徐州地鐵鋼軌非對稱打磨工藝的應(yīng)用及成效分析

范 信

(徐州地鐵運營有限公司,江蘇 徐州 221000)

1 小半徑曲線鋼軌病害現(xiàn)狀

1.1 小半徑曲線線路概況

徐州地鐵1號線一期工程自西向東由路窩站至徐州東站,正線線路全長共計21.967 km,“子房山—銅山路”下行區(qū)間設(shè)有半徑400 m的小半徑曲線,起點里程DK13+090,終點里程DK13+688,線路全長598 m,曲線超高120 mm,此條曲線道床類型有鋼彈簧浮置板道床、普通道床。

1.2 曲線存在的病害問題

1.2.1波磨超限、側(cè)磨明顯

由于該條曲線為小半徑曲線,自2019年9月試運營開通后,該曲線鋼軌病害逐漸顯現(xiàn),試運營3個月時,曲線下股鋼軌頂面逐漸出現(xiàn)波磨,經(jīng)檢測77%的波磨超限集中在30～100 mm波長,波磨最大谷值0.035 mm,且在鋼彈簧浮置板道床地段體現(xiàn)明顯(見圖1),顯著特點是由于鋼彈簧浮置板道床特性,軌下剛度降低,鋼軌振幅加大,輪軌之間在速度等多因素下產(chǎn)生了諧振、共振現(xiàn)象,極易產(chǎn)生短波波磨,最直觀的表現(xiàn)為列車抖動明顯。

圖1 軌面鋼軌波磨

2020年9月,試運營開通12個月,同區(qū)段數(shù)據(jù)對比,波長30～100 mm波磨超限占比達(dá)88%,波磨最大谷值0.1 mm。2021年5月開通近2年,波長30～100 mm波磨超限占比達(dá)91%,波磨最大值0.14 mm,波長100～300 mm占比6%,最大谷值0.11 mm。另外,該曲線上股鋼軌作用邊軌距角側(cè)磨明顯,呈現(xiàn)不規(guī)則磨耗,部分區(qū)段已有魚鱗紋產(chǎn)生。

1.2.2光帶寬而不均

曲線上股光帶雖集中在作用邊軌距角,但整體分布不均勻,磨耗不規(guī)則。下股光帶過寬,均值在40 mm,集中在軌頂面偏內(nèi),輪軌接觸面過大,列車蛇行運行明顯,平穩(wěn)性低。

1.2.3噪聲超標(biāo)

波磨是輪軌之間摩擦沿鋼軌表面產(chǎn)生的一種周期性不平順現(xiàn)象,一旦產(chǎn)生,就會伴隨列車噪聲,且波磨越嚴(yán)重,噪聲越大。在輪軌接觸光帶異常,輪軌關(guān)系不良時,列車蛇行運行更加明顯,造成列車抖動嚴(yán)重,運行噪聲超標(biāo)[1-3]。該區(qū)段沿線已接到多起乘客投訴事件。經(jīng)對該曲線進行噪聲檢測,選取多個檢測樣點,司機室內(nèi)列車噪聲等效聲級Leq最大值為84 dB,客室內(nèi)為91 dB,根據(jù)GB 14892—2006《城市軌道交通列車噪聲限值及測量方法》中噪聲值規(guī)定:“列車噪聲等效聲級Leq最大容許限值,司機室內(nèi)80 dB,客室內(nèi)83 dB”。該曲線列車噪聲限值已嚴(yán)重超標(biāo)。

2 現(xiàn)場輪軌關(guān)系及分析

2.1 現(xiàn)場輪軌接觸情況

2022年3月,經(jīng)對現(xiàn)場鋼軌及輪對廓形檢測,圖2曲線上股輪軌接觸點主要在作用邊軌距角,即單點接觸,接觸應(yīng)力集中,極易產(chǎn)生鋼軌疲勞源,出現(xiàn)側(cè)磨、裂紋等。

