高速鐵路鋼軌廓形打磨質(zhì)量評估方法及應(yīng)用

俞 喆，張 金，張訓(xùn)全，高 凡，田常海

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081)

鋼軌打磨技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過60多年的發(fā)展已經(jīng)成為高速和重載鐵路一項重要的鋼軌修理技術(shù)。采用鋼軌打磨技術(shù)可有效治理和控制鋼軌表面病害，改善行車平穩(wěn)性和安全性，延長鋼軌的使用壽命，因而在世界各國鐵路都得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。

為了規(guī)范高速鐵路鋼軌打磨作業(yè)，在中國鐵路總公司的組織下，鐵科院金化所起草了《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》(鐵總運〔2014〕357號)，對我國高速鐵路鋼軌打磨作業(yè)質(zhì)量驗收作了詳細(xì)規(guī)定。鋼軌廓形作為衡量高速鐵路鋼軌打磨質(zhì)量的關(guān)鍵因素，在《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》中只有評定其是否合格的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，卻沒有反映打磨前后鋼軌廓形改善程度的指標(biāo)。國外已提出采用鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)[4-5](Grinding Quality Index，GQI)對打磨質(zhì)量進(jìn)行評估的方法，國內(nèi)劉月明等[6]研究并使用GQI對現(xiàn)場打磨作業(yè)進(jìn)行了評估。目前，國內(nèi)外計算GQI的方式相似，均為GQI=n/N×100%(其中GQI為GQI的計算值，n為鋼軌廓形中符合要求的測點數(shù)量，N為鋼軌廓形的總測點數(shù)量)，這種計算方法可以直觀反映打磨前后鋼軌廓形的改善情況，但未對鋼軌各區(qū)域廓形質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)加以區(qū)分，也不能結(jié)合國內(nèi)相應(yīng)打磨標(biāo)準(zhǔn)給出打磨后鋼軌廓形是否合格，對國內(nèi)高速鐵路鋼軌廓形打磨質(zhì)量評估及驗收針對性不強(qiáng)。

本文在借鑒國外鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》中的廓形驗收標(biāo)準(zhǔn)，提出了基于鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)和廓形偏差曲線的評估方法，給出了鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)的控制范圍和打磨建議，并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。

1 評估方法

1.1 鋼軌廓形打磨區(qū)域劃分及權(quán)重

隨著高速鐵路輪軌關(guān)系的深化研究，越來越多的證據(jù)表明鋼軌廓形打磨到位與否直接關(guān)系著動車組的運行狀態(tài)，同時鋼軌各區(qū)域廓形對車輛運行狀態(tài)的影響大不相同?？偨Y(jié)來說：當(dāng)鋼軌軌距角(R80及R13區(qū)域)打磨不夠，即軌距角處鋼軌廓形較打磨目標(biāo)廓形(60D或60N)凸出較多時，易引起動車組構(gòu)架橫向加速度報警或抖車；當(dāng)鋼軌軌距角打磨過多，即軌距角處鋼軌廓形較打磨目標(biāo)廓形(60D或60N)凹陷較多時，易引起動車組低頻晃車[7]。

基于前期的理論研究，結(jié)合以往對動車組報警、抖車及晃車的治理經(jīng)驗，立足打磨實際，將鋼軌按照打磨角度劃分為A，B，C及D這4個區(qū)域(各區(qū)域分別對應(yīng)不同的砂輪打磨角度，見表1和圖1)，同時引入各區(qū)域的廓形權(quán)重系數(shù)綜合評定鋼軌廓形打磨質(zhì)量。

表1 鋼軌廓形打磨區(qū)域與砂輪打磨角度對應(yīng)關(guān)系

圖1 鋼軌廓形打磨區(qū)域劃分

對于鋼軌打磨而言，不同區(qū)域的廓形權(quán)重系數(shù)代表了該區(qū)域在鋼軌打磨中的重要性，以wA，wB，wC和wD分別表示A，B，C和D這4個不同區(qū)域的廓形權(quán)重系數(shù)，滿足

wA+wB+wC+wD=1

wA,wB,wC,wD∈(0,1)

(1)

