[3]

2 国外钢轨波磨评价指标及验收标准

国外铁路界对钢轨波磨的研究已经持续了上百年，但对钢轨波磨的规范化测量及评价一直未重视，直到20世纪90年代，铁路界对滚动噪声发生的机理有了更深入的认识，逐步建立了包含钢轨波磨在内的钢轨表面不平顺的评价方法，并提出了欧洲典型的钢轨表面短波不平顺评价体系，开始了钢轨波磨测量标准以及评价体系的系统研究[4]。

目前国外与钢轨波磨的测量及评价有关的标准主要有：①《铁路专用标准 声学 轮轨系统引起的噪声测量》(BS EN ISO3095:2013)[5]，根据轮轨噪声排放与钢轨表面粗糙度的关系的研究，提出了钢轨表面粗糙度的1/3倍频程波长谱限值；②《铁路专用标准 轨道 工程验收：钢轨打磨、铣磨和刨磨验收标准》(BS EN 13231-3:2006)[6],根据窗长给出了钢轨打磨后的验收标准；③《铁路专用标准 噪声排放 与引起轮轨滚动噪音相关的钢轨表面短波不平顺的测量》(BS EN 15610:2009)[7]，规范了钢轨波磨的测量要求及方法。

2.1 钢轨表面不平顺粗糙度级

规范BS EN ISO3095:2013使用钢轨表面不平顺粗糙度级Lr作为波磨的评价指标，采用1/3倍频程波长谱的形式对钢轨波磨进行分波长的描述。

该规范以一些线路条件极好的轨道的钢轨表面短波不平顺测量数据为背景，采用统计的方式对其短波不平顺功率谱进行分析，然后根据轮轨噪声排放与钢轨表面粗糙度的关系，给出了钢轨表面不平顺粗糙度级容许的1/3倍频程谱限值(图1)。

图1 钢轨表面不平顺粗糙度级限值

其中，每个中心频率点处的不平顺粗糙度级为

(1)

式中：Lr为钢轨表面不平顺粗糙度级，dB;rrms为钢轨表面波磨幅值有效值，μm；r0为钢轨表面短波不平顺参考值，取为r0=1 μm。

原则上实测的钢轨表面不平顺粗糙度级不能超过图1中的限值，但是由于该规范中没有针对钢轨焊缝、轨头伤损等不连续点进行滤波处理，所以在波长为1～8 cm范围内，测试区段的波磨评价在以下2种情况下均认为不超限：①单频带范围内的短波不平顺粗糙度级不超过限值6 dB；②最多3个连续频带的短波不平顺粗糙度级不超过限值3 dB(图2)。

图2 超限修正说明

2.2 钢轨打磨验收标准

欧洲铁路联盟及主要的打磨机械生产商为规范钢轨打磨工艺及评价打磨效果，经过近10年的研究，制定了钢轨波磨的测量及评价标准，形成了标准BS EN 13231-3:2006，为制定合理的打磨计划提供了重要的数据支持。

该标准规定了钢轨表面短波不平顺的打磨验收标准，即经过钢轨修正性打磨后在钢轨上允许残留的短波不平顺。规范采用移动波深幅值峰-峰平均值PPR、移动波深幅值有效值的平均值RMS、固定测量长度内的超限比等参量作为钢轨表面不平顺的评价指标。将与波磨相关的波长范围分为10～30，30～100，100～300，300～1 000 mm这4个部分，分别规定了移动波深幅值峰-峰平均值PPR、移动波深幅值有效值平均值RMS的容许限值(表3)。

PPR的计算方法如图3和式(2)所示。

(2)

RMS的计算方法如图4和式(3)所示。

表3 标准BS EN 13231-3:2006中分析窗长及容许限值[6]

图3 PPR计算示意

图4 RMS计算示意

(3)

式(2)、式(3)和图3、图4中，L为分析窗长，取值见表3。

由于实际情况存在钢轨焊缝或接头伤损，很难保证钢轨全部达到该容许限值的要求，因此标准给出了不同波长范围的100 m钢轨长度的PPR和RMS的容许超限比(表4)，以此作为钢轨打磨后的验收指标。

表4 每100 m钢轨PPR和RMS容许超限比[6]

3 国内最新研究进展

3.1 ISO3095规范的引进

2011年，我国颁布了《声学 轨道机车车辆发射噪声测量》(GB/T 5111—2011)[8]，该标准作为推荐性国家规范，引入了BS EN ISO3095:2005的主要内容。但2013年以后ISO3095限值已经更新，ISO3095:2013相对于ISO3095:2005的限值更加严格(图5)。

图5 ISO3095规范2005版和2013版的限值区别

3.2 高速铁路打磨验收标准

分波长波磨评价及验收标准的研究首先在高速铁路领域实施。2014年，中国铁路总公司印发了《高速铁路钢轨打磨管理办法》(铁总运[2014]357号)[9]，该文件明确给出了高速铁路钢轨波磨病害的整治标准及测量方法，其打磨限值比《铁路线路维修规则》中规定的0.5 mm更为严格，规定平均谷深达到0.04 mm或最大谷深达到0.08 mm，波长不大于300 mm时，即可针对钢轨波磨进行整治(表5)。

