曲線鋼軌波磨打磨方法

堯輝明， 沈 鋼， 崔 巍

(1.同濟(jì)大學(xué) 鐵路與城市軌道交通研究院， 上海 201804； 2.上海軌平機(jī)電科技有限公司， 上海 200092)

經(jīng)過(guò)多年研究發(fā)現(xiàn)，地鐵曲線鋼軌波浪形磨損，縮短了鋼軌自身壽命；增加了養(yǎng)護(hù)工作量與養(yǎng)護(hù)成本；降低了車輛運(yùn)行品質(zhì)和旅客舒適度;干擾了鐵路車輛正常運(yùn)行；大大縮短了車輛部分零部件的使用時(shí)間;嚴(yán)重時(shí)甚至影響列車運(yùn)行安全.

作為修復(fù)和預(yù)防鋼軌波浪形磨耗的措施之一，鋼軌打磨技術(shù)能明顯延長(zhǎng)鋼軌壽命，避免大規(guī)模更換鋼軌，改善行車平穩(wěn)性和安全性[1-4].打磨與使用摩擦控制器來(lái)控制波磨的形成不同，鋼軌打磨能人為改善輪軌接觸的幾何關(guān)系，優(yōu)化其型面匹配，達(dá)到提高動(dòng)力學(xué)，降低磨損速率的特點(diǎn).在北美，美國(guó)鐵路聯(lián)盟和運(yùn)輸技術(shù)中心在打磨方面做了很多工作[5]，加拿大地面運(yùn)輸研究中心[6]也對(duì)打磨目標(biāo)進(jìn)行了說(shuō)明.此外，澳大利亞、日本、法國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)[4-7]都采用鋼軌打磨來(lái)緩解鋼軌波浪形磨損的形成.匈牙利Bosch[8]和Takács等[9]使用以控制輪軌噪聲為基準(zhǔn)的打磨方案.澳大利亞Zarembski[10]采用曲線段非對(duì)稱打磨方式，使曲線外軌接觸光帶由軌頂面向軌距內(nèi)側(cè)移動(dòng)，而內(nèi)軌接觸帶向外軌角移動(dòng).此外日本Anami[11]和Ishida等[12]根據(jù)運(yùn)行載荷百萬(wàn)噸(MGT)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)規(guī)定打磨間隔.

作者前期對(duì)曲線鋼軌的波浪形磨耗形成機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)了小比例滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)并提出了新的波磨形成機(jī)理推理理論[13].

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，地鐵小半徑曲線的波磨多見(jiàn)于曲線的內(nèi)軌或外軌軌頂，有時(shí)也在內(nèi)外軌同時(shí)發(fā)生.由于車輛和軌道系統(tǒng)性問(wèn)題，只要車輛走行部的工作方式不改變，那么曲線鋼軌的波磨就不可避免.又由于隧道內(nèi)部難以采用摩擦控制技術(shù)，只有進(jìn)行經(jīng)常性的小幅度打磨才能解決波磨對(duì)車輛和軌道的傷害.如果在早期，即波磨深度為0.1 mm左右即開(kāi)始精確修復(fù)，則能夠大幅降低地鐵彎道波磨的發(fā)展速度，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，減小車輛的振動(dòng)和噪聲.為此，本文提出了一種新的針對(duì)地鐵短波波磨的基于多砂輪基準(zhǔn)線的打磨方法，研制了高效率便攜式自動(dòng)化地鐵曲線鋼軌多輪組打磨裝備[14-15]，并在上海地鐵2號(hào)線上多個(gè)區(qū)間多次進(jìn)行了打磨試驗(yàn)、振動(dòng)測(cè)試和打磨治理作業(yè)，取得了良好的效果.

1 現(xiàn)有波磨打磨方法的特點(diǎn)和局限性

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有城市軌道交通通常采用的鋼軌打磨車如圖1所示，稱為多磨頭廓型打磨列車，可用來(lái)消除鋼軌表面缺陷，修正軌頭輪廓，也可以對(duì)短波波磨進(jìn)行一定的治理.

圖1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有進(jìn)口鋼軌打磨車

然而，該鋼軌打磨列車成本高，操作復(fù)雜，對(duì)于指定位置的鋼軌波磨難以做到及時(shí)處理.目前，由于國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一套自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)便，成本低，安裝運(yùn)輸方便的地鐵打磨設(shè)備，因此在一定程度上阻礙了我國(guó)城市軌道交通的運(yùn)行質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性.

