個(gè)性化鋼軌廓形打磨在北京地鐵的應(yīng)用分析*

時(shí)光明 丁 明 袁 健 白 磊

(1.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司線(xiàn)路分公司,100082,北京;2.北京九州一軌環(huán)境科技股份有限公司智慧運(yùn)維中心,100070,北京∥第一作者,高級(jí)工程師)

鋼軌廓形打磨可以有效保護(hù)鋼軌，是處理鋼軌異常波磨的有效手段。但目前國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者多側(cè)重研究曲線(xiàn)鋼軌的使用壽命評(píng)估[1-2]、曲線(xiàn)鋼軌廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)與曲線(xiàn)鋼軌病害治理[3-7]等，對(duì)鋼軌打磨后跟蹤分析和效果評(píng)價(jià)的相關(guān)研究較少。

本文在北京地鐵6號(hào)線(xiàn)草房站—物資學(xué)院路站區(qū)間選擇了一段半徑為650 m的曲線(xiàn)段作為試驗(yàn)段，進(jìn)行鋼軌個(gè)性化廓形打磨試驗(yàn)。試驗(yàn)曲線(xiàn)段上行方向里程為K31+501.057—K31+291.470，下行方向里程為K31+292.831—K31+502.190。

1 個(gè)性化廓形設(shè)計(jì)

2018年6月，通過(guò)線(xiàn)路調(diào)查，采集了試驗(yàn)曲線(xiàn)段的鋼軌廓形、疲勞傷損和波磨等情況。使用動(dòng)力學(xué)仿真軟件分析鋼軌廓形和車(chē)輪踏面數(shù)據(jù)，計(jì)算出鋼軌打磨廓形。

1.1 前期線(xiàn)路調(diào)查

經(jīng)調(diào)查，試驗(yàn)曲線(xiàn)段的上下股鋼軌均存在明顯磨耗。在上行方向K31+416處，上股垂磨量為4.586 mm、側(cè)磨量為2.948 mm，下股垂磨量為3.951 mm;上股鋼軌有魚(yú)鱗紋和輕微波磨，下股鋼軌存在掉塊及明顯波磨現(xiàn)象。在上行方向K31+390處，下股波磨波深約0.200～0.247 mm。

1.2 鋼軌最佳設(shè)計(jì)廓形

依據(jù)輪軌蠕滑最小化和輪軌耦合接觸理論，建立車(chē)輛-軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。利用個(gè)性化鋼軌打磨廓形設(shè)計(jì)系統(tǒng)，得到試驗(yàn)曲線(xiàn)段上下股鋼軌的最佳設(shè)計(jì)廓形。以上行方向?yàn)槔?，上股鋼軌最佳設(shè)計(jì)廓形與標(biāo)準(zhǔn)60軌廓形基本一致，下股鋼軌最佳設(shè)計(jì)廓形與標(biāo)準(zhǔn)60軌廓形有一定差異(如圖1所示)。

圖1 上行方向下股鋼軌最佳設(shè)計(jì)廓形與標(biāo)準(zhǔn)60軌廓形對(duì)比

2 個(gè)性化廓形打磨施工

對(duì)于實(shí)測(cè)廓形與最佳設(shè)計(jì)廓形偏差較大的鋼軌(以上行曲線(xiàn)為例，如圖2所示)，需要先銑磨后打磨。2018年7月，北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司線(xiàn)路分公司按計(jì)劃使用銑磨車(chē)對(duì)試驗(yàn)曲線(xiàn)線(xiàn)路進(jìn)行鋼軌銑磨作業(yè)，銑刀廓形為標(biāo)準(zhǔn)60軌。2018年8月—9月，以銑磨后鋼軌廓形為基礎(chǔ)，使用HSG-city-02型快速打磨車(chē)，對(duì)鋼軌個(gè)性化打磨至最佳設(shè)計(jì)廓形。試驗(yàn)曲線(xiàn)段的打磨速度為30 km/h。上下行方向有效打磨范圍均為K31+300～K31+500，打磨區(qū)段兩邊各延伸100 m作為緩沖區(qū)間，共計(jì)使用7個(gè)打磨作業(yè)天窗。

