神朔鐵路鋼軌打磨技術(shù)

黃 鵬，南 杰，李 軍，丁 源

（1.國家能源神朔鐵路分公司，陜西神木 719316；2.國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100033）

神朔鐵路西起陜西省神木縣大柳塔，東至朔州西，北與包神鐵路貫通，南經(jīng)神延鐵路與北同蒲鐵路、朔黃鐵路接軌。線路全長266 km，是我國Ⅰ級(jí)干線電氣化鐵路，主要承擔(dān)神府東勝礦區(qū)的煤炭外運(yùn)任務(wù)，年運(yùn)量超過2.5億t。

近年來，隨著列車軸重的提高和行車密度的增加，鋼軌病害不斷凸顯，主要表現(xiàn)為鋼軌表面接觸疲勞和磨耗。鋼軌表面接觸疲勞的形成與較高的輪軌接觸應(yīng)力水平密切相關(guān)［1］，主要分布在鋼軌表層［2-3］，深度一般不超過5～10 mm。嚴(yán)重的鋼軌表面接觸疲勞會(huì)大幅提高鋼軌核傷產(chǎn)生概率，增加安全風(fēng)險(xiǎn)［4］。而鋼軌磨耗可明顯改變鋼軌型面，直接影響輪軌接觸狀態(tài)［5］，降低直線區(qū)段穩(wěn)定性和曲線區(qū)段通過性，增加輪軌相互動(dòng)力作用。經(jīng)過多年研究，鋼軌打磨不僅可以有效去除鋼軌表面接觸疲勞傷損，且可改變鋼軌型面，達(dá)到優(yōu)化輪軌型面匹配特性、改善輪軌相互動(dòng)力作用、延緩鋼軌接觸疲勞傷損和磨耗發(fā)展的目的。因此，鋼軌打磨已成為鋼軌養(yǎng)護(hù)維修、延長鋼軌壽命的重要手段［6-8］。

基于此，神朔鐵路配置了96個(gè)磨頭的全自動(dòng)鋼軌打磨列車，自2017年開始進(jìn)行鋼軌打磨。經(jīng)過長期經(jīng)驗(yàn)積累，形成了一套適用于神朔鐵路運(yùn)營環(huán)境的鋼軌打磨技術(shù)體系。本文將著重介紹神朔鐵路的鋼軌打磨技術(shù)及打磨效果，為重載鐵路鋼軌打磨提供借鑒。

1 鋼軌傷損特征

神朔鐵路上行重載線全線鋪設(shè)75 kg/m 鋼軌，材質(zhì)主要為U78CrV 熱處理軌。隨著運(yùn)量的逐年攀升，鋼軌接觸疲勞和磨耗不斷加劇。圖1為半徑500 m 以內(nèi)曲線區(qū)段鋼軌表面狀態(tài)，可知上股接觸光帶寬度超過55 mm，軌距面?zhèn)饶ッ黠@，軌肩出現(xiàn)明顯的接觸疲勞裂紋，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)剝離掉塊；下股接觸光帶寬度約50 mm，軌頂呈扁平狀，軌頂中心區(qū)域剝離掉塊嚴(yán)重。圖2為直線區(qū)段鋼軌表面狀態(tài)，可知接觸光帶寬度超過50 mm，表面狀態(tài)良好，未出現(xiàn)顯著接觸疲勞傷損，但部分區(qū)段軌肩處存在細(xì)微的接觸疲勞裂紋，其分布特征無規(guī)律性，2 股鋼軌同時(shí)或交替出現(xiàn)。此外，部分區(qū)段嚴(yán)重的鋼軌波浪形磨耗是神朔鐵路的另一重要病害形式（見圖3），在直線和曲線區(qū)段均有出現(xiàn)。

圖1 小半徑曲線區(qū)段鋼軌表面狀態(tài)

圖2 直線區(qū)段鋼軌表面狀態(tài)