由于技術(shù)原因，國(guó)內(nèi)外地鐵大都采用干線鐵路的大型打磨車，只是將磨頭控制在20個(gè)以下.但這種傳統(tǒng)的技術(shù)并不是為打曲線波磨而設(shè)計(jì)的，因此暴露出以下諸多不足：

(1) 磨頭獨(dú)立控制，采用壓力反饋是不合適的.因?yàn)殇撥壍牟ゴ蚰ナ菐缀文繕?biāo)，若壓力控制頻率響應(yīng)高的話，則高點(diǎn)低點(diǎn)均會(huì)被磨掉，這樣對(duì)波磨打磨毫無(wú)意義.目前大都采用液壓進(jìn)給延遲技術(shù)讓磨頭反應(yīng)遲鈍，使波磨的高點(diǎn)比低點(diǎn)磨得多，但這個(gè)有波長(zhǎng)選擇問(wèn)題，也存在打磨精度問(wèn)題，是一個(gè)不得已的折中辦法.

(2) 不同角度的磨頭縱向磨削鋼軌對(duì)于僅打磨波磨是不合適的.首先波磨軌并不一定要做軌廓校正，僅希望將波磨消除，即將整個(gè)軌廓在垂向同步下沉.因此這種打磨方法會(huì)將鋼軌切成多棱角狀，使表面更加粗糙，造成內(nèi)軌軌頂?shù)臅簳r(shí)嚴(yán)重粗糙，增大對(duì)外軌的橫向作用力，也增大了外軌的側(cè)磨和脫軌的傾向，形成新的軌頂疲勞源.

(3) 打磨車輛編組最少也有兩節(jié)，采用內(nèi)燃機(jī)車為動(dòng)力，規(guī)模大，不適合用于空間有限的地下隧道.

(4) 打磨車需要從線路的一段進(jìn)入，到達(dá)打磨點(diǎn)需要開(kāi)行一段路程，對(duì)于有限作業(yè)天窗的地鐵也是浪費(fèi)的.有的線路不一定相連，也難以將打磨車靈活調(diào)配.

(5) 打磨車成本高、設(shè)備折舊費(fèi)用高、管理成本也高，并且需要較高水平的熟練操作技術(shù)工，對(duì)于地鐵線路上僅存在3～4處的幾百米波磨來(lái)說(shuō)使用成本過(guò)于昂貴且不便.

(6) 目前國(guó)內(nèi)鐵路線路波浪型磨損修復(fù)主要為被動(dòng)修復(fù)，即出現(xiàn)問(wèn)題后并不立即進(jìn)行打磨而是定期對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨，打磨采用大型打磨車，打磨一次耗費(fèi)人力物力巨大，有的地方甚至因無(wú)打磨設(shè)備而采用更換鋼軌的辦法.

2 基于多砂輪基準(zhǔn)線的打磨方法

鑒于現(xiàn)有鋼軌波磨打磨的現(xiàn)狀和局限性，本文提出一種基于多砂輪基準(zhǔn)線的打磨方法，其基本原理示意圖如圖2所示.

圖2 基于多砂輪基準(zhǔn)線的波磨打磨示意圖

Fig.2 Corrugation grinding based on reference axis of multi grinding wheels

該方法以多個(gè)砂輪組成的基準(zhǔn)線為打磨基準(zhǔn)，多個(gè)砂輪安裝在一個(gè)固定支架上，支架由具有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的小車拖動(dòng)在鋼軌上水平縱向行進(jìn).打磨基準(zhǔn)線可以上下調(diào)整用以控制打磨切削量，可以設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)精確控制基準(zhǔn)線的上下位移量.具體操作使用過(guò)程中可根據(jù)磨頭的切削力、切削強(qiáng)度、鋼軌波磨的深度和鋼軌材質(zhì)的硬度等適當(dāng)調(diào)整基準(zhǔn)線控制打磨量.該打磨方式采用較精確的幾何打磨量控制，而不是傳統(tǒng)大型打磨車的壓力反饋控制.砂輪磨頭繞橫向水平軸旋轉(zhuǎn)，相鄰磨頭旋轉(zhuǎn)方向可設(shè)置為相對(duì)旋轉(zhuǎn)，用以抵消磨頭切削鋼軌時(shí)對(duì)小車運(yùn)行的干擾.磨石的輪廓廓形與鋼軌軌頭廓形一致，如圖3所示.

