高速鐵路鋼軌預(yù)打磨技術(shù)探討

■ 何元勛

隨著我國鐵路客運的高速化，武廣、合武、石武、鄭西、漢宜、哈大、龍漳、杭深等高速鐵路相繼開通運營。其行車密度大、運營速度高、乘車舒適度好，不僅對軌道幾何尺寸提出了很高要求，同時對軌面狀態(tài)和鋼軌輪廓也提出了極高要求。但由于鋼軌在制造、運輸、鋪設(shè)、焊接等環(huán)節(jié)均存在難以避免的缺陷和病害，新軌鋪設(shè)后難以完全適應(yīng)動車組高速平穩(wěn)運行要求，軸向加速度、減載率、動力學(xué)指標(biāo)均無法有效控制，人體感覺有晃車、抖動等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響運行品質(zhì)，甚至威脅行車安全。鋼軌預(yù)打磨作為高速線路開通運營前消除鋼軌軌面病害、優(yōu)化鋼軌廓形、改善列車輪軌接觸關(guān)系、消除晃車的有效維修手段之一，尤其在高速鐵路開通前得到廣泛應(yīng)用。

1 高速鐵路鋼軌病害分析

2011年9月—2012年6月，在分別對石武客專鄭武段及漢宜線開通前的預(yù)打磨施工調(diào)查發(fā)現(xiàn)，除鋼軌頂面靠外側(cè)R 300與R 80圓弧過渡區(qū)域存在輪軌接觸光帶外，同時在內(nèi)側(cè)R 80圓弧處也存在接觸光帶，形成輪軌在同一鋼軌斷面的兩處接觸，即為“雙光帶”（見圖1），鋼軌頂面同時存在2條光帶。該鋼軌廓形幾何尺寸較標(biāo)準(zhǔn)廓形出現(xiàn)中間低兩側(cè)高，呈現(xiàn)出輕微的“馬鞍形”鋼軌斷面，表明鋼軌母材在制造過程中產(chǎn)生了一定范圍的幾何尺寸誤差，即鋼軌母材頂面凹陷。這種“雙光帶”現(xiàn)象表現(xiàn)形式為或連續(xù)、或間斷、或單股、或雙股，在石武及漢宜高速鐵路普遍存在。同時，2012年9月在南昌鐵路局龍漳線及杭深線的打磨施工調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)同樣普遍存在“雙光帶”現(xiàn)象，是造成動車晃車的重要原因。

我國高速鐵路設(shè)計軌底坡為1∶40，與1∶20設(shè)計軌底坡相比，減少了鋼軌內(nèi)傾幅度，鋼軌內(nèi)側(cè)圓弧角相對抬高0.9 mm，必然導(dǎo)致輪軌間的不良接觸。但改變其設(shè)計軌底坡，相對于我國已開通的近萬公里高速鐵路來說影響巨大。且即便改為1∶20軌底坡，也同時有可能導(dǎo)致鋼軌外側(cè)相對偏高，光帶外移，不能保證輪軌的最佳接觸關(guān)系。因此，保留1∶40軌底坡不變，但高速鐵路開通前必須進行鋼軌預(yù)打磨，優(yōu)化鋼軌輪廓，消除輪軌接觸病害，實現(xiàn)輪軌良好接觸關(guān)系。

此外，鋼軌制造過程中會產(chǎn)生表面缺陷，如線紋、結(jié)疤、壓痕、劃傷和脫碳層，運輸、鋪設(shè)及焊接等環(huán)節(jié)均無法避免斷面輪廓尺寸誤差、軌面不平順、軌頭扭曲變形，尤其是焊接接頭對軌錯牙、扭曲等產(chǎn)生的局部不平順和前后相鄰軌頂面連續(xù)性不良，均在不同程度上加劇影響了動車組運行品質(zhì)，表現(xiàn)為列車運行人體感覺晃車、抖動，水平加速度及垂向加速度等動態(tài)指標(biāo)不佳，需要通過鋼軌預(yù)打磨來消除或緩解。

