无锡地铁1、2号线小半径曲线钢轨减磨降噪方案调研分析
摘 要：地铁线路走向通常受到城市规划、投资规模、工程地质条件等因素影响，不可避免出现小半径曲线。列车通过小半径曲线时，由于轮轨之间存在导向力和冲击角，轮缘与钢轨将产生摩擦噪声、侧磨或波磨，影响运营安全及舒适性。通过调研分析了小半径区间钢轨减磨降噪方案，结合无锡地铁特点，提出了适用于自身的方案，可为类似工程提供借鉴。
关键词：地铁；小半径曲线；钢轨；减磨降噪；方案
1 引言
小半径曲线是城市轨道交通线路三大薄弱环节之一，车辆在小半径曲线长期运行时，可能会出现钢轨波磨、侧磨以及轮轨尖叫声等，影响列车运行舒适性甚至安全。
2 小半径曲线段钢轨磨损分析
列车通过小半径曲线时，由于轮轨之间存在导向力和冲击角，轮缘与钢轨轨头侧面间产生摩擦噪声，当轮轨间接触点压强超过钢轨的屈服应力时，钢轨产生侧磨或顶面波磨的可能。
2.1 三种摩擦引起的三种力
所有的滚动接触中都存在微量的滑动（蠕滑）。蠕滑有3种形式，伴随每种形式各有3种摩擦形式，分别是：（1）纵向摩擦（滚动方向），车辆车轮制动需要纵向摩擦力，机车车轮牵引和制动同样需要摩擦力。（2）横向摩擦（垂直于钢轨），在通过曲线时只需要很小的横向摩擦力。横向摩擦力过大会损坏轨道，造成钢轨过量磨损和能量损耗。（3）旋转摩擦（转动），旋转蠕滑及摩擦量很小，其影响也很小。钢轨磨损的主要原因是轮轨相互作用时产生巨大的接触应力和蠕滑率。列车在直线上运行，也不是纯粹的滚动摩擦，而是在滚动中潜伏着少量滑动摩擦，这是直线地段钢轨发生磨损的原因之一。当列车进入曲线地段，蠕滑有所增加，所以曲线地段钢轨顶面及工作边的磨损要比直线地段大一些。曲线上股钢轨由于列车转向架中第一轮轮缘紧挨着轨头内侧，当轨头和车轮几何尺寸不相吻合时，造成轮轨接触面积小，接触应力增大。接触应力大，蠕滑率高，导致轮轨磨损加剧。
2.2 轮轨磨损的形式
轮轨的磨损形式主要分为轨头与轮缘的磨损和轨顶与踏面的磨损。
3曲线段钢轨减磨降噪方案调研
为有效减缓开通后小半径曲线地段钢轨磨耗，延长轨道维护周期和使用寿命，降低线路养修成本，控制轮轨摩擦噪音，改善周边环境，对上海、南京、沈阳及北京地铁钢轨减磨降噪方案进行了调研。 目前通常采用的钢轨减磨降噪方案由阻尼钢轨、轮轨润滑装置、减磨防脱护轨等几种方案。
3.1 阻尼钢轨
阻尼降噪钢轨由来已久，传统的阻尼钢轨有TMD调谐质量阻尼钢轨(吸振器)、自由阻尼钢轨、及约束阻尼钢轨等。TMD调谐质量阻尼钢轨(吸振器)只针对单一频率，因而效果有限，另体积较大，显得不连续、不美观。自由阻尼钢轨理论上可实现宽频抑振降噪，但由于阻尼较小，故实际效果欠佳。普通的约束阻尼钢轨（见图1）效果好于自由阻尼，但表面积有限，阻尼面积有限，约束刚度不够，且效果受工艺、材料及结构的影响较大。
新型迷宫式约束阻尼钢轨是最新研制的一种阻尼钢轨类型，这种阻尼钢轨通过巧妙的格室设计（见图2），使阻尼面积可大大超过粘贴表面积，阻尼层变形大，约束刚度高，阻尼比远高于普通的单层约束阻尼，对阻尼材料性能的依赖性较低，其造价约180万/km。
新型迷宫式阻尼钢轨在北京地铁古城车辆段第46股道曲线段及北京地铁13号线西直门～大钟寺区间高架桥直线段进行了试铺及测试。图3为古城车辆段试铺了迷宫式阻尼钢轨的第46股道与未铺设的第42股道的噪声对比。从对比可知，速度10km/h、15km/h时的降噪效果分别达到了5dB、7～8dB，速度越高，效果越好，可见曲线段采用新型迷宫式阻尼钢轨的降噪效果明显，这是因为发生曲线啸叫时轮轨处于共振状态，阻尼正好发挥其作用。北京地铁13号线高架桥的降噪效果为2～3dB，幅度不大，这是因为直线地段轮轨冲击较小，本身噪声较低，加之桥梁的二次结构噪声贡献，迷宫式阻尼钢轨所降低的噪声量所占比例较小。除抑制噪声以外，由于新型迷宫式约束阻尼钢轨可有效地降低轮轨的振动，故对小半径曲线地段的钢轨波磨也可形成有效的抑制作用。可以待轨道工程全部竣工后再安装，有利于后期根据实际需要来决定安装的必要性。但阻尼钢轨实施，对今后钢轨焊接维护可能有影响。
结论
列车在轨道上运行必然会产生轮轨磨耗，如何减缓轮轨磨耗延长轮对及钢轨使用寿命，是当前研究的焦点。综合考虑轨道养护维修方便性、经济性，建议1、2号线在运营前对全线钢轨进行预打磨，同时在小半径曲线地段采用轨道涂油器并加强线路养护维修，来提高运营舒适性及钢轨寿命。
