大兴机场线轮轨垂向力分析及控制标准研究

李春翔，祖宏林，徐 栋，陈万里

（1. 北京市轨道交通运营管理有限公司，北京 100068；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081）

1 大兴机场线轮轨力检系统

北京大兴机场线是全国首条运营速度160 km/h的城市轨道交通线路，为提高线路维护质量，首次采用连续测量轮轨力检测系统对轨道缺陷进行检测。大兴机场线运营电客车由青岛四方机车车辆股份有限公司生产，为4动4拖8编组列车，如图1所示。连续测量轮轨力检测系统安装在08号旅客列车一位端，因为安装在运营车辆上，该系统采用先进的旋转遥测技术替代传统的集流环，测力轮对不需要在车轴上加工穿线斜孔，将测力轮对使用寿命延长至等同普通轮对，同时也避免了因为轮对轴探伤带来的大量维护工作。数据可通过车地LTE网络实时传输到地面控制中心，使其具有非接触、远程操控和无人值守等特点。

图1 大兴机场线运营车辆——白鲸号图

2 大兴机场线现有轮轨垂向力管理

2.1 轮轨垂向力现有控制标准

大兴机场线作为城市轨道交通中首条引用连续测量轮轨力日常检测的线路，无相关数据和经验可供参考。因此在运营初期，参考《高速铁路工程动态验收技术规范》（TB 10761-2013）中4.3章节的相关规定，制定了轮轨垂向力的控制标准，如表1所示。然而将该标准应用在指导大兴机场线轨道维护实践过程中发现，该标准过于宽松，不能全面有效地发现不同程度的轨道病害，因此需进一步对大兴机场线轮轨垂向力控制标准进行探究。

表1 轮轨垂向力控制标准 kN

2.2 轮轨垂向力检测实例

大兴机场线正线采用移动闪光焊技术焊接，依据《钢轨焊接 第1部分：通用技术条件》（TB/T 1632.1-2017）第6.1章节规定，对不同焊缝顶面a1、侧面b1平直度控制标准如表2所示，a1作为顶面平直度检查参数，以0 mm≤a1≤0.3 mm为控制标准。

表2 焊缝平直度控制标准 mm

大兴机场线运营开通前，运用连续测量轮轨力检测系统检测到2处典型的焊缝问题。

（1）下行K34 + 155处焊缝。线路开通前下行K34+155处焊缝检测到轮轨垂向力最大值达到121.0 kN，主波长0.77 m，检测波形图如图2所示。现场检查发现，该处焊缝翘头情况严重，轨顶面a1幅值为1.75 mm，如图3所示，另外轨下检查发现，焊缝前后连续4处轨枕空吊，最大空吊6 mm，病害严重程度远超出了相关控制标准。

图2 下行K34+155轮轨垂向力检测波形图

图3 下行K34+155焊缝平直度检查照片

（2）下行K20+511处焊缝。线路开通前下行K20+511处焊缝检测到轮轨垂向力最大值达到133.5 kN，主波长0.91 m，超出基准值13.5 N，检测波形图如图4所示。现场检查发现，该处轨缝严重低塌，轨顶面a1幅值为-1.3 mm，如图5所示。

图4 下行K20+511轮轨垂向力检测波形图

图5 下行K20+511处焊缝严重低塌照片

2.3 轮轨垂向力现有控制标准存在的问题

在大兴机场线开通运营前，依据现有标准，通过轮轨力检测系统准确发现了轨道病害，并及时对轨道病害进行了整治，未发生由于异常轮轨垂向力作用造成轨道结构的损坏。对下行K34 +155和K20 + 511这2处钢轨焊缝问题处理后，除路基段岔区外，全线轮轨垂向力基本分布在100 kN以下，但开通运营后随着运营时间增加，小半径曲线的肥边和鱼鳞纹现象以及焊缝位置伤损开始陆续出现。从以上2个典型测试案例也可以看出，轮轨垂向力采用120 kN限度值，其对应的轨道病害均超过了1 mm，远远超出了相关标准中规定的0.3 mm限度值，现有控制标准过于宽松。

依据现有轨道维护相关规定，大兴机场线小半径曲线平均每年执行1次打磨工作进行钢轨维护；钢轨焊缝方面，全线焊接接头总计6 286个，在例行探伤检测中发现编号为SK05-12ZS的焊缝出现轻伤，对该位置现场检查，轨道几何状态良好，联结构件正常，但焊缝平直度存在低接头现象，回放轮轨力检测数据发现该处轮轨垂向力实测最大值达到了93 kN，数据偏大，因此判断长期较大的轮轨垂向力作用是造成该焊缝轻伤的主要原因。

依据现有标准，通过轮轨垂向力虽然可以检测钢轨焊缝严重的病害，但未考虑高铁与城市轨道交通在运营方面的差异，仅仅照搬沿用高铁轮轨垂向力控制标准并不能满足对城市轨道交通线路维护的现场需求，因此，需要从现场维护角度及时发现不同程度的病害，并将该病害处轮轨垂向力长期作用造成的轨道伤损作为依据，细化轮轨垂向力控制标准。