圖3 鋼軌波浪形磨耗

2 打磨廓形及工藝

曲線區(qū)段鋼軌表面?zhèn)麚p狀態(tài)表明，列車通過曲線時(shí)輪軌間存在大幅值的導(dǎo)向力矩，輪軌接觸區(qū)域內(nèi)形成高水平的剪切應(yīng)力和蠕滑率，使得接觸疲勞裂紋在鋼軌表面快速萌生和發(fā)展。提高曲線通過性能、降低輪對(duì)沖角和切向荷載是曲線鋼軌打磨的首要任務(wù)。而直線區(qū)段鋼軌表面?zhèn)麚p狀態(tài)表明，輪對(duì)在部分直線區(qū)段的橫移幅值較大，導(dǎo)致輪緣根部接觸軌肩。提高列車穩(wěn)定性、降低輪對(duì)橫移幅值是直線區(qū)段鋼軌打磨的主要目的?；诖怂悸?，設(shè)計(jì)得到適用于神朔鐵路的鋼軌打磨模板，如圖4所示。

圖4 鋼軌打磨模板

為評(píng)價(jià)打磨模板的匹配特性，采用磨耗后車輪型面與打磨模板進(jìn)行匹配以分析輪軌接觸狀態(tài)，如圖5所示。由圖5（a）可知，在曲線區(qū)段，上股鋼軌可與輪緣根部形成良好的共形接觸，增加接觸面積，降低接觸應(yīng)力，有利于減小軌肩接觸疲勞裂紋的萌生和發(fā)展速率；下股鋼軌與車輪接觸區(qū)域分布于車輪踏面外側(cè)，滾動(dòng)圓半徑的減小使上下股間的滾動(dòng)圓半徑形成一定差值，補(bǔ)償上下股鋼軌的長度差，減小輪對(duì)沖角，提高曲線通過性能。由圖5（b）可知，在直線區(qū)段，輪軌接觸區(qū)域分布于車輪踏面名義滾動(dòng)圓區(qū)域，避免了軌肩接觸輪緣根部，有利于使等效錐度處于合理范圍，保證列車穩(wěn)定性。由此可知，打磨模板具有良好的匹配特性。

制定合理可行的打磨工藝是在實(shí)踐中應(yīng)用打磨模板的關(guān)鍵［9］。首先根據(jù)實(shí)測(cè)型面與目標(biāo)廓形的差異確定打磨區(qū)域（圖6中陰影部分），由此確定打磨砂輪角度α（打磨砂輪與水平面夾角）的偏轉(zhuǎn)范圍，以覆蓋全部打磨區(qū)域。鋼軌打磨是通過高速旋轉(zhuǎn)的打磨砂輪以一定壓力與鋼軌表面接觸來去除鋼軌表層金屬，因此，各區(qū)域的打磨深度并非實(shí)測(cè)廓形與目標(biāo)廓形間的徑向差值，而是垂直于打磨砂輪工作面方向的差值d。打磨深度曲線如圖7所示。根據(jù)鋼軌表面各區(qū)域打磨深度布置數(shù)量適當(dāng)?shù)拇蚰ド拜?，由此形成合理的打磨工藝?/p>

圖5 輪軌接觸狀態(tài)分析

圖6 打磨區(qū)域示意

圖7 打磨深度曲線（單位：mm）

由于不同區(qū)段鋼軌磨耗和塑性變形程度不同，各區(qū)段打磨區(qū)域和深度也有所差別，據(jù)此適當(dāng)調(diào)整打磨砂輪數(shù)量和偏轉(zhuǎn)角度，制定相應(yīng)的打磨工藝。

3 打磨效果

采用提出的鋼軌打磨廓形和工藝對(duì)神朔鐵路開展鋼軌打磨作業(yè)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鋼軌打磨不僅能有效去除鋼軌表面接觸疲勞，且可以減緩鋼軌和車輪磨耗。

3.1 去除鋼軌表面接觸疲勞

圖8對(duì)比展示了鋼軌打磨對(duì)半徑400～500 m 曲線下股鋼軌接觸疲勞發(fā)展的影響。可知，打磨前鋼軌表面接觸光帶較寬，存在明顯剝離掉塊，打磨后鋼軌表面接觸疲勞傷損完全去除。打磨后通過總重達(dá)到150 Mt 時(shí)鋼軌表面光帶分布均勻，未出現(xiàn)明顯剝離掉塊。由此說明鋼軌打磨可有效去除鋼軌表面接觸疲勞傷損，從而改善輪軌動(dòng)力作用，有效控制鋼軌接觸疲勞損傷的發(fā)展速率。