為了使廓形權(quán)重系數(shù)更具科學(xué)性、可行性和針對性，采用德爾菲法(也稱專家咨詢法)，通過問卷調(diào)查鋼軌打磨領(lǐng)域相關(guān)專家和技術(shù)人員并分析處理反饋結(jié)果，得到各區(qū)域廓形權(quán)重系數(shù)wA=0.223，wB=0.409，wC=0.195，wD=0.173。從鋼軌各區(qū)域權(quán)重系數(shù)可見，其規(guī)律與前期研究[8]得出的結(jié)論一致。

1.2 鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)計算公式

鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)計算時應(yīng)考慮鋼軌各區(qū)域廓形對車輛運行狀態(tài)的影響權(quán)重，計算結(jié)果能判定鋼軌打磨廓形是否合格且量化廓形合格與否的具體程度，同時還需具有數(shù)據(jù)處理簡便、計算結(jié)果直觀等優(yōu)點。基于上述原則，根據(jù)鋼軌廓形與目標(biāo)廓形的偏差將GQI值的計算公式分為2種工況。

工況1：當(dāng)鋼軌廓形偏差數(shù)據(jù)均在《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求范圍內(nèi)，即鋼軌廓形打磨質(zhì)量合格時，GQI值為

GQI=80+20(1-X)

(2)

其中，

可是如果沒有直角∠POQ呢，或點M不是中點呢，上述方法便不再有效.動點M受到點P、Q的共同影響而變化，該如何分析？我們不妨借助向量的知識究其本質(zhì).

X=

式中：nA，nB，nC，nD分別為A，B，C，D這4個不同區(qū)域的砂輪打磨角度數(shù)量；σi為鋼軌廓形i角度下的實際偏差；σi標(biāo)為i角度下《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求的正負(fù)偏差限值，當(dāng)σi為正偏差時，σi標(biāo)為對應(yīng)角度下《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求的正偏差限值，當(dāng)σi為負(fù)偏差時，σi標(biāo)為對應(yīng)角度下《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求的負(fù)偏差限值。

工況2：當(dāng)鋼軌廓形在個別區(qū)域偏差超出《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求范圍時，即鋼軌廓形打磨質(zhì)量不合格時，GQI值為

GQI=80-20Y

(3)

其中，

Y=

從式(2)和式(3)可見，當(dāng)GQI值≥80時，鋼軌打磨質(zhì)量合格，且分?jǐn)?shù)越高，實測廓形和目標(biāo)廓形越接近；當(dāng)GQI值<80時，則鋼軌打磨質(zhì)量不合格，分?jǐn)?shù)越低，實測廓形和目標(biāo)廓形偏離程度越大。

1.3 鋼軌廓形偏差曲線

圖2 GQI值為40.6時廓形偏差曲線

圖3 GQI值為40.8時廓形偏差曲線

2 現(xiàn)場應(yīng)用

使用該評估方法分別對出現(xiàn)動車組構(gòu)架橫向加速度超限報警及車體低頻晃車的典型線路進(jìn)行了分析，鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)計算中目標(biāo)廓形為設(shè)計廓形60D[9]。

2.1 動車組構(gòu)架橫向加速度超限報警

以鄭徐高鐵及京滬高鐵為例，對報警區(qū)段及未報警區(qū)段鋼軌GQI值和偏差曲線進(jìn)行了分析，GQI值結(jié)果見表2，典型鋼軌廓形偏差曲線如圖4和圖5所示。由表2及圖4和圖5可見：與設(shè)計廓形60D相比，出現(xiàn)報警區(qū)段的廓形偏差曲線均超出標(biāo)準(zhǔn)要求正偏差限值，同時其GQI值較低，鄭徐高鐵報警區(qū)段左股GQI值為52～60、右股GQI值為64～87，其中GQI值低于60的占50%、低于70的占80%；京滬高鐵報警區(qū)段左股GQI值為48～68、右股GQI值為50～65，其中GQI值低于60的占80%、低于70的占100%；在未出現(xiàn)報警區(qū)段的同一行別線路上，不管是鄭徐高鐵還是京滬高鐵，其廓形偏差曲線大部分都在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，GQI值在70以上的占100%，其中高于75的占90%。

