城市軌道交通鋼軌打磨技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

摘要：文章基于國內(nèi)外城市軌道鋼軌打磨發(fā)展歷程，借鑒國鐵鋼軌打磨先進技術(shù)，介紹國內(nèi)外城市軌道鋼軌打磨方式，并以RGHC打磨車為例分析打磨車維護作業(yè)模式、打磨系統(tǒng)、保障系統(tǒng)等方面特點，從智慧與集成運維、高效與綠色作業(yè)和裝備與工藝升級三方面提出城市軌道鋼軌打磨技術(shù)發(fā)展趨勢，為城市軌道交通鋼軌打磨技術(shù)應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道;鋼軌打磨;研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

中圖分類號：U213.4文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.046

文章編號：1673-4874（2021）01-0171-04

0引言

截至2019年年底，全國城市軌道交通運營總里程突破6600km，隨著眾多城市相繼開展城市軌道交通網(wǎng)的規(guī)劃，這一數(shù)字還將持續(xù)上升。鋼軌是軌道結(jié)構(gòu)中最重要的組成部件，它直接與機車車輛車輪接觸，承受上部傳來的輪軌荷載，此外，鋼軌還受到溫度荷載、無縫線路梁軌相互作用力、列車制動力等作用，除了產(chǎn)生巨大的輪軌接觸應(yīng)力外，還會產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切等應(yīng)力，實際受力情況十分復(fù)雜[1]。鋼軌在服役期間往往形成諸如裂紋、脫落、波磨、肥邊等各類傷損，嚴(yán)重影響城市軌道交通的安全性和舒適性。

目前解決鋼軌傷損問題的方式主要有更換鋼軌與鋼軌打磨兩種。前者由于經(jīng)濟效益低、作業(yè)“窗口期”長等缺點，普遍不適用于我國城市軌道交通運維;后者則由于維護成本低、使用壽命長、噪音明顯降低、改善輪軌關(guān)系和提高線路平順性等眾多優(yōu)點而被普遍采用。本文針對城市軌道鋼軌打磨現(xiàn)狀，介紹鋼軌打磨理論、城市軌道鋼軌打磨技術(shù)和打磨裝備等相關(guān)研究與應(yīng)用前沿情況，輔以課題組[2]長期從事軌道運維作業(yè)經(jīng)驗，結(jié)合城市軌道運營需求，試圖預(yù)測城市軌道鋼軌打磨技術(shù)發(fā)展趨勢，為今后城市軌道交通智慧運維研究提供基礎(chǔ)。

1鋼軌打磨理論圖

在運營過程中，鋼軌病害的出現(xiàn)不僅受線路狀態(tài)、自然水文條件等因素影響，更重要的是與車輪-鋼軌接觸狀態(tài)與受力情況有關(guān)：鋼軌位于列車下部且與車輪踏面直接接觸，列車車輪通過接觸鋼軌保證行駛平順，鋼軌由于與車輪之間存在接觸，不可避免地受到縱向摩擦從而產(chǎn)生表面及塑性變形;列車行駛過程中由于側(cè)向力的作用增添脫軌風(fēng)險，車輪采用踏面錐度的方式降低其危險性，但踏面錐度會使列車在行駛過程中出現(xiàn)蛇形運動等情況，發(fā)生鋼軌表面磨耗;在長期運營中，鋼軌不斷受到來自車輪的各類荷載作用，由于疲勞作用導(dǎo)致出現(xiàn)波浪形磨耗。鋼軌打磨的目的就是為了及時消除上述病害并保持適當(dāng)?shù)妮嗆壸饔藐P(guān)系，從而保證列車行駛順暢。

鋼軌打磨過程絕大多數(shù)通過砂輪的高速旋轉(zhuǎn)來完成（如圖1所示），砂輪以正壓力F貼合于鋼軌表面，在沿著鋼軌以速度v縱向滑動的過程中伴隨旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為θ，砂輪可調(diào)整接觸角度以便與鋼軌各面形成貼合關(guān)系，其通過表面打磨砂粒將鋼軌病害消除，還可對鋼軌廓形進行修復(fù)。劉月明[3]、Mogel E[4]等人在其研究中解釋了打磨的理論基礎(chǔ)：在鋼軌打磨的材料去除模型中，砂輪與鋼軌之間的接觸面積、材料去除效率、接觸壓力等參量是衡量鋼軌打磨效率和精度的關(guān)鍵因素。鋼軌打磨作業(yè)過程可以利用式（1）、式（2）進行表達：

