高速鐵路道岔鋼軌?mèng)~鱗紋病害小型機(jī)械打磨技術(shù)

張金 田常海 俞喆 石瑞喜 劉超 李晨光

1.中國(guó)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(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京高鐵工務(wù)段，北京 100860

我國(guó)高速鐵路主要鋪設(shè)18 號(hào)和42 號(hào)道岔。開(kāi)通前道岔鋼軌要進(jìn)行預(yù)打磨，開(kāi)通后按一定周期進(jìn)行預(yù)防性打磨，對(duì)傷損道岔鋼軌應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修理性打磨。鋼軌打磨是消除鋼軌病害、修正軌頭廓形、改善輪軌匹配關(guān)系的有效手段，已得到廣泛應(yīng)用［1-4］。經(jīng)過(guò)多年研究和實(shí)踐，道岔大型機(jī)械打磨技術(shù)日趨成熟，中國(guó)鐵路總公司頒布了Q/CR 681—2018《高速鐵路鋼軌與道岔大型機(jī)械打磨驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》。

新建高速鐵路線路開(kāi)通前道岔鋼軌預(yù)打磨時(shí)，由于打磨時(shí)間有限，一般僅使用大型機(jī)械打磨直向道岔，不打磨側(cè)向道岔。另外，由于道岔曲線無(wú)法設(shè)置超高，側(cè)向道岔鋼軌?mèng)~鱗紋病害出現(xiàn)較早，且比較嚴(yán)重。采用大型機(jī)械打磨道岔時(shí)，轉(zhuǎn)轍器和轍叉部分的非標(biāo)準(zhǔn)斷面組合廓形區(qū)域存在限打區(qū)［5-6］，不能進(jìn)行整組道岔貫通打磨，需要使用小型機(jī)械進(jìn)行補(bǔ)充打磨。小型機(jī)械打磨較為靈活，可多機(jī)聯(lián)合作業(yè)，打磨效率與大型機(jī)械相差不大；同時(shí)，使用小型機(jī)械打磨道岔時(shí)無(wú)限打區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)整組道岔貫通打磨。目前小型機(jī)械打磨廣泛用于整治波磨、魚(yú)鱗紋、擦傷、硌傷等鋼軌病害［7-8］，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)大多不是多機(jī)聯(lián)合作業(yè)，打磨效率較低，一個(gè)天窗點(diǎn)無(wú)法徹底消除鋼軌病害。

本文對(duì)京滬高速鐵路廊坊站6#道岔（采用高速鐵路18 號(hào)道岔）的鋼軌?mèng)~鱗紋病害分布規(guī)律進(jìn)行研究，給出打磨目標(biāo)廓形，研制打磨廓形模板，提出道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)域魚(yú)鱗紋病害漸進(jìn)式打磨策略和曲導(dǎo)軌區(qū)域打磨廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 道岔區(qū)鋼軌?mèng)~鱗紋病害分布規(guī)律

高速鐵路18 號(hào)道岔基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中轉(zhuǎn)轍器部分（尖軌為熱處理鋼軌）對(duì)應(yīng)5#—41#軌枕，連接部分（導(dǎo)軌為熱軋鋼軌）對(duì)應(yīng)42#—89#軌枕，轍叉部分（心軌為熱處理鋼軌）對(duì)應(yīng)90#—117#軌枕。

圖1 高速鐵路18號(hào)道岔基本結(jié)構(gòu)

使用渦流探傷儀檢測(cè)廊坊站6#道岔鋼軌?mèng)~鱗紋病害情況。結(jié)果表明，魚(yú)鱗紋病害主要分布在側(cè)向道岔曲上股鋼軌，魚(yú)鱗紋深度及對(duì)應(yīng)軌枕號(hào)見(jiàn)表1?？芍旱啦礓撥?mèng)~鱗紋深度與鋼軌強(qiáng)度有關(guān)，直基本軌（-7#軌枕至尖軌尖端）及曲導(dǎo)軌（42#—89#軌枕）采用強(qiáng)度較低的熱軋鋼軌，魚(yú)鱗紋深度大于等于0.5 mm；曲尖軌（尖軌尖端至14#軌枕）及心軌（90#—117#軌枕）采用強(qiáng)度較高的熱處理鋼軌，魚(yú)鱗紋深度小于等于0.3 mm。