圖8 鋼軌打磨對(duì)鋼軌接觸疲勞發(fā)展的影響

3.2 減小鋼軌磨耗速率

建立鋼軌磨耗發(fā)展試驗(yàn)段，觀測(cè)打磨前后鋼軌磨耗發(fā)展規(guī)律。試驗(yàn)段內(nèi)共有5 條曲線，表1為打磨前后各曲線鋼軌磨耗速率。與打磨前相比，上股垂向磨耗速率降幅分布范圍為32～83%，平均降幅53%；下股垂向磨耗速率降幅分布范圍為21～64%，平均降幅為45%。因此，鋼軌打磨可有效減緩鋼軌磨耗發(fā)展速率。

表1 打磨前后鋼軌磨耗速率對(duì)比

3.3 減小機(jī)車輪緣磨耗

神朔鐵路運(yùn)行的電力機(jī)車類型主要為HXD型和SS4型，機(jī)車踏面類型為JM3，車輪輪緣標(biāo)準(zhǔn)厚度為34 mm。神朔鐵路2017年10月僅在河?xùn)|運(yùn)輸段部分地段進(jìn)行了鋼軌打磨，2018年4月中旬至11月底進(jìn)行了全線鋼軌打磨。因此，通過分析2017年和2018年的機(jī)車輪緣磨耗速率即可得出鋼軌打磨對(duì)機(jī)車輪緣磨耗的影響規(guī)律。選取8 臺(tái)機(jī)車為研究對(duì)象，測(cè)試打磨前后的輪緣厚度，得到機(jī)車輪緣磨耗速率對(duì)比結(jié)果，見表2?？芍?，打磨前機(jī)車輪緣磨耗速率分布范圍為0.050 2～0.118 7 mm/萬km，平均磨耗速率為0.085 mm/萬km，打磨后機(jī)車輪緣磨耗速率分布范圍為0.025 1～0.089 4 mm/萬km，平均磨耗速率為0.057 mm/萬km，平均磨耗速率減小了32.9%。由此說明，通過鋼軌打磨可顯著改善輪軌動(dòng)力作用，減小輪緣導(dǎo)向壓力，大幅降低車輪輪緣的磨耗速率。

表2 打磨前后不同機(jī)車輪緣磨耗速率對(duì)比

4 結(jié)論

為整治神朔鐵路不斷凸顯的鋼軌病害，本文基于神朔鐵路鋼軌損傷現(xiàn)狀并結(jié)合實(shí)際運(yùn)營環(huán)境，提出有針對(duì)性的鋼軌打磨廓形和工藝。通過對(duì)比打磨前后鋼軌接觸疲勞和輪軌磨耗速率，得出以下結(jié)論。

1）鋼軌磨耗和接觸疲勞是神朔鐵路的主要病害形式。鋼軌磨耗主要表現(xiàn)為曲線上股嚴(yán)重側(cè)磨，以及部分區(qū)段嚴(yán)重的鋼軌波浪形磨耗。鋼軌接觸疲勞同時(shí)存在于曲線上股和下股，以曲線下股更為典型，部分直線區(qū)段左右股軌肩存在明顯接觸疲勞傷損。

2）通過觀測(cè)半徑400～500 m 曲線鋼軌表面狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，鋼軌打磨通過總重達(dá)到150 Mt 時(shí)鋼軌表面光帶分布均勻，未出現(xiàn)明顯剝離掉塊，鋼軌打磨可有效去除鋼軌表面接觸疲勞傷損并控制其發(fā)展速率。

3）對(duì)比打磨前后鋼軌磨耗速率發(fā)現(xiàn)，鋼軌打磨使上股垂向磨耗速率降幅范圍為32%～83%，平均降幅53%，下股垂向磨耗速率降幅范圍為21%～64%，平均降幅為45%。鋼軌打磨可有效減緩鋼軌磨耗發(fā)展速率。

4）對(duì)比打磨前后機(jī)車輪緣磨耗數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，打磨前8 臺(tái)機(jī)車輪緣平均磨耗速率為0.085 mm/萬km，打磨后平均磨耗速率為0.057 mm/萬km，磨耗速率平均減小了32.9%。說明鋼軌打磨可改善輪軌動(dòng)力作用，減小輪緣導(dǎo)向壓力，降低輪緣磨耗速率。

后續(xù)將進(jìn)一步跟蹤鋼軌磨耗和表面接觸疲勞的發(fā)展規(guī)律，根據(jù)神朔鐵路運(yùn)營環(huán)境確定經(jīng)濟(jì)合理的打磨周期。