圖3 仿形砂輪磨頭示意圖

砂輪磨頭的廓形經(jīng)過(guò)短時(shí)間的打磨會(huì)與鋼軌的廓形更加貼合，使用舊磨頭打磨另一未打磨線路時(shí)，對(duì)鋼軌的打磨損傷更小.

此波磨打磨方法具有以下特點(diǎn)：①用多磨頭組成打磨基準(zhǔn)線，可以有效實(shí)現(xiàn)僅打磨高區(qū)材料，不打磨低區(qū)材料的目的，也提高了打磨精度和效率；②磨頭繞橫向水平軸旋轉(zhuǎn)，磨石廓型與鋼軌軌頂一致，可以打磨出原軌廓鋼軌，減少打磨量，保持軌頂圓順光滑；③可以大大降低波磨打磨裝置價(jià)格，預(yù)計(jì)是現(xiàn)有20磨頭打磨車造價(jià)的1/10以下；④基于此打磨方法原理設(shè)計(jì)的便攜式多磨頭小型打磨設(shè)備，可靈活進(jìn)入地鐵曲線波磨區(qū)段進(jìn)行針對(duì)性主動(dòng)波磨打磨修復(fù)；⑤可個(gè)性化實(shí)現(xiàn)鋼軌波磨打磨專用技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高精確化主動(dòng)打磨.

3 便攜式打磨裝置的研制

根據(jù)多砂輪基準(zhǔn)線的波磨打磨方法，研制開(kāi)發(fā)了針對(duì)地鐵曲線單鋼軌軌面不平順的輕便式鋼軌波磨打磨機(jī)，該打磨機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、可現(xiàn)場(chǎng)拆解組裝，操作自動(dòng)化程度高.圖4、圖5為所研制的便攜式波磨打磨裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖和實(shí)物照片.

圖4 便攜式自動(dòng)化多輪組曲線鋼軌波磨打磨機(jī)設(shè)計(jì)圖

波磨打磨機(jī)主要結(jié)構(gòu)組成包括承載裝置、絲桿伺服給定調(diào)節(jié)裝置、夾緊裝置、打磨裝置及導(dǎo)向走行裝置.承載裝置主要包括打磨機(jī)構(gòu)架、支架，打磨機(jī)構(gòu)架和支架用于承載重物和支撐.絲桿伺服給定調(diào)節(jié)裝置主要包含前后砂輪打磨深度和力的自動(dòng)程序給定，由手持控制器手動(dòng)操作給定或可編程控制器(PLC)自動(dòng)設(shè)置給定.

圖5 多輪組鋼軌波磨打磨機(jī)實(shí)物

整個(gè)打磨機(jī)在水平面上成丁字形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊即打磨側(cè)總長(zhǎng)為1 800 mm，橫向?qū)挾葹? 600 mm，高度為700 mm，縱向有效打磨長(zhǎng)度為1 530 mm；便攜式設(shè)計(jì)為打磨機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，總重約140 kg，實(shí)際打磨過(guò)程中可將打磨機(jī)拆解成5大部分，最大組件重量為60 kg，便于運(yùn)送至打磨區(qū)段進(jìn)行組裝打磨.表1為打磨機(jī)的主要參數(shù).

表1 打磨機(jī)參數(shù)

打磨機(jī)的走行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為前后驅(qū)動(dòng)走行，并有導(dǎo)向輪和夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)向便于通過(guò)曲線，整體打磨機(jī)有效打磨長(zhǎng)度為1 530 mm，在曲線段打磨時(shí)為近似直線打磨，因此該打磨機(jī)能有效地對(duì)鋼軌曲線段波磨進(jìn)行打磨.

打磨機(jī)采用PLC(programmable logic controller)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)、打磨交流電機(jī)和行走交流電機(jī)的底層數(shù)據(jù)控制、速度控制和行走方向速度等的硬件層控制，通過(guò)手持式控制器實(shí)現(xiàn)用戶的操控界面交互控制、程序化打磨控制、數(shù)據(jù)圖表過(guò)程顯示和打磨步驟操作等功能.