圖2 曲線上股K13+389輪軌接觸情況

曲線下股鋼軌根據(jù)軌面光帶分布可知,光帶過寬,接觸面積過大,易造成列車不平穩(wěn)、晃車等現(xiàn)象,如圖3所示。

圖3 曲線下股鋼軌光帶

2.2 輪軌關(guān)系分析

根據(jù)大量輪軌關(guān)系研究表明,輪軌接觸主要分為3個區(qū)域,即圖4中區(qū)域A軌頂和車輪踏面中心接觸區(qū)、區(qū)域B軌距角和車輪輪緣根部接觸區(qū)、區(qū)域C鋼軌和車輪外側(cè)接觸區(qū)。當(dāng)輪軌在區(qū)域B接觸時,有3種接觸形式:即兩點接觸、單點接觸和共形接觸(見圖5)。

圖4 輪軌接觸區(qū)域分布

圖5 區(qū)域B的3種接觸方式

兩點接觸時,易產(chǎn)生輪緣力和蠕滑,軌距角易產(chǎn)生側(cè)磨,單點接觸時, 軌距角由于高接觸應(yīng)力,產(chǎn)生裂紋及掉塊,共形接觸時,曲線上接觸應(yīng)力最低,是最理想的輪軌接觸形態(tài)。

由于小半徑曲線的存在,輪對和鋼軌發(fā)生橫向相對運動時,左右輪對的輪軌接觸點位置不同,輪軌接觸點對應(yīng)的車輪實際滾動圓半徑也不一樣,形成一個滾動圓半徑差。利用車輪滾動圓半徑差來補償內(nèi)外股長度差,減少或消除輪軌蠕滑作用導(dǎo)致的下股波磨及導(dǎo)向輪緣、沖角導(dǎo)致的上股側(cè)磨[4-6]。

3 鋼軌非對稱打磨工藝

3.1 鋼軌非對稱打磨目標(biāo)

通過以上對輪軌關(guān)系的分析,在制定鋼軌打磨工藝時,將上股鋼軌的輪軌接觸中心移向軌距邊形成共形接觸,下股鋼軌的接觸中心移向外側(cè)并控制打磨后光帶寬度在25 mm左右。曲線上下股鋼軌結(jié)合實際情況采用不同的打磨模式,即鋼軌非對稱打磨,打磨前后輪軌接觸光帶如圖6中的非對稱打磨輪軌接觸形態(tài)。

圖6 非對稱打磨輪軌接觸形態(tài)

3.2 鋼軌非對稱打磨模式制定

3.2.1制定打磨目標(biāo)廓形

根據(jù)非對稱打磨工藝原理,將上股鋼軌的輪軌接觸中心移向軌距邊形成共形接觸,下股鋼軌的接觸中心移向外側(cè) ,計算實際車輪廓形并根據(jù)平均車輪廓形,曲上股根據(jù)60N鋼軌廓形設(shè)計出更加匹配現(xiàn)場的60N-1廓形(注:-1為自定義設(shè)計的廓形代碼)。

根據(jù)圖7,60N-1廓形由R8、R16、R60、R200組成,較60鋼軌相比,曲線上股鋼軌在內(nèi)側(cè)軌距角位置內(nèi)收,與徐州地鐵輪對踏面的輪軌關(guān)系更接近共形接觸狀態(tài)。如圖8所示,60D廓形尤其在軌距角位置介于60與60N廓形之間,與60鋼軌相比,在距離軌頂中心向工作邊的一側(cè)30 mm處,垂向差值在0.06 mm。