（1）

（2）

式中：V——砂輪打磨鋼軌效率;

c——鋼軌打磨過程中鋼軌材料被打磨體積與砂輪材料損失體積之比;

H_r、H_w、M、S、α——與砂輪材料有關(guān)的參數(shù);

k_i——與鋼軌打磨有關(guān)的因素參數(shù)。

觀察式（1）、式（2）可知：鋼軌打磨效果與眾多因素相關(guān)，打磨效果不僅與砂輪壓力、轉(zhuǎn)動速度等密切相關(guān)，還與砂輪本身材料相關(guān)，根據(jù)機理公式可以進行針對性打磨方案的制定與改善。

2城市軌道鋼軌打磨技術(shù)現(xiàn)狀

鋼軌打磨是通過砂輪的高速旋轉(zhuǎn)磨削來清除鋼軌軌頭表面金屬的過程，主要目的是消除鋼軌頂面各種缺陷，減緩輪軌間不利磨耗的發(fā)展，降低輪軌接觸應(yīng)力，獲得與車輪踏面外形匹配合理的鋼軌廓形[5]。國內(nèi)外針對鋼軌打磨技術(shù)的研究與應(yīng)用已有60余年，期間積累了豐富的鋼軌打磨經(jīng)驗。近年來隨著城市軌道交通線路日益繁忙，城市軌道鋼軌打磨技術(shù)也逐步升級與應(yīng)用。與國家鐵路線路不同的是，城市軌道線路具有發(fā)車密度高、區(qū)間長度短、線路情況復(fù)雜、道岔與坡道多等特點[6]，為了保證安全運行，城市軌道用鋼軌打磨必須切實有效且經(jīng)濟性較好。

2.1鋼軌打磨技術(shù)類別

鋼軌打磨維護作業(yè)的技術(shù)類別隨著國內(nèi)外運營經(jīng)驗的累積已非常明朗，基本延續(xù)瑞士Speno公司[7]早期研發(fā)的打磨類別，即預(yù)打磨、預(yù)防性打磨、修復(fù)性打磨。預(yù)打磨是針對鋼軌鋪設(shè)前已知位置的鋼軌缺陷，為消除銹蝕、斑點和軌頂缺陷而進行的;預(yù)防性打磨是為了防止中初始裂紋擴展或深入而進行的，可有效延長鋼軌使用壽命，一般范圍在0.2mm以內(nèi);修復(fù)性打磨與預(yù)防性打磨不同，其主要針對已經(jīng)出現(xiàn)較大傷損或廓形變化的鋼軌，在多次重復(fù)性作業(yè)后才能完成，一般范圍在1.0～1.5mm。學(xué)者們在此基礎(chǔ)上，進行相關(guān)打磨模式的更新與升級：澳大利亞學(xué)者[8]應(yīng)用預(yù)防性打磨方式平衡輪軌受力，調(diào)整車輪滾動半徑，提高曲線地段通過能力，減少鋼軌側(cè)磨;郭戰(zhàn)偉[9]基于蠕滑效應(yīng)，創(chuàng)新研究出一套基于輪軌最小蠕滑效應(yīng)的鋼軌打磨方案，明顯提高了運營線運輸能力。