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證及動(dòng)力學(xué)測(cè)試

針對(duì)上海地鐵進(jìn)行曲線鋼軌波磨控制打磨工程試驗(yàn).上海地鐵經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，在多條線路上已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度上的波磨，多半波磨位于小半徑曲線鋼軌上，以上海地鐵2號(hào)線和8號(hào)線出現(xiàn)的波磨損傷危害較為典型.

上海地鐵2號(hào)線虹橋站至徐涇東區(qū)間出現(xiàn)了多段波磨，乘客反映在此區(qū)間乘坐時(shí)車廂內(nèi)會(huì)出現(xiàn)嘯叫聲和強(qiáng)噪聲.通過(guò)與上海地鐵工務(wù)公司技術(shù)人員溝通與協(xié)調(diào)，決定采用本文研制的第三代多輪組自動(dòng)化波磨打磨機(jī)進(jìn)行線路的打磨試驗(yàn).打磨施工前，對(duì)上海地鐵2號(hào)線徐涇東—虹橋站區(qū)間進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試和曲線鋼軌波磨測(cè)量調(diào)研，并且對(duì)上海工務(wù)公司的工作人員進(jìn)行人員施工培訓(xùn).

4.1 打磨前振動(dòng)測(cè)試和波磨測(cè)量的調(diào)研

本文采用添乘測(cè)量的方式對(duì)在徐涇東—虹橋站區(qū)間以及虹橋站—徐涇東區(qū)間的車輛振動(dòng)和噪聲情況進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片如圖6所示.

圖6 虹橋站—徐涇東車廂添乘測(cè)試

Fig.6Online test from Hongqiao Station to Xujingdong Station

添乘和振動(dòng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，徐涇東至虹橋站及虹橋站至徐涇東區(qū)間內(nèi)車輛在通過(guò)曲線時(shí)出現(xiàn)了較強(qiáng)的噪聲，車廂振動(dòng)出現(xiàn)了明顯的異常，尤其是虹橋站至徐涇東下行線段甚至出現(xiàn)了非常刺耳的嘯叫聲，大致判定異常振動(dòng)在虹橋站出站100～200 m處.所測(cè)試的噪聲波形及振動(dòng)波形如圖7所示.

由圖7a可以看出，車輛從上海虹橋站駛出，行駛至40～55 s區(qū)間，振動(dòng)和噪聲較大，并在48 s左右出現(xiàn)了輪軌刺耳嘯叫聲，此時(shí)的振動(dòng)幅度也較大，如圖7b所示.圖7c為振動(dòng)全局頻譜分析，可見(jiàn)振動(dòng)的主要頻率成分在100～300 Hz左右.

a 區(qū)間全程噪聲波形

b 區(qū)間車廂振動(dòng)加速度波形

c 車廂振動(dòng)全局頻譜分析

d 打磨前所測(cè)K1+410處鋼軌波磨

對(duì)打磨現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行了打磨前的查看和測(cè)量.在K1+223曲線外軌處發(fā)現(xiàn)波磨，肉眼可見(jiàn).通過(guò)激光波磨測(cè)量?jī)x可知其波深約0.2 mm，波長(zhǎng)約50～70 mm，如圖7d所示.

4.2 曲線鋼軌打磨試驗(yàn)過(guò)程

打磨機(jī)可拆成4部分運(yùn)抵至地鐵車站組裝，組裝過(guò)程需約30 min左右，后推行至指定打磨位置.供電采用地鐵線路用電.作業(yè)過(guò)程如操作熟練一般2～3 h可以對(duì)曲線線路40～50 m區(qū)間進(jìn)行約0.2 mm左右的打磨.

打磨過(guò)程中，多輪組自動(dòng)化打磨設(shè)備能自行在鋼軌上驅(qū)動(dòng)行走，并能通過(guò)手動(dòng)遙控操作臺(tái)控制打磨機(jī)的前后運(yùn)行、前后打磨輪的垂直給定、打磨復(fù)位和異常處置等操作.操作過(guò)程需根據(jù)打磨深度和經(jīng)驗(yàn)值判定需給定的打磨給定量，并且應(yīng)根據(jù)打磨過(guò)程出現(xiàn)的火花大小，隨時(shí)調(diào)節(jié)給定.應(yīng)防止打磨車出現(xiàn)停止走行的現(xiàn)象，如發(fā)生停止走行將導(dǎo)致鋼軌出現(xiàn)打磨損傷.圖8所示為曲線段波磨鋼軌打磨前后的對(duì)比.打磨后，鋼軌的高點(diǎn)被打平，打磨效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)打磨機(jī).

a 未打磨鋼軌

b 已打磨鋼軌

4.3 打磨前后測(cè)量結(jié)果比較分析

打磨后利用同樣的聲學(xué)傳感器和振動(dòng)加速度傳感器在同一區(qū)間進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)車輛在該區(qū)段的運(yùn)行噪聲和振動(dòng)明顯降低了很多，48 s附近打磨前出現(xiàn)的嘯叫聲也基本消除，如圖9所示.

