個(gè)性化鋼軌廓形打磨方法分析

王軍平，單連琨，丁軍君，李金良

(中鐵物總技術(shù)有限公司，北京 100036)

個(gè)性化鋼軌廓形打磨方法分析

王軍平，單連琨，丁軍君，李金良

(中鐵物總技術(shù)有限公司，北京 100036)

對(duì)個(gè)性化鋼軌廓形打磨方法進(jìn)行了闡述，并結(jié)合實(shí)際案例對(duì)不同線路實(shí)施廓形打磨后的效果進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，鋼軌廓形打磨能夠有效改善軌道動(dòng)力學(xué)性能、車(chē)輛舒適度指標(biāo)和輪軌接觸關(guān)系，在減小輪軌滾動(dòng)摩擦阻力的同時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗的目的。同時(shí)廓形打磨能夠大幅減小小半徑曲線鋼軌磨耗速率，且初始磨耗較小時(shí)開(kāi)展廓形打磨效果更佳。

個(gè)性化鋼軌廓形打磨 輪軌接觸關(guān)系 動(dòng)力學(xué)性能 鋼軌磨耗

1 概述

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)鐵路線路維護(hù)保養(yǎng)意識(shí)的提升和維修手段的豐富，鐵路線路的使用狀態(tài)和鋼軌使用壽命得到了有效改善和提升［1-3］。傳統(tǒng)上，鋼軌的使用壽命主要從制造和養(yǎng)護(hù)兩個(gè)方面加以提升，通常采用高質(zhì)量鋼軌，應(yīng)用輪軌潤(rùn)滑和鋼軌打磨等方法，鋼軌打磨是線路養(yǎng)護(hù)維修的重要手段［4］。國(guó)外鋼軌打磨技術(shù)有近60年的發(fā)展歷史，已達(dá)到了比較完善的應(yīng)用階段。我國(guó)鋼軌打磨技術(shù)起步于20世紀(jì)90年代，相對(duì)落后。

鋼軌打磨的作用主要可以概括為［5-7］:能夠消除軌道局部不平順，提高軌道穩(wěn)定性，減小運(yùn)行車(chē)輛和軌道本身的維修量;可消除鋼軌既有病害并控制病害的發(fā)展，提高軌道的使用壽命;通過(guò)改善輪軌黏著和滾動(dòng)阻力，提高車(chē)輛運(yùn)行安全性。隨著打磨車(chē)的引進(jìn)及推廣應(yīng)用，鋼軌打磨的優(yōu)勢(shì)逐漸被工務(wù)部門(mén)所認(rèn)可。目前工務(wù)部門(mén)對(duì)鋼軌打磨方法的要求越來(lái)越高，在打磨方法從修理性向預(yù)防性轉(zhuǎn)化的同時(shí)要求提出更合理的鋼軌維護(hù)方法來(lái)滿(mǎn)足鐵路運(yùn)輸快速化和重載化的發(fā)展需求。

合理的維護(hù)方法要求在保證軌道運(yùn)量提升的同時(shí)維修量不會(huì)明顯增加，由此便產(chǎn)生了鋼軌保護(hù)技術(shù)的概念。鋼軌保護(hù)技術(shù)是指通過(guò)鋼軌打磨、軌頂摩擦調(diào)節(jié)、軌側(cè)潤(rùn)滑和軌道幾何參數(shù)調(diào)節(jié)等方法提升輪軌接觸關(guān)系，改善鋼軌使用狀態(tài)并延長(zhǎng)其使用壽命，從而減小鐵路線路維護(hù)成本和能源消耗。這里的鋼軌打磨主要指以改善輪軌接觸關(guān)系為主的鋼軌廓形打磨，即根據(jù)線路資料、通過(guò)車(chē)輛情況等將鋼軌廓形打磨至設(shè)計(jì)的特定形狀。

鋼軌廓形打磨工作的開(kāi)展能夠有效減少輪軌磨耗和牽引供電消耗，降低換軌成本和運(yùn)營(yíng)成本，延緩鋼軌疲勞傷損的發(fā)展，減少軌道大修、維修的工作量。這項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，在鐵路節(jié)支降耗、降低安全風(fēng)險(xiǎn)等方面具有十分重要的意義。本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析個(gè)性化鋼軌廓形打磨方法的效果。

2 個(gè)性化鋼軌廓形打磨及其實(shí)施流程

中鐵物總技術(shù)有限公司于2012年前后率先提出了個(gè)性化鋼軌廓形打磨的概念。其主要包含以下三個(gè)方面的內(nèi)容:

1)個(gè)性化鋼軌打磨廓形設(shè)計(jì)。依據(jù)輪軌蠕滑最小化和輪軌耦合接觸理論，以相關(guān)動(dòng)力學(xué)仿真軟件為基礎(chǔ)，按照當(dāng)前運(yùn)用車(chē)輛及軌道結(jié)構(gòu)模式建立車(chē)輛—軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合相關(guān)輔助軟件進(jìn)行打磨廓形設(shè)計(jì)，得到不同區(qū)段的個(gè)性化鋼軌打磨廓形。

2)個(gè)性化鋼軌打磨模式設(shè)計(jì)。將設(shè)計(jì)廓形與鋼軌實(shí)際廓形進(jìn)行對(duì)比，依據(jù)鋼軌病害情況和打磨量最小原則對(duì)不同線路設(shè)計(jì)不同的個(gè)性化打磨模式。

3)個(gè)性化鋼軌打磨結(jié)果驗(yàn)收。依據(jù)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)打磨效果進(jìn)行評(píng)定。

個(gè)性化鋼軌廓形打磨的實(shí)施流程如圖1所示。該打磨方法具有較強(qiáng)的針對(duì)性，以給定的線路、行車(chē)和打磨作業(yè)車(chē)信息為基礎(chǔ)進(jìn)行個(gè)性化廓形和作業(yè)方案設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)收，能夠很好地保證打磨車(chē)的作業(yè)質(zhì)量。作業(yè)時(shí)不同半徑曲線上下股道和直線線路的設(shè)計(jì)廓形、打磨模式和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)均不相同。

圖1 個(gè)性化鋼軌廓形打磨流程

3 個(gè)性化鋼軌打磨效果分析

3.1 軌道動(dòng)力學(xué)性能

廓形打磨可有效改善輪軌接觸關(guān)系，合理的接觸關(guān)系能夠消除輪軌間非正常的接觸點(diǎn)和受力，提高鋼軌的使用壽命。為分析廓形打磨對(duì)輪軌受力的改善效果通過(guò)試驗(yàn)對(duì)廓形打磨前后車(chē)輛通過(guò)時(shí)的軌道受力進(jìn)行了測(cè)試與統(tǒng)計(jì)。

圖2為廣鐵(集團(tuán))公司滬昆線上半徑400 m曲線廓形打磨前后相同載重和速度級(jí)別車(chē)輛通過(guò)時(shí)上下股道鋼軌所受橫向力和下股道脫軌系數(shù)的對(duì)比。

由圖2可知，打磨前后各項(xiàng)指標(biāo)分布規(guī)律相近，打磨后列車(chē)通過(guò)時(shí)作用于軌道的水平力和脫軌系數(shù)均有所改善。輪軌水平力均值下降幅度約 8.6% ～23.4%，脫軌系數(shù)均值下降幅度約11.8% ～24.7%?？梢?jiàn)鋼軌廓形打磨有助于軌道動(dòng)力學(xué)性能的改善。

3.2 軌道質(zhì)量指數(shù)

合理的鋼軌打磨方法可有效消除軌道局部不平順，減小輪軌間的振動(dòng)［4］。

圖3為在武漢鐵路局武九線直線線路上實(shí)施廓形打磨前后軌檢車(chē)車(chē)體水平加速度和垂直加速度波形對(duì)比。由圖可知，打磨后車(chē)體水平加速度和垂直加速度波動(dòng)范圍變小，車(chē)體振動(dòng)和舒適度得到了有效改善。同時(shí)軌檢車(chē)數(shù)據(jù)顯示打磨后TQI指標(biāo)較打磨前下降了約8%。

3.3 鋼軌磨耗

小半徑曲線上的鋼軌側(cè)磨是鋼軌磨耗最主要的表現(xiàn)形式之一，往往由于側(cè)磨超限使得鋼軌提前下道［4］。因此，減小鋼軌磨耗尤其是小半徑曲線外股側(cè)磨也是鋼軌打磨所需要解決的問(wèn)題之一。