2.2鋼軌打磨技術(shù)及配套裝備

鋼軌打磨技術(shù)流程可以概述為：操作人員根據(jù)打磨參數(shù)操作打磨機具，以較低速度運行在軌道線路中，通過控制系統(tǒng)調(diào)整打磨機具中的各項參數(shù)，例如砂輪角度的調(diào)整，從而利用砂輪轉(zhuǎn)動對鋼軌軌頭進行打磨。打磨裝備通過循環(huán)往復(fù)走行，實現(xiàn)整個斷面打磨，利用包洛氏打磨，最終將鋼軌表面病害消除，形成符合運營標(biāo)準(zhǔn)的鋼軌截面。21世紀(jì)，我國軌道交通建設(shè)蓬勃發(fā)展，軌道維護作業(yè)水平逐步趕超國際先進水平，西安、北京、廣州等地軌道交通公司通過引進與再創(chuàng)新，開始采用打磨車進行運營線維護，效果頗佳。以美國Harsco Rail公司為代表的鋼軌打磨車，配合駕駛、打磨組件和安全系統(tǒng)等部件，通過配置軟件可滿足城市軌道鋼軌打磨作業(yè)需要的各規(guī)定角度。同時，美國Loram打磨車裝配8、16磨頭，其打磨效率與打磨精度也非常理想。2014年由我國自主研發(fā)的GMC16A型打磨車交付使用，開啟了我國城市軌道鋼軌維護作業(yè)的新篇章。下文將以RGHC打磨車為例，從打磨車維護作業(yè)模式、打磨系統(tǒng)、保障系統(tǒng)等方面介紹城市軌道交通鋼軌打磨技術(shù)與裝備。

（1）維護作業(yè)模式

RGHC打磨車通過柴油系統(tǒng)提供推進動力，利用空氣制動，針對磨頭定位采用液壓輔助，同時配備防火系統(tǒng)，作業(yè)期間駕駛員通過計算機完全控制打磨車作業(yè)，應(yīng)用計算機輔助作業(yè)，可將10個以內(nèi)打磨位置、99種打磨方式存入系統(tǒng)，提高作業(yè)效率。作業(yè)時可選模式有8頭、10頭兩種，同時可以進行單元結(jié)構(gòu)作業(yè)，單元結(jié)構(gòu)作業(yè)有8、16、20、24、30、32和40磨頭。其打磨車相較其他車型，在作業(yè)線路長度、作業(yè)機動性、作業(yè)經(jīng)濟性上明顯占優(yōu)。

（2）打磨系統(tǒng)

RGHC打磨車采用液壓系統(tǒng)獨立驅(qū)動打磨頭，各打磨單元分別通過磨石、馬達和滑動部件組成，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟成本低、磨頭靈敏性好和易于拆卸維護，但作業(yè)期間要特別注意防止漏油等問題的出現(xiàn)，以免導(dǎo)致火災(zāi)。通過此設(shè)備可以精確地將砂輪放置于待維護鋼軌上，駕駛員通過參數(shù)設(shè)置調(diào)整打磨組件傾角，各磨頭可調(diào)整工作范圍為內(nèi)側(cè)75°至外側(cè)45°。為提高打磨效率，利用鏈接單元保證砂輪與鋼軌接觸，以便保持磨石邊緣中心位置與鋼軌打磨位置一致。本車型雖然由于驅(qū)動方式不同，在火災(zāi)事故率、運行平穩(wěn)性等方面比其他類型打磨車具有劣勢，但綜合考慮城市軌道線路特點，本車型與城市軌道鋼軌打磨作業(yè)匹配性更好。

（3）保障系統(tǒng)

RGHC打磨車擁有控制系統(tǒng)、集塵系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、I/O控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，涉及城市軌道打磨作業(yè)、作業(yè)保障、安全作業(yè)和作業(yè)評價等方面，同時其由于采取了特殊設(shè)計，可降低噪聲、防止飛濺和提高作業(yè)安全性。

3城市軌道鋼軌打磨技術(shù)發(fā)展趨勢

當(dāng)前，由于我國城市軌道建設(shè)與運維技術(shù)飛速發(fā)展，加上國鐵鋼軌維護作業(yè)日漸成熟，以砂輪端面打磨、砂輪周面打磨為主的打磨技術(shù)正在從國鐵領(lǐng)域應(yīng)用于城市軌道鋼軌打磨領(lǐng)域。與此同時，利用銃刀盤與砂輪配合打磨相關(guān)技術(shù)切削效果明顯，從工藝上能夠滿足修復(fù)性打磨要求。隨著信息化技術(shù)逐漸滲透各大產(chǎn)業(yè)，國家先進制造業(yè)發(fā)展和我國綜合國力的增強，城市軌道鋼軌打磨技術(shù)將邁向智慧集成化和綠色高效化，因此，先進裝備的研發(fā)也刻不容緩。

