城市軌道交通新軌預(yù)打磨效果分析

摘要：文章以某地城市軌道交通為樣本，發(fā)現(xiàn)新軌上道后的輪軌接觸關(guān)系較差，軌面容易產(chǎn)生明顯波紋現(xiàn)象。通過對(duì)實(shí)施預(yù)打磨作業(yè)的鋼軌進(jìn)行調(diào)研，借鑒國內(nèi)外在鋼軌平順性方面的評(píng)價(jià)方法，對(duì)預(yù)打磨后的鋼軌不平順問題進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，發(fā)現(xiàn)新軌預(yù)打磨對(duì)提高軌面平順性、改善輪軌接觸具有非常積極的效果。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；鋼軌預(yù)打磨；軌面不平順；輪軌接觸

中圖分類號(hào)：U213.2A461583

0引言

城市軌道交通受場地條件所限，施工難度大，極易造成線路的初始不平順。城市軌道交通主要是無縫線路，無縫線路具有大量的焊接接頭，焊接接頭的質(zhì)量好壞直接影響鋼軌的平順度，焊接接頭處是無縫線路最薄弱的環(huán)節(jié)之一［1］。城市軌道交通設(shè)計(jì)軌底坡坡度通常為1∶40，鋼軌內(nèi)側(cè)圓弧角相對(duì)抬高0.9 mm，這些因素均會(huì)導(dǎo)致輪軌間的不良接觸［2］。這種不良接觸在線路開通運(yùn)營后將引起輪軌接觸應(yīng)力過大，甚至遠(yuǎn)超過鋼軌容許應(yīng)力，很容易引起鋼軌擦傷乃至造成波浪形不平順。

鋼軌預(yù)打磨可有效解決鋼軌焊接接頭的不平順，形成與輪對(duì)匹配的鋼軌廓形［3］，促使鋼軌不平順度降低，大大減小對(duì)應(yīng)頻率處的噪聲［4］，不僅提高了城市軌道交通線路開通初期的運(yùn)營品質(zhì)，而且節(jié)約后期車輛與軌道養(yǎng)護(hù)成本。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鋼軌預(yù)打磨這一措施于20世紀(jì)90年代首次提出，用以保持鋼軌型面和降低鋼軌疲勞［5］。自2014年起，鋼軌預(yù)打磨開始在我國高速鐵路逐漸得到廣泛應(yīng)用。王慶方等［6］研究了滬寧高鐵預(yù)打磨后鋼軌表面光帶的變化，發(fā)現(xiàn)預(yù)打磨可以修正光帶的位置，改善輪軌關(guān)系。張聰聰?shù)龋?］通過仿真分析和現(xiàn)場實(shí)測，對(duì)高鐵鋼軌預(yù)打磨的效果、傷損和發(fā)展特征進(jìn)行了分析。

城市軌道交通影響鋼軌質(zhì)量的因素多且復(fù)雜，軌道交通本身具有行車密集、多曲線、小曲線半徑、多減振地段等特點(diǎn)［8-9］，因此對(duì)鋼軌打磨的需求越來越高。李克飛等［10］在2019年從理論上提出了針對(duì)時(shí)速＜160 km/h的城市軌道交通鋼構(gòu)預(yù)打磨技術(shù)要求及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。作為較早開展城市軌道交通鋼軌預(yù)打磨的城市，廣州對(duì)1號(hào)線、2號(hào)線均實(shí)施了鋼軌預(yù)打磨。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，預(yù)打磨后的鋼軌光帶更加穩(wěn)定，軌面均勻無瑕疵；輪軌磨合期大大縮短，減少了磨合期內(nèi)輪軌的磨耗［11］。

但是，目前城市軌道交通中對(duì)于運(yùn)用新軌預(yù)打磨技術(shù)的必要性仍然沒有形成共識(shí)，對(duì)其在城市軌道交通中的實(shí)際效果也沒有形成系統(tǒng)性的結(jié)論。本文通過對(duì)部分已經(jīng)應(yīng)用新軌預(yù)打磨技術(shù)的城市軌道交通進(jìn)行調(diào)研，追蹤比較同一地段進(jìn)行預(yù)打磨與未進(jìn)行預(yù)打磨的鋼軌狀態(tài)，并對(duì)預(yù)打磨后的鋼軌從多維度進(jìn)行量化評(píng)估，分析鋼軌預(yù)打磨在城市軌道交通中的實(shí)際效果。

2軌道交通新軌預(yù)打磨的方法

在某市軌道交通14號(hào)線進(jìn)行預(yù)打磨作業(yè)前，對(duì)該市未采取預(yù)打磨作業(yè)的線路開通運(yùn)營6個(gè)月后進(jìn)行鋼軌狀態(tài)跟蹤測量。結(jié)果表明，曲線地段鋼軌軌面如圖1所示出現(xiàn)明顯波磨，波磨深度最深處約達(dá)到0.05 mm；直線地段軌面甚至出現(xiàn)了“雙光帶”。這說明未經(jīng)打磨的鋼軌與車輪踏面之間存在著輪軌接觸不良的問題，不利于城市軌道交通的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。鋼軌預(yù)打磨是改善輪軌關(guān)系的有效手段之一，對(duì)打磨方法和打磨后的鋼軌狀態(tài)進(jìn)行研究可以為預(yù)打磨作業(yè)提供較好的技術(shù)支撐。

2.1選取打磨廓形

打磨廓形是指導(dǎo)打磨機(jī)進(jìn)行預(yù)打磨的依據(jù)，不同的打磨廓形將導(dǎo)致不同的輪軌接觸位置，直接影響到鋼軌的磨耗和變形。新軌預(yù)打磨一般有3種廓形方案，分別是標(biāo)準(zhǔn)軌廓形方案、小改廓形方案和大改廓形方案。三種方案的特點(diǎn)如表1所示。