表2 同一線路不同區(qū)段鋼軌GQI值

圖4 報警區(qū)段典型鋼軌廓形偏差曲線

圖5 未報警區(qū)段典型鋼軌廓形偏差趨勢

2.2 動車組車體低頻晃車

以滬蓉線和杭深線為例，對出現(xiàn)晃車區(qū)段和未出現(xiàn)晃車區(qū)段鋼軌的GQI值和偏差曲線進(jìn)行了分析，GQI值結(jié)果見表3，典型鋼軌廓形偏差曲線如圖6和圖7所示。由表2和表3及圖4—圖7可見：晃車區(qū)段鋼軌GQI值和廓形偏差規(guī)律與報警區(qū)段相差較大，報警區(qū)段左右股鋼軌廓形偏差曲線均超出標(biāo)準(zhǔn)要求正偏差限值，而晃車區(qū)段以左右股廓形偏差曲線同時超出負(fù)偏差限值為主，但也存在一股超出正偏差限值、另一股超出負(fù)偏差限值的情況(即2股鋼軌廓形明顯不對稱)；晃車區(qū)段GQI 值變化幅度較大，滬蓉線實測鋼軌GQI值為26～76，GQI 值低于70的占70%、低于60的占50%；杭深線實測鋼軌GQI為39～75，GQI值低于70的占90%、低于60的占50%；杭深線未出現(xiàn)晃車的杭甬段及滬蓉線晃車區(qū)段打磨后(晃車消失)的鋼軌GQI值在70以上的占比100%，高于75 的占比也達(dá)到了100%，且GQI值的變化范圍較小。

表3 同一線路不同區(qū)段鋼軌GQI值

圖6 晃車區(qū)段打磨前典型鋼軌廓形偏差曲線

圖7 晃車區(qū)段打磨后典型鋼軌廓形偏差曲線

2.3 綜合分析

從上述對動車組構(gòu)架報警和晃車的分析可見，當(dāng)鋼軌廓形偏差曲線超出正偏差限值且GQI值大部分低于60時，容易導(dǎo)致動車組出現(xiàn)構(gòu)架報警；而當(dāng)鋼軌偏差曲線超出負(fù)偏差限值且GQI值大部分低于70或鋼軌GQI值小于80且左右股鋼軌GQI差值大于20時，容易導(dǎo)致動車組出現(xiàn)晃車。所以，保證線路鋼軌GQI值大于70且GQI變化范圍較小，可以有效減輕或消除動車組構(gòu)架報警、晃車等異常振動，提高動車組的運行品質(zhì)。

3 鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)控制

除上述典型線路的分析數(shù)據(jù)外，還對大量實測鋼軌廓形進(jìn)行了質(zhì)量評估，基于上述評估數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，結(jié)合前期對動車組晃車、報警及抖車等異常振動的研究，初步提出鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)分級及打磨建議見表4，其中鋼軌廓形打磨質(zhì)量評判以《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》為基準(zhǔn)。

表4 鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)分級及打磨建議

4 結(jié) 論

(1)提出的GQI值計算公式考慮了鋼軌各區(qū)域廓形對車輛運行狀態(tài)的影響權(quán)重，計算結(jié)果不僅能評判鋼軌打磨廓形是否達(dá)到《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求，而且可以量化表征打磨后鋼軌廓形與目標(biāo)廓形偏離或者吻合的程度。

(2)大量實測數(shù)據(jù)驗證表明，鋼軌廓形偏差曲線超出正偏差限值且GQI值大部分低于60時，容易導(dǎo)致動車組出現(xiàn)構(gòu)架報警；鋼軌廓形偏差曲線超出負(fù)偏差限值且GQI值大部分低于70或者GQI值小于80且左右股鋼軌GQI差值大于20時，容易導(dǎo)致動車組出現(xiàn)晃車；保證GQI值大于70且GQI變化范圍較小，可以有效減輕或消除動車組構(gòu)架報警、晃車等異常振動，提高動車組的運行品質(zhì)。

(3)采用鋼軌廓形偏差曲線并結(jié)合鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)的評估方法，不僅可以對鋼軌打磨質(zhì)量進(jìn)行評估，而且可以對鋼軌廓形狀態(tài)是否會導(dǎo)致動車組異常振動進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而給出合理的鋼軌打磨建議。