圖2 試驗(yàn)曲線(xiàn)段上行方向鋼軌最佳設(shè)計(jì)廓形與實(shí)測(cè)廓形

經(jīng)評(píng)定：打磨前，上行方向上下股的GQI(打磨質(zhì)量指標(biāo))分別為46.7、47.8，下行方向上下股的GQI分別為79.7、42.5；廓形打磨后，上行方向上下股的GQI分別為93.0、97.8，下行方向上下股的GQI分別為94.3、94.8，均為優(yōu)良，說(shuō)明鋼軌廓形打磨質(zhì)量合格。

3 跟蹤測(cè)試分析

GQI只能體現(xiàn)鋼軌個(gè)性化打磨作業(yè)的即時(shí)效果，并不能反映線(xiàn)路輪軌關(guān)系改善情況。為了更全面評(píng)定鋼軌打磨效果，本文在打磨后于試驗(yàn)曲線(xiàn)段設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，定期觀測(cè)并分析觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算鋼軌波磨發(fā)展速率，分析鋼軌打磨對(duì)鋼軌波磨發(fā)展的影響，掌握鋼軌打磨作業(yè)的持續(xù)效果。此外，通過(guò)記錄病害發(fā)展情況，把握打磨后鋼軌磨耗及波磨發(fā)展趨勢(shì)，可對(duì)鋼軌養(yǎng)護(hù)及下一階段打磨等提供意見(jiàn)。

3.1 廓形變化情況

廓形打磨后3～4個(gè)月，試驗(yàn)曲線(xiàn)段鋼軌廓形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，鋼軌均未發(fā)生明顯磨耗。

圖3 鋼軌廓形變化

3.2 疲勞傷損發(fā)展情況

廓形打磨3～4個(gè)月后，試驗(yàn)曲線(xiàn)段的鋼軌均無(wú)明顯疲勞傷損和魚(yú)鱗紋等病害，如圖4所示。

圖4 疲勞傷損發(fā)展

3.3 波磨發(fā)展情況

打磨前，波磨波深為0.2～0.3 mm；打磨后，波磨完全消除；打磨完成4個(gè)月后，波磨波深最大值發(fā)展到0.1 mm左右，已形成肉眼可見(jiàn)波磨。

其中上行方向下股鋼軌波磨發(fā)展如圖5所示。由圖5可知：鋼軌于2018年2月銑磨后， 2018年3—6月的波磨波深平均發(fā)展速率為0.052 mm/月；鋼軌于2018年7月廓形打磨后， 2018年8月—2019年2月的波磨波深平均發(fā)展速率為0.034 mm/月。經(jīng)對(duì)比可知，鋼軌廓形打磨有效減緩了波磨發(fā)展速率。

圖5 上行試驗(yàn)曲線(xiàn)下股鋼軌波磨波深發(fā)展趨勢(shì)

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于鋼軌廓形和車(chē)輪踏面數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)果，借助動(dòng)力學(xué)仿真軟件計(jì)算鋼軌打磨廓形，進(jìn)行鋼軌銑磨和打磨后，定期觀測(cè)并分析鋼軌廓形變化、疲勞傷損發(fā)展、波磨發(fā)展等情況，對(duì)比鋼軌銑磨和鋼軌廓形打磨的質(zhì)量效果。經(jīng)對(duì)比，相比于鋼軌銑磨，鋼軌廓形打磨減緩了鋼軌波磨的發(fā)展速率，可將打磨周期從3個(gè)月延長(zhǎng)至6個(gè)月。

試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼軌廓形打磨可有效改善輪軌接觸關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞傷損的良好控制。這說(shuō)明地鐵采用個(gè)性化鋼軌廓形打磨有較好效果，可有效延長(zhǎng)曲線(xiàn)鋼軌使用壽命。