圖4為成都鐵路局川黔線上半徑300 m曲線實(shí)施個(gè)性化鋼軌廓形打磨前后的曲線上股道側(cè)磨速率對(duì)比。

圖2 鋼軌打磨前后半徑400 m曲線上的軌道動(dòng)力學(xué)指標(biāo)對(duì)比

圖3 鋼軌打磨前后軌檢車(chē)車(chē)體水平加速度、垂直加速度波形對(duì)比

圖4 半徑300 m曲線鋼軌打磨前后側(cè)磨速率對(duì)比

由圖4可知，打磨后曲線上股道鋼軌側(cè)磨速率得到了明顯改善，打磨后側(cè)磨速率約減小了70%。此外，當(dāng)初始側(cè)磨較大(＞12 mm)時(shí)，打磨前后磨耗速率均大于初始側(cè)磨較小(＜10 mm)時(shí)的相應(yīng)值，前者約為后者的1.6倍。這是由于當(dāng)初始磨耗較小時(shí)，通過(guò)打磨可將曲線上股道輪軌接觸關(guān)系改善至貼合式兩點(diǎn)接觸，故而磨耗速率較慢，而當(dāng)初始側(cè)磨較大時(shí)輪軌間兩點(diǎn)接觸較難避免，磨耗速率較大。由此可見(jiàn)，廓形打磨應(yīng)盡早進(jìn)行，在初始磨耗較小時(shí)實(shí)施打磨效果更佳。

3.4 節(jié)能降耗

圖5為大秦線上鋼軌廓形打磨實(shí)施后各測(cè)試點(diǎn)接觸網(wǎng)耗電量的變化情況，圖中將實(shí)施廓形打磨后各月能耗與4月份實(shí)施廓形打磨前的牽引能耗加以對(duì)比。由圖可知，打磨后第1月?tīng)恳芎呐c打磨前相比下降13%～22%，第2月繼續(xù)下降，下降峰值達(dá)到了34%，從第3月開(kāi)始上升，上升過(guò)程中再實(shí)施廓形打磨(9月)后能耗重新開(kāi)始下降。各測(cè)試點(diǎn)變化幅值不盡相同但變化趨勢(shì)相似?？梢?jiàn)，鋼軌廓形打磨能夠有效減小機(jī)車(chē)牽引能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。這是由于實(shí)施廓形打磨后輪軌接觸關(guān)系得到改善，接觸點(diǎn)處輪軌蠕滑現(xiàn)象減少，取而代之的是輪軌滾動(dòng)接觸，因此輪軌間整體滾動(dòng)接觸阻力有所減小，牽引能耗隨之下降。此外，大秦線上鋼軌廓形打磨還使得曲線(800 m半徑)上股道側(cè)磨速率減小了76%，上股垂磨速率減小了24%，曲線下股道垂磨速率減小了40%，直線垂磨速率減小了65%，這與第3.3節(jié)的結(jié)果相吻合。

圖5 大秦線廓形打磨后各測(cè)試點(diǎn)的牽引能耗變化

4 結(jié)論

本文對(duì)個(gè)性化鋼軌廓形打磨方法進(jìn)行了闡述，并結(jié)合實(shí)際案例對(duì)不同線路實(shí)施廓形打磨后的效果進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下:

1)鋼軌廓形打磨個(gè)性化體現(xiàn)在廓形設(shè)計(jì)、模式設(shè)計(jì)和結(jié)果驗(yàn)收三個(gè)部分，以實(shí)際線路和行車(chē)資料為基礎(chǔ)，具有針對(duì)性;

2)鋼軌廓形打磨能夠有效改善軌道動(dòng)力學(xué)性能;

3)廓形打磨后車(chē)體水平加速度和垂直加速度波形均有所改善，車(chē)體振動(dòng)和舒適度得到了有效改善;

4)廓形打磨能夠大幅減小小半徑曲線鋼軌磨耗速率，且在初始磨耗較小時(shí)開(kāi)展廓形打磨工作效果更佳;

5)廓形打磨能夠改善輪軌接觸關(guān)系，變滑動(dòng)接觸為滾動(dòng)接觸，在減小輪軌滾動(dòng)摩擦阻力的同時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

［1］賀振中.國(guó)外鋼軌打磨技術(shù)的應(yīng)用與思考［J］.中國(guó)鐵路，2009(9):38-40.

［2］孫國(guó)瑛，劉學(xué)毅，萬(wàn)復(fù)光.小半徑曲線上的鋼軌磨耗［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，29(1):65-70.

［3］劉啟躍.減緩曲線鋼軌側(cè)磨的方法探討［J］.鐵道建筑，1997 (1):28-30.

［4］雷曉燕.鋼軌打磨原理及其應(yīng)用［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2000 (1):28-33.

［5］金學(xué)松，杜星，郭俊，等.鋼軌打磨技術(shù)研究進(jìn)展［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，45(1):1-11.

［6］TADA Y.Rail Grinding Method in Shinkansen［J］.Sinsenro，1999，53(8):4-7.

［7］金學(xué)松，劉啟躍.輪軌摩擦學(xué)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

(責(zé)任審編 李付軍)

U216.42+4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.37

2015-03-03;

:2015-05-12

王軍平(1988— )，男，工程師。

1003-1995(2015)11-0131-03