该文件借鉴了标准BS EN 13231-3:2006中分析窗长、容许超限比的验收方法，依然是分10～30，30～100，100～300，300～1 000 mm 这4个窗长，分别给出了适用于高速铁路的打磨验收标准限值(表6)。

但由于城市轨道交通与高速铁路在车辆类型、线路条件、运行速度、轨道类型等方面都有很大差异，因此城轨相关波磨评价及验收指标并不能照搬高铁要求，需要开展针对性的研究制定。

表5 《高速铁路钢轨打磨管理办法》钢轨病害整治限度[9]

表6 《高速铁路钢轨打磨管理办法》打磨验收标准[9]

4 实测案例

为了直观地看出不同评价指标对钢轨波磨程度评价及打磨要求的区别，选取地铁某线的典型波磨区段作为实测案例进行对比分析。该区段为半径470 m曲线段，现场观察在其中一段内轨存在短波波磨，但目视波深较浅。该区段在1年运营期内发生了大量的扣件T形螺栓断裂现象。

采用连续波磨测量设备进行钢轨表面不平顺测试后，按照ISO3095标准计算粗糙度级，结果见图6，在25 mm典型波长上超出ISO3095限值达18.44 dB。

图6 钢轨表面不平顺粗糙度级

按照BS EN 13231-3进行10～30 mm波长段PPR的计算，结果见图7，在K3+700—K3+900范围PPR超过30 μm，大幅超出BS EN 13231-3限值(10 μm)。

图7 10～30 mm波长段的 PPR

综合粗糙度级和PPR的分析结果表明，此区段存在严重的25 mm短波波磨，PPR和粗糙度级都严重超限，已经需要进行打磨维护。

图8 实测钢轨表面不平顺(0～100 mm滤波)

但按我国现行的《铁路线路修理规则》要求，钢轨波磨0.5 mm定义为轻伤，才达到钢轨病害整治限度。将实测钢轨表面不平顺进行100 mm以下滤波后(波磨主要频段)，在严重区间取1 m范围的典型区段(图8)，可以看出1 m范围内大约有40个周期，波磨特征波长也在25 mm左右，与粗糙度级计算结果相符。最大波深-波谷量值仅为0.05 mm左右，远未达到0.5 mm 的现行打磨标准，但是严重短波波磨引起的高频振动已经导致了T形螺栓断裂病害。这也反映出目前采用的波磨评价指标的不合理，需要针对城轨开展科学的钢轨波磨评价指标的研究。

5 结语

欧洲许多铁路养护维修管理较发达国家已经研究发现了短波波磨会对轮轨高频噪声、轨道系统的损伤以及车辆转向架的病害产生直接影响，通过多年系统研究，得出了较为科学的分波长波磨评价方法，并制定了钢轨打磨、铣磨验收标准来指导钢轨波磨养护工作。

在这方面我国钢轨波磨评价指标及打磨维护规范指标单一且量值相对宽松，不能分波长进行评价。对于运营影响较大的短波波磨的治理缺少借鉴和引入国际先进维护方法和管理理念，间接造成了国内轨道和车辆病害频发的现状。这也需要我们加深理解建设和运维的特点，逐渐引入国际先进的规范和标准，直至形成我国基于建设和运维管理的先进标准体系。

[1]王二中,郭星利,张丽平.延缓钢轨波磨发展与降低噪声的试验研究[J].铁道建筑,2015,55(8):109-110.

[2]温泽峰.钢轨波浪形磨损研究[D].成都:西南交通大学,2006.

[3]中华人民共和国铁道部.铁运[2006]146号 铁路线路修理规则[S].北京:中国铁道出版社,2006.

[4]张厚贵.北京地铁钢轨波磨的机理及整治方案研究[D].北京:北京交通大学,2015.

[5]European Committee for Standardization.BS EN ISO3095:2013(E).Acoustics-Railway Applications-Measurement of Noise Emitted by Railbound Vehicles [S].London:British Standards Institution,2013.

[6]European Committee for Standardization.BS EN 13231-3:2006.Railway Applications-Track-Acceptance of Works-Part3:Acceptance of Rail Grinding,Milling and Planning Work in Tracks[S].London:British Standards Institution,2006.

[7]European Committee for Standardization.BS EN 15610：2009.Railway Applications-Noise Emission-Rail Roughness Measurement Related to Rolling Noise Generation[S].London:British Standards Institution,2009.

[8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 5111—2011 声学 轨道机车车辆发射噪声测量[S].北京:中国标准出版社,2011.

[9]中国铁路总公司.铁总运[2014]357号 高速铁路钢轨打磨管理办法[S].北京:中国铁道出版社,2014.