3.1智慧與集成運維

隨著城市軌道運營里程不斷增加，交通擁堵使社會對城市軌道需求越來越大，鋼軌打磨作業(yè)“天窗”時間也逐步減少，城市軌道鋼軌打磨方式正向“預(yù)打磨+修復(fù)性打磨”方式轉(zhuǎn)變，這些情況將造成打磨重復(fù)次數(shù)增加等后果，大大影響城市軌道運營的順暢性。與此同時，伴隨著城市軌道鋼軌打磨質(zhì)量評價體系的逐步推進與出臺，鋼軌打磨結(jié)果的實時監(jiān)測也將花費資金與時間。為了保證檢測、打磨、監(jiān)測和打磨方式選取的科學(xué)性，城市軌道鋼軌打磨技術(shù)將朝著智能化、集成化轉(zhuǎn)變。在保證城市軌道鋼軌打磨效果的基礎(chǔ)上，將檢測鋼軌狀態(tài)、在線比對標(biāo)準(zhǔn)廓形、自動生成打磨策略、打磨設(shè)備實時監(jiān)管和鋼軌壽命預(yù)測進行集成創(chuàng)新，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、云計算等模式進行智慧運維，將成為城市軌道鋼軌打磨作業(yè)的發(fā)展趨勢。

3.2高效與綠色作業(yè)

目前鋼軌打磨技術(shù)已經(jīng)從理論奠基向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)變，不論是軌道交通單位還是作業(yè)人員都十分渴求高效的鋼軌打磨技術(shù)，如何摒棄繁瑣耗時的多次打磨，如何利用管理經(jīng)驗培訓(xùn)與提高作業(yè)人員效率，如何從砂輪材料、打磨車結(jié)構(gòu)和打磨管理手段等方面進行技術(shù)創(chuàng)新，成為鋼軌病害整治領(lǐng)域的研究發(fā)展趨勢。同時，由于我國幅員遼闊，軌道打磨技術(shù)指導(dǎo)作業(yè)還不具有針對性，不同線路條件、不同鋼軌和不同地區(qū)的差異化，導(dǎo)致作業(yè)經(jīng)濟性不高，存在普適性作業(yè)技術(shù)居多而特色性作業(yè)技術(shù)不足的問題，不但對城市軌道鋼軌打磨技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了阻礙，還與綠色減排的口號相悖，這也是本領(lǐng)域應(yīng)該注意的問題。

3.3裝備與工藝升級

鋼軌打磨依靠裝備工具進行作業(yè)，隨著我國金屬加工與制造行業(yè)、車床自動化、人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展，從工藝層面優(yōu)化打磨流程、從制造領(lǐng)域加快裝備升級、從技術(shù)層面發(fā)掘新型運維理念都有希望成為我國城市軌道鋼軌打磨技術(shù)的突破口。此外，隨著高速鐵路關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)克難，研發(fā)與創(chuàng)新針對我國國情的城市軌道運維工藝與配套裝備刻不容緩，特別是針對預(yù)打磨、修復(fù)性打磨方面，以創(chuàng)新驅(qū)動生產(chǎn)和產(chǎn)學(xué)研共享優(yōu)質(zhì)資源為手段的先進裝備制造，是今后城市軌道鋼軌打磨技術(shù)跨越式發(fā)展的核心。

4結(jié)語

近年來，隨著我國交通強國目標(biāo)的制定，城市軌道運營里程不斷攀升，這給城市軌道維護尤其是鋼軌打磨作業(yè)帶來巨大壓力。本文基于國內(nèi)外城市軌道鋼軌打磨發(fā)展歷程，借鑒國鐵鋼軌打磨先進技術(shù)，在簡述鋼軌打磨理論的基礎(chǔ)上，介紹國內(nèi)外城市軌道鋼軌打磨方式，并以RGHC打磨車為例分析打磨車維護作業(yè)模式、打磨系統(tǒng)、保障系統(tǒng)等方面特點，從智慧與集成運維、高效與綠色作業(yè)和裝備與工藝升級三方面提出城市軌道鋼軌打磨技術(shù)發(fā)展趨勢。

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