選取鋼軌預(yù)打磨的廓形應(yīng)遵循以下原則：（1）消除鋼軌初始缺陷；（2）鋼軌打磨盡量不改變輪軌的接觸形態(tài)；（3）鋼軌打磨的廓形斷面盡可能降低金屬磨削量，以保障鋼軌壽命，并節(jié)省打磨費(fèi)用。根據(jù)以上打磨原則，對(duì)線路鋼軌進(jìn)行打磨試驗(yàn)，選取標(biāo)準(zhǔn)軌廓形作為預(yù)打磨廓形。

2.2確定打磨深度

打磨深度是消除表面脫碳層、表面微小傷損和軌面不平順的關(guān)鍵因素。國外鐵路新軌預(yù)打磨的打磨量為0.2～0.3 mm；我國高速鐵路新軌預(yù)打磨的打磨量為0.2～0.5 mm，其中，軌頭非工作邊處的打磨量應(yīng)＞0.2 mm，輪軌主要接觸部位的打磨量應(yīng)＞0.3 mm?？紤]到城市軌道交通小半徑曲線多、列車速度快、重量輕等特點(diǎn)，鋼軌磨耗速度較快，一般新軌預(yù)打磨的深度為0.1 mm。

2.3鋼軌表面硬度及粗糙度

李克飛等［10］研究表明城市軌道交通鋼軌預(yù)打磨后鋼軌表面粗糙度≤10 μm，鋼軌表面硬度應(yīng)滿足其母材的硬度要求。

該市軌道交通14號(hào)線的預(yù)打磨里程達(dá)84.86 km，共打磨12遍，單次打磨總量達(dá)1 017.8 km，磨削量為0.1 mm。預(yù)打磨作業(yè)3個(gè)月后，輪軌接觸的光帶集中，且位置居中、略偏內(nèi)側(cè)，寬度為20～25 mm，滿足安全運(yùn)營的要求。

本次鋼軌預(yù)打磨工作完成后，選取典型區(qū)段的線路，對(duì)線路上實(shí)施預(yù)打磨前后的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行抽樣測試，對(duì)鋼軌預(yù)打磨質(zhì)量進(jìn)行量化評(píng)估。部分評(píng)估項(xiàng)目結(jié)果如表2所示。

3鋼軌預(yù)打磨前后軌面不平順狀態(tài)分析

3.1不平順（粗糙度）水平的計(jì)算

軌面不平順可采用粗糙度公式進(jìn)行計(jì)算：

（1）

式中：Lr ——粗糙度水平（dB）；

R ——軌面不平順的均方根（μm）；

r0 ——參考值，取1 μm。

3.2軌面不平順的評(píng)價(jià)

現(xiàn)階段，國內(nèi)對(duì)軌面不平順的評(píng)價(jià)尚無定論，本文借鑒EN13231-3：2006中的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軌面不平順進(jìn)行評(píng)價(jià)。如表3所示。

3.3鋼軌預(yù)打磨的效果分析

對(duì)預(yù)打磨作業(yè)完成3個(gè)月后的線路進(jìn)行跟蹤測量，每5 km選取100 m范圍為測量區(qū)段，得出測試區(qū)段打磨前后的鋼軌表面峰峰值移動(dòng)平均值。選取10～30 mm、30～100 mm、100～300 mm、300～1 000 mm這4段不同波長范圍，分別對(duì)左、右軌的鋼軌表面峰峰值移動(dòng)平均值的超限情況進(jìn)行分析，如表4、下頁表5所示。

由表4～5統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：

（1）對(duì)左軌進(jìn)行分析：打磨前，300～1 000 mm波長段超限率為9%；打磨后，100～300 mm波長段超限率降為1%，其余10～30 mm、30～100 mm、300～1 000 mm波長段超限率均降至0。

（2）對(duì)右軌進(jìn)行分析：打磨前，100～300 mm波長段超限率為7%，300～1 000 mm波長段超限率達(dá)到16%；打磨后，100～300 mm、300～1 000 mm波長段鋼軌超限率均降低至1%，10～30 mm、30～100 mm波長段鋼軌超限率均降低至0。

（3）通過4段不同波長范圍內(nèi)左、右雙軌打磨前后軌面峰峰值移動(dòng)平均值超限分析可知，鋼軌打磨大大降低了各個(gè)波長段鋼軌表面峰峰值移動(dòng)平均值的超限率，鋼軌打磨效果顯著。

4結(jié)語

鋼軌預(yù)打磨是解決城市軌道交通新鋪設(shè)鋼軌初始不平順及鋼軌波磨等病害的有效方法。本文通過分析城市軌道交通新軌預(yù)打磨之后軌面光帶變化、鋼軌打磨前后不平順及軌面峰峰值移動(dòng)平均值超限比例，可以得出如下結(jié)論：

（1）鋼軌預(yù)打磨不僅可以優(yōu)化鋼軌表面廓形，且能修正光帶的位置，有效改善輪軌接觸關(guān)系。

（2）鋼軌預(yù)打磨可以消除軌頂脫碳層，同時(shí)對(duì)于運(yùn)營階段造成的缺陷也有顯著的修復(fù)效果。

（3）鋼軌預(yù)打磨可以顯著緩解軌面不平順及軌面峰峰值超限率，有助于延長鋼軌波磨維修周期。

綜合以上優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)加大新軌預(yù)打磨技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用，并對(duì)預(yù)打磨的廓形設(shè)計(jì)、預(yù)打磨的質(zhì)量管理做進(jìn)一步研究。

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作者簡介：王項(xiàng)（1992—），碩士，工程師，研究方向：軌道交通。