表1 廊坊站6#道岔曲股鋼軌?mèng)~鱗紋檢測(cè)結(jié)果

2 打磨目標(biāo)廓形及模板

根據(jù)高速鐵路18號(hào)道岔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照輪軌合理匹配原則，提出如下目標(biāo)廓形：尖軌寬度50 mm 以下的轉(zhuǎn)轍器組合廓形區(qū)域，采用道岔設(shè)計(jì)圖中的標(biāo)準(zhǔn)廓形（即60 kg/m鋼軌標(biāo)準(zhǔn)廓形）；尖軌寬度50 mm以上的曲導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)廓形區(qū)域，采用60N標(biāo)準(zhǔn)廓形。

根據(jù)打磨目標(biāo)廓形，分別研制尖軌寬度50 mm 以下的轉(zhuǎn)轍器組合廓形區(qū)域打磨廓形模板（60 kg/m鋼軌標(biāo)準(zhǔn)廓形）和尖軌寬度50 mm 以上的曲導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)廓形區(qū)域打磨廓形模板（60N 標(biāo)準(zhǔn)廓形），如圖2 所示。由于道岔存在加工誤差和降低值，轉(zhuǎn)轍器組合廓形區(qū)域打磨廓形模板中相對(duì)于基本軌的尖軌部分可上下左右移動(dòng)。打磨過(guò)程中，使用廓形模板與打磨廓形進(jìn)行對(duì)比，以確定每遍打磨的打磨角度和打磨量，直至基本吻合。然后使用便攜式廓形儀進(jìn)行打磨廓形檢測(cè)，分析實(shí)測(cè)廓形與目標(biāo)廓形的偏差情況，判斷是否達(dá)到目標(biāo)廓形的標(biāo)準(zhǔn)要求，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)廓形打磨。

圖2 高速鐵路18號(hào)道岔打磨廓形模板

3 轉(zhuǎn)轍器區(qū)域魚(yú)鱗紋病害漸進(jìn)式打磨

采用漸進(jìn)式打磨策略，對(duì)轉(zhuǎn)轍器區(qū)域鋼軌?mèng)~鱗紋病害進(jìn)行整治，具體打磨整治過(guò)程如下。

1）將道岔打磨區(qū)域分為三段：第一段為-10#—4#軌枕（直基本軌段）；第二段為4#—37#軌枕（尖軌尖端至曲尖軌非工作邊與直基本軌工作邊距離100 mm 位置）；第三段為37#—93#軌枕（曲尖軌非工作邊與直基本軌工作邊距離100 mm位置至曲導(dǎo)軌后4根軌枕）。

2）考慮小型打磨機(jī)械效率較低，分四個(gè)天窗點(diǎn)進(jìn)行打磨作業(yè)。第一個(gè)天窗點(diǎn)斥離曲尖軌和直基本軌（圖3），按每2°～ 4°進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，打磨曲上股37#—93#軌枕魚(yú)鱗紋，打磨量約為0.2 mm；第二個(gè)天窗點(diǎn)閉合曲尖軌和直基本軌（圖4），按每2°～4°進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，打磨曲上股4#—37#軌枕組合廓形，打磨量約為0.3 mm；第三個(gè)天窗點(diǎn)打磨直基本軌段-10#—4#軌枕魚(yú)鱗紋和廓形，消除魚(yú)鱗紋，修正軌頭廓形；第四個(gè)天窗點(diǎn)打磨曲下股鋼軌，打磨深度與曲上股鋼軌基本相同，避免出現(xiàn)反超高，并滿足目標(biāo)廓形相關(guān)要求。

圖3 曲尖軌和直基本軌斥離狀態(tài)下打磨魚(yú)鱗紋

圖4 曲尖軌和直基本軌閉合狀態(tài)下打磨組合廓形

在曲尖軌和直基本軌斥離狀態(tài)下，使用小型道岔打磨機(jī)具從曲尖軌工作邊的底部開(kāi)始對(duì)曲尖軌和直基本軌?mèng)~鱗紋進(jìn)行打磨；在曲尖軌和直基本軌閉合狀態(tài)下，使用多功能垂直打磨機(jī)具從直基本軌頂面最外側(cè)光帶開(kāi)始向鋼軌導(dǎo)向面打磨，打磨過(guò)程中控制每次的打磨量，且打磨面必須有一定的重疊，確保打磨廓形符合要求。同時(shí)，由于魚(yú)鱗紋較深，單個(gè)天窗點(diǎn)難以完全消除，采用漸進(jìn)式打磨策略，每個(gè)天窗點(diǎn)打磨掉一定深度的魚(yú)鱗紋，直到曲上股鋼軌?mèng)~鱗紋完全消除，然后再打磨曲下股鋼軌，避免出現(xiàn)反超高。