2 高速鐵路鋼軌預(yù)打磨策略

2.1 高速鐵路鋼軌預(yù)打磨廓形優(yōu)化

高速鐵路鋼軌預(yù)打磨廓形優(yōu)化原則：（1）消除鋼軌表面病害缺陷及其初始形成條件，去除鋼軌表面0.3～0.4 m m脫碳層及細小裂紋，提高鋼軌表面平順度，提供較好的行車動態(tài)指標(biāo)，提高列車運行舒適度。（2）輪軌接觸光帶集中且居中，寬度不能過寬或過窄。實踐證明輪軌接觸光帶寬度應(yīng)在20～30 mm，會降低輪軌間接觸應(yīng)力，提供良好的輪軌接觸關(guān)系，消除動車蛇形運動。如圖2所示，鋼軌預(yù)打磨后輪軌接觸區(qū)域應(yīng)均勻集中在鋼軌頂面a點附近。（3）鋼軌預(yù)打磨深度（σ）：在非工作邊側(cè)σ≥0.4 mm，鋼軌頂面輪軌主接觸面σ≥0.3 mm，工作邊側(cè)應(yīng)為1 mm≤σ≤1.8 mm。（4）修正及優(yōu)化鋼軌輪廓廓形應(yīng)盡可能減少鋼軌金屬切削量，減少打磨工作量，延長鋼軌使用壽命。（5）打磨痕跡最大磨削面寬度通常應(yīng)為：軌距角區(qū)域（45°～15°）≤5 m m，軌距角與軌冠間的過渡區(qū)（15°～6°）≤7 mm，軌冠部位（6°～-20°）≤10 mm。

根據(jù)鋼軌預(yù)打磨廓形優(yōu)化原則，設(shè)計出高速鐵路預(yù)打磨目標(biāo)廓形（見圖3）。目標(biāo)廓形工作邊側(cè)（圖3中ab段）區(qū)域，磨削深度應(yīng)為1 m m≤σ≤1.8 m m；輪軌接觸光帶（圖3中b c段）區(qū)域，磨削深度σ≥0.3 m m，且寬度在20～30 m m；非工作邊側(cè)（圖3中c d段）區(qū)域，磨削深度σ≥0.4 mm。

2.2 高速鐵路鋼軌預(yù)打磨作業(yè)方案

2.2.1 預(yù)打磨方案制定

鋼軌預(yù)打磨前，首先應(yīng)對線路進行檢測和調(diào)查，對鋼軌存在的病害狀況及廓形尺寸進行測量，然后根據(jù)調(diào)查得出的鋼軌狀況調(diào)查表制定相應(yīng)的打磨方案。線路調(diào)查中，通常采用美國EZ-3型便攜式鋼軌斷面測量儀對鋼軌斷面廓形進行測量、分析。根據(jù)EZ-3型便攜式鋼軌斷面測量儀對鋼軌輪廓的測量分析原理，將60 kg/m鋼軌73 mm寬度的踏面分為7個區(qū)域（見圖4）。

根據(jù)近年來在石武、漢宜、龍漳、杭深等高速線路鋼軌預(yù)打磨前的調(diào)查結(jié)果（見表1、表2），作用邊45°～X30區(qū)域及X50～X60區(qū)域多為偏高（負(fù)值為目標(biāo)廓形高于標(biāo)準(zhǔn)廓形），鋼軌母材頂面X30～X40區(qū)域存在凹陷，表現(xiàn)為或連續(xù)、或間斷、或單股、或雙股，致使車輪與鋼軌存在兩點接觸，產(chǎn)生雙光帶。

根據(jù)前期調(diào)查分析，需要消除鋼軌頂面0.3～0.4 m m脫碳層，同時還需堅固內(nèi)、外側(cè)磨削量，達到設(shè)計的目標(biāo)廓形。因此，GM C-96x型鋼軌打磨車采取了三遍打磨方案。第一遍作業(yè)時，為消除“凸點”，采取內(nèi)外模式，并在X10～X20及X50區(qū)域增加雙倍打磨電機，重點消除“凸點”，便于第二遍鋼軌頂面脫碳層的消除。若第一遍采取了全斷面打磨，則會出現(xiàn)磨石在打磨頂面時被“凸點”架空，頂面磨削不到，起不到消除脫碳層的效果。砂輪打磨過程中，由于“凸點”的存在，分布在鋼軌頂面輪軌主接觸區(qū)域的砂輪處于懸空狀態(tài)，無法磨削到該區(qū)域（見圖5）。