由于采用添乘測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)只能以列車發(fā)車的時(shí)間點(diǎn)為記錄數(shù)據(jù)起始點(diǎn)，加上打磨前后列車運(yùn)行時(shí)的列車速度存在差異，因此造成數(shù)據(jù)點(diǎn)的絕對(duì)位置在打磨前后難以保持同步，所以從圖10可看出，打磨前后的最大幅值點(diǎn)存在縱向上的時(shí)移，但通過(guò)分析振動(dòng)幅值的最大值明顯可以看出，車輛在打磨前的振動(dòng)幅度最大值顯著較大，打磨后這一時(shí)間段振動(dòng)幅度最大值明顯降低，整體打磨后的振動(dòng)數(shù)據(jù)也較平穩(wěn).

如圖11所示，打磨后的鋼軌波浪形磨耗基本控制在0.1 mm以下，打磨前最大波磨為0.15 mm左右，打磨后的最大波磨幅度在0.04、0.05和0.07 mm左右，打磨后的鋼軌波幅大幅下降，且波浪周期性不明顯.

打磨試驗(yàn)驗(yàn)證了多輪組打磨機(jī)在治理曲線波磨方面的實(shí)際打磨效果，打磨效率較現(xiàn)有的設(shè)備高.通過(guò)對(duì)地鐵施工人員的培訓(xùn)及現(xiàn)場(chǎng)人員的實(shí)際操作，驗(yàn)證了設(shè)備使用上的易操作性和實(shí)用性.

通過(guò)振動(dòng)加速度測(cè)試和聲學(xué)測(cè)試，經(jīng)過(guò)多輪組打磨機(jī)打磨治理后，車輛的運(yùn)行條件明顯改善，輪軌振動(dòng)幅值和聲學(xué)噪聲明顯降低，減少了對(duì)車輛的運(yùn)行的損傷.同時(shí)驗(yàn)證了多輪組打磨機(jī)在連續(xù)打磨作業(yè)中，能保證波磨的消除，且打磨后鋼軌外形基本保持不變；所需的打磨量與傳統(tǒng)多磨頭大型打磨車或洗磨車相比要小得多，對(duì)鋼軌的損傷也要小得多.

a 打磨前聲學(xué)波形數(shù)據(jù)

b 打磨后聲學(xué)波形數(shù)據(jù)

a 打磨前振動(dòng)加速度波形數(shù)據(jù)

b 打磨后振動(dòng)加速度波形數(shù)據(jù)

a 打磨前鋼軌波磨(最大為0.15 mm)

b 打磨后鋼軌波磨(最大為0.07 mm)

5 結(jié)論

本文提出了基于多砂輪基準(zhǔn)線的波磨打磨方法，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行了便攜式自動(dòng)化曲線鋼軌打磨裝置的研制，進(jìn)行了打磨裝置的現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)和測(cè)試.試驗(yàn)結(jié)果表明，使用所研發(fā)打磨機(jī)進(jìn)行治理的曲線鋼軌波磨區(qū)段的異常振動(dòng)和嘯叫聲明顯消失，打磨后車廂振動(dòng)明顯降低，噪聲明顯減弱.

作者研發(fā)的曲線鋼軌的主動(dòng)修復(fù)技術(shù)和專用打磨設(shè)備，能有效地降低波磨的發(fā)展速度,延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命，大大提高地鐵車輛運(yùn)行品質(zhì)，有效保護(hù)車輛本身的各大重要零部件，減少車輛維修和維護(hù)保養(yǎng)工作量.由于提高了線路和車輛的使用壽命，擴(kuò)大了產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的運(yùn)營(yíng)時(shí)間，可為地鐵運(yùn)營(yíng)單位帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，另一方面也可大大節(jié)省運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，間接提升產(chǎn)值.