4 曲導(dǎo)軌區(qū)域打磨廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于高速鐵路18號(hào)道岔，曲導(dǎo)軌區(qū)域小型機(jī)械打磨廓形驗(yàn)收位置與大型機(jī)械相同，即位于道岔中部的MP7、MP8 測(cè)點(diǎn)，如圖5 所示。按廓形比對(duì)方法對(duì)打磨后鋼軌廓形進(jìn)行驗(yàn)收，即在Y-Z坐標(biāo)系內(nèi)將軌頂中心線與Y= 0 重合，以軌頂切線為基準(zhǔn)（實(shí)測(cè)廓形不旋轉(zhuǎn)），實(shí)測(cè)廓形與目標(biāo)廓形在軌頂最高點(diǎn)處上下平齊、在Z-16 處左右對(duì)齊（圖6）。如Z-16 處發(fā)生側(cè)磨，則以工作邊未發(fā)生側(cè)磨的側(cè)邊對(duì)齊。

圖5 高速鐵路18號(hào)道岔廓形檢測(cè)位置

圖6 鋼軌打磨廓形驗(yàn)收定位點(diǎn)

小型機(jī)械打磨效率較低，且非工作邊側(cè)-20 mm以外區(qū)域輪軌不接觸，因此，提出小型機(jī)械打磨軌頭廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2。表中，+、-分別表示實(shí)測(cè)廓形高于、低于目標(biāo)廓形。若工作邊發(fā)生側(cè)磨，只檢測(cè)未發(fā)生側(cè)磨的廓形區(qū)域。

表2 小型機(jī)械打磨軌頭廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

利用漸進(jìn)式打磨策略，使用小型道岔打磨機(jī)具、多功能垂直打磨機(jī)具對(duì)廊坊站6#道岔開(kāi)展了轉(zhuǎn)轍器區(qū)域魚(yú)鱗紋病害整治和曲導(dǎo)軌區(qū)域廓形打磨的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)果見(jiàn)圖7 和表3。可知，經(jīng)過(guò)多個(gè)天窗點(diǎn)的小型機(jī)械打磨作業(yè)，徹底消除了魚(yú)鱗紋病害，修正了軌頭廓形，打磨后鋼軌實(shí)測(cè)廓形最大偏差為+0.19 mm，滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，采用漸進(jìn)式打磨策略，經(jīng)過(guò)多個(gè)天窗點(diǎn)的小型機(jī)械打磨作業(yè)，能夠徹底消除魚(yú)鱗紋病害，修正軌頭廓形，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)廓形。

圖7 道岔鋼軌?mèng)~鱗紋病害打磨前后對(duì)比

表3 打磨前后鋼軌實(shí)測(cè)廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形偏差

6 結(jié)論

1）道岔區(qū)魚(yú)鱗紋病害主要分布在道岔側(cè)向曲上股鋼軌，魚(yú)鱗紋深度與鋼軌強(qiáng)度大小有關(guān)。

2）根據(jù)高速鐵路18號(hào)道岔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照輪軌合理匹配原則，提出尖軌寬度50 mm 以下的轉(zhuǎn)轍器組合廓形區(qū)域采用道岔設(shè)計(jì)圖中的標(biāo)準(zhǔn)廓形（即60 kg/m鋼軌標(biāo)準(zhǔn)廓形），尖軌寬度50 mm 以上的曲導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)廓形區(qū)域采用60N標(biāo)準(zhǔn)廓形。

3）采用漸進(jìn)式打磨策略對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)域魚(yú)鱗紋病害進(jìn)行打磨，即在曲尖軌和直基本軌斥離狀態(tài)下打磨曲尖軌和直基本軌?mèng)~鱗紋病害，在曲尖軌和直基本軌閉合狀態(tài)下打磨組合廓形；曲下股鋼軌打磨深度與曲上股鋼軌基本相同，避免出現(xiàn)反超高。

4）道岔曲導(dǎo)軌區(qū)域小型機(jī)械打磨廓形驗(yàn)收時(shí)，軌頂中心向非工作邊側(cè)-20 mm至工作邊側(cè)25 mm區(qū)域、軌頂中心至工作邊側(cè)25 ～32 mm 區(qū)域的廓形偏差驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)分別為-0.3 ～ +0.3 mm、-0.6 ～ +0.3 mm。

5）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，采用漸進(jìn)式打磨策略，經(jīng)過(guò)多個(gè)天窗點(diǎn)的小型機(jī)械打磨作業(yè)，能夠徹底消除魚(yú)鱗紋病害，修正軌頭廓形，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)廓形。