3 大兴机场线轮轨垂向力分析及控制标准建议

3.1 轮轨垂向力数据分布

以1 s的检测数据为样本，对大兴机场线全线非道岔区段轮轨垂向力检测数据进行统计分析，图6给出了2020年1月和4月轮轨垂向力检测数据统计分布图。

图6 下行K20+511轮轨垂向力检测波形图

鉴于探伤检测中焊缝轻伤位置实测轮轨垂向力为93 kN，考虑安全裕量，将统计的起始值定为80 kN。2 次检测数据统计显示，1月份全线大于80 kN的垂向力68处，占比2.9%。4月份全线大于80 kN的垂向力83 处，占比3.6%。

对实测轮轨垂向力超出80 kN的位置进行现场复核统计分析，68%为焊缝，29%为轨缝，另外3%为小半径曲线。轨缝因其结构特殊，本文不进行详细分析研究，重点对焊缝和小半径曲线的轮轨垂向力及轨道缺陷的对应关系进行分析。

3.2 轮轨垂向力80 kN以上焊缝现场调查

对实测轮轨垂向力超出80 kN的焊缝进行现场检查发现，焊缝a1值均超出0 mm≤a1≤0.3 mm管理限度值，其中焊缝凸起最大值为1.22 mm，低塌最大值为-0.62 mm。现场调查中，这些位置的钢轨特征主要表现为3种现象：①焊缝轨顶位置约30 mm长度的光带变窄，通常为焊缝凸起值较大造成的；②在焊缝前后位置有2处明显的磨痕，一般相距100 mm左右，如图 7a所示，通常为焊缝低塌造成的；③光带单边偏移，如图 7b 所示，通常为焊缝低塌导致轮轨接触面发生变化造成的。

图7 垂向力80 kN以上焊缝现场检查

3.3 轮轨垂向力 80 kN 以下焊缝现场调查

2020年4月焊缝a1值调查显示，全线a1值超限凸起焊缝和低塌焊缝比约为3 : 1。根据该比例情况，从实测轮轨垂向力小于80 kN的a1值超限焊缝中抽查了30 个凸起焊缝和10个低塌焊缝，抽查样本中焊缝凸起最大值0.92 mm，低塌最大值-0.48 mm，虽然均超出了a1控制限度值，但这些焊缝行车面光带未发现明显变化，用电子平直尺测试都有高低不平顺变化相对平缓的相同特征，典型平直度检查图形如图8所示。这些焊缝位置实测轮轨垂向力波形特征较弱，杂波少，且波动幅值小，如图9所示。

图8 a1值超限、垂向力小于80 kN的焊缝平直度检查

图9 a1值超限、垂向力小于80 kN的焊缝位置实测轮轨垂向力波形图

可见虽然焊缝a1值超限，但如果高低不平顺变化平缓，就不会造成较大的轮轨垂向力作用，对钢轨造成的伤损影响较小，因此对这些焊缝进行维护的紧迫性不大，可以暂时不进行维护，但应长期跟踪监测轮轨垂向力是否随时间有增大的趋势再决定是否进行维护。

3.4 轮轨垂向力超80 kN小半径曲线现场检查

以大兴机场线上行K42～K43两段半径分别为800 m和600 m的曲线进行分析。4月份检测数据发现，在下行K42 + 656轮轨垂向力达84 kN，高于80 kN，主要是因为曲线超高设置与通过速度不匹配引起了车辆偏载。对该区段实地检查发现，曲线下股钢轨光带向外侧偏移，曲线上股钢轨轨距角发生一定程度的磨损，伴有肥边以及鱼鳞纹情况的出现。因此有必要通过优化曲线超高设置尽量降低偏载，减小轮轨之间的作用力，减缓钢轨肥边和鱼鳞纹的产生。

3.5 轮轨垂向力控制标准建议值

基于北京大兴机场线轮轨垂向力检测数据统计及钢轨焊缝和小半径曲线现场调查情况，从降低钢轨伤损指导线路养护的角度提出将大兴机场线轮轨垂向力控制目标值定为80 kN，对于正线轮轨垂向力大于80 kN的位置建议参考几何轨检二级超限的要求进行维修养护。基于现场调查及2次重点问题的发现，提出将120 kN定为大兴机场线轮轨垂向力的警告值，对于正线轮轨垂向力大于120 kN的位置建议参考几何轨检三级超限的要求及时进行维修养护。

4 结束语

大兴机场线作为国内首条开通的160 km/h的城市轨道交通线路，在轨道检测技术方面创新性地采用了连续测量轮轨力检测系统，该系统可以有效地对轨道状态进行检测，轮轨垂向力在钢轨顶面的短波不平顺检测方面的优势尤为突出，但目前轮轨垂向力的控制标准过于宽松，本文通过大量的实测数据统计和现场复核，提出了大兴机场线轮轨垂向力控制标准建议值，实践表明该标准建议值可有效发现线路不同程度的病害，为列车安全运行及线路养护管理提供科学指导。