2.2.2 鋼軌預(yù)打磨模式

針對高速鐵路鋼軌預(yù)打磨前的調(diào)查及病害分析，為了更好地優(yōu)化鋼軌輪廓，針對性地制定了三遍打磨模式。具體打磨模式：

（1）1號模式：即56°～2°、-3°～-9°，速度14 km/h，電機功率77％，分布至46個砂輪（余下2個為臨時補缺）。針對鋼軌情況，在鋼軌剖面X10～X20及X50區(qū)域分布有連續(xù)的重復(fù)角度（見圖6），打磨區(qū)域為藍色區(qū)域（圖6中ab和cd段），主要消除鋼軌X10～X20及X50兩處凸點，以及軌距角至R 300圓弧過渡區(qū)和外側(cè)R 80圓弧區(qū)域的不平順、細裂紋等病害，修正鋼軌內(nèi)、外側(cè)廓形尺寸。

（2） 2號模式：即48°～-7°，速度15 km/h，電機功率77％，分布至48個砂輪，其中在X50區(qū)域設(shè)有補強角度。打磨區(qū)域為綠色區(qū)域（圖6中eg段），主要是全斷面修正鋼軌廓形和消除軌冠區(qū)域脫碳層等病害。

（3）3號模式：即44°～-3°，速度15 km/h，電機功率68％，分布至46個砂輪（余下2個為臨時補缺），進行鋼軌斷面的圓順過渡拋光及重點區(qū)域的補強打磨，其中在X10～X20區(qū)域設(shè)有重復(fù)角度。打磨區(qū)域為紅色區(qū)域（圖6中ch段）。主要是使鋼軌磨削面的粗糙度控制在10 μm以下，保證鋼軌磨削面圓滑過渡，進一步優(yōu)化輪廓尺寸，同時防止列車運行一段時間后產(chǎn)生副光帶。

圖6中黑色區(qū)域（c f段）為輪軌接觸光帶形成區(qū)域，即5°～-3°，約為20～30 mm。

3 高速鐵路鋼軌預(yù)打磨效果分析

根據(jù)目標(biāo)廓形設(shè)計原則，按照三遍打磨方案，武漢大型養(yǎng)路機械運用檢修段（簡稱武漢大機段）在石武、漢宜等高速鐵路均能實現(xiàn)將鋼軌非工作邊側(cè)（X45～X60）磨削深度σ控制在0.4～0.6 m m，鋼軌頂面輪軌主接觸面（X25～X45）磨削深度σ控制在0.3～0.4 mm，工作邊側(cè)（45°～X25）磨削深度σ控制在1～1.8 mm（見表3）。

表1 石武高速鐵路預(yù)打磨前鋼軌廓形調(diào)查表序45o X10 X20 X30 X40 X50 X60 測量點號 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 里程 備注1 -0.6 -0.3 -0.2 -0.5 -0.1 -0.5 -0.1 -0.2 0 0 -0.1 -0.10 0.1 0.05 K977+500 2 -0.5 -0.4 -0.1 -0.4 -0.1 -0.3 0 -0.2 0 0 -0.1 -0.10 0.1 0.05 K978+000 3 -0.6 -0.1 -0.2 -0.3 -0.1 -0.3 -0.1 -0.1 0 0 0 -0.10 -0.1 0 K976+200攀鋼4 -0.7 -0.3 -0.4 -0.2 -0.3 -0.2 -0.1 -0.2 0 0 -0.1 0 -0.1 0.15 K976+000 5 -0.5 -0.1 -0.3 -0.1 -0.2 -0.3 0 -0.1 0 0 -0.2 0.05 0 0.05 K973+200 6 -0.4 -0.1 -0.2 -0.1 -0.2 -0.3 -0.1 -0.2 0 0 -0.1 -0.10 0.05 0 K972+700表2 石武高速鐵路預(yù)打磨前鋼軌廓形調(diào)查表序45° X10 X20 X30 X40 X50 X60 測量點號 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 里程1 0.1 0.5 -0.2 0 -0.1 -0.20 0 0.10 0 0 -0.2 -0.2 -0.2 -0.30 K900+500 2 0.1 0.3 -0.2 0.5 -0.2 0.35 0 0 0 0 0 0.1 0.1 0.10 K901+000 3 0.1 0.2 -0.1 0 -0.1 0 0 0 0 0 0 -0.2 0.1 0 K901+500 4 -0.1 -0.2 -0.4 -0.4 -0.5 -0.20 -0.2 0 0 0 -0.1 -0.1 0 0 K902+000 5 0.1 0.2 -0.2 -0.1 -0.3 0 -0.3 0.05 0 0 -0.1 -0.3 -0.2 -0.15 K902+500 6 0.1 0.1 -0.2 -0.3 -0.2 0 -0.1 0 0 0 -0.2 -0.2 -0.3 -0.20 K903+200

鋼軌磨削表面粗糙度Ramax≤10 μm（用數(shù)字式粗糙度檢測儀測量），鋼軌表面無連續(xù)發(fā)藍帶。打磨后經(jīng)列車一段時間碾壓后，鋼軌輪軌接觸光帶均勻居中（X36.5為中心），寬度在18～25 m m，符合目標(biāo)廓形的設(shè)計要求（如圖7）。

經(jīng)過2008年、2009年在武廣及合武高速鐵路上的不斷摸索，逐漸成熟的高鐵預(yù)打磨技術(shù)在石武、漢宜、龍漳、杭深線得到深入發(fā)展和應(yīng)用，并取得良好效果。

石武、漢宜、龍漳等高速鐵路通過預(yù)打磨開通運營后，動檢車檢測結(jié)果及動車組運營效果顯示，鋼軌預(yù)打磨后，軌道動力學(xué)指標(biāo)明顯改善，軸向加速度、減載率峰值明顯下降；鋼軌橫向振幅均大幅減少，列車輪軌接觸關(guān)系及高速通過時的平穩(wěn)性明顯改善，噪聲遠小于未打磨前；同時，鋼軌預(yù)打磨后，人體感覺晃車、抖動等不良現(xiàn)象均大幅較少，動車組高速運行品質(zhì)明顯提升。

表3 石武客專預(yù)打磨后鋼軌廓形驗收表序45° X10 X20 X30 X40 X50 X60 測量點號 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 里程1 1.4 1.3 1.70 1.60 0.90 1.00 0.40 0.30 0.35 0.3 0.55 0.50 0.50 0.45 K935+500 2 1.3 1.2 1.40 1.50 1.00 0.95 0.45 0.35 0.30 0.35 0.45 0.60 0.45 0.50 K936+000 3 1.5 1.3 1.60 1.75 0.95 0.80 0.30 0.40 0.40 0.35 0.40 0.45 0.50 0.50 K936+500 4 1.2 1.3 1.50 1.45 0.95 1.00 0.40 0.35 0.30 0.30 0.50 0.55 0.60 0.55 K937+000 5 1.3 1.1 1.65 1.45 1.05 1.00 0.30 0.30 0.35 0.40 0.50 0.40 0.50 0.50 K937+200 6 1.0 1.2 1.55 1.70 0.90 0.95 0.35 0.40 0.25 0.30 0.45 0.50 0.45 0.60 K937+400

4 高速鐵路鋼軌預(yù)打磨技術(shù)新要求

隨著鐵路高速化進程的推進和在建高速鐵路的相繼開通運營，鐵路對安全標(biāo)準(zhǔn)和舒適性提出了更高要求，不僅對線路鋼軌輪廓幾何尺寸要求高，也對鋼軌平順性要求很高。為了使高速鐵路更安全、更舒適、更平穩(wěn)，提高和控制高速鐵路鋼軌預(yù)打磨質(zhì)量尤為重要。如何進一步提高鋼軌預(yù)打磨技術(shù)水平，依然是未來很長一段時間需要不斷總結(jié)和摸索的課題。

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