圖7 60與60N-1廓形對比圖

圖8 60軌/60N廓形/60D廓形對比圖

根據(jù)現(xiàn)場實際輪軌接觸狀態(tài),下股選用60D廓形,減小軌頂面的接觸面積,使光帶更窄,且更加偏向外側(cè)。

3.2.2制定打磨模式

以曲線上股60N-1、曲線下股60D目標(biāo)廓形為基準(zhǔn),參照圖8、圖9,根據(jù)原60鋼軌凸出的部分,制定出打磨角度、功率、打磨遍數(shù)。曲線上股共計打磨16次,打磨角度范圍為-15.5°～58°,平均打磨功率12 kW,速度為7 km/h,曲線上股最大打磨量1.4 mm,執(zhí)行角度內(nèi)側(cè)36°。曲線下股共計打磨11次,打磨角度范圍為-20°～35.5°,最大打磨量為0.8 mm,執(zhí)行角度內(nèi)側(cè)24°。

圖9 60軌與60D廓形對比圖

4 打磨后軌道運行效果

4.1 打磨目標(biāo)廓形執(zhí)行效果

原曲線上股60鋼軌綠色凸出的部分按照設(shè)計打磨模式打磨后,凸出部分已基本打磨掉,打磨后廓形與設(shè)計的60N-1廓形基本一致,達(dá)到了預(yù)期效果(見圖10)。

圖10 上股打磨前后廓形執(zhí)行情況

曲線下股原60鋼軌綠色凸出的部分按照設(shè)計打磨模式打磨后,凸出部分已基本打磨掉,打磨后廓形與設(shè)計的60D廓形基本一致,達(dá)到了預(yù)期效果(見圖11)。

圖11 下股鋼軌打磨前后廓形執(zhí)行情況

4.2 輪軌關(guān)系接觸效果

經(jīng)過輪軌接觸關(guān)系檢測,曲線上股單點接觸情況按照目標(biāo)打磨廓形執(zhí)行,打磨后軌距角輪軌接觸更加緊密貼合,呈共形接觸狀態(tài),打磨效果良好(見圖12)。

圖12 打磨前后輪軌接觸對比

打磨一年后,經(jīng)抽樣對曲線下股打磨前后2處光帶對比分析,打磨前光帶42 mm(見圖13)、36 mm(見圖14),光帶位于軌頂面,打磨后光帶17 mm、25 mm,光帶偏向外側(cè),輪軌接觸光帶偏向軌頂面外側(cè)且變窄,有利于提高列車運行平穩(wěn)性,達(dá)到了預(yù)期的效果。打磨一年該曲線未出現(xiàn)明顯魚鱗裂紋及波磨病害。

圖13 打磨前后軌面光帶對比(光帶1)

圖14 打磨前后軌面光帶對比(光帶2)

4.3 振動分析

經(jīng)對同次列車進行打磨前后運行平穩(wěn)性測試,車輛平穩(wěn)性測試儀器安裝位置為第6節(jié)車廂轉(zhuǎn)向架的上方。打磨地段曲線前后檢測結(jié)果對比如下。

(1)水平位移

如圖15所示,執(zhí)行曲線(00∶30—01∶00時間區(qū)段)打磨前水平位移幅值在-4～3 mm,打磨后幅值在-2.5～2.5 mm,較打磨前幅值總體振幅下降,水平位移修復(fù)值約1 mm。

注:紅色曲線為陀螺儀角速度幅值,藍(lán)色曲線為水平位移量。

(2)垂直位移

執(zhí)行曲線(00∶20—01∶00時間區(qū)段)打磨前垂直位移幅值在-4～4 mm,打磨后幅值在-3.5～3 mm,較打磨前幅值總體振幅下降,垂直位移修復(fù)值約1 mm,如圖16所示。

(3)平穩(wěn)性

執(zhí)行曲線起終計算點內(nèi),打磨后垂向及橫向平穩(wěn)性幅值較打磨前明顯下降,垂向平均修復(fù)值為0.2 m/s2,橫向平均修復(fù)值為0.2 m/s2(見圖17)。

圖17 打磨前后平穩(wěn)性對比

4.4 噪聲分析

執(zhí)行曲線(00∶30—01∶00時間區(qū)段),打磨前客室最大噪聲93 dB,打磨后最大噪聲84 dB,噪聲平均修復(fù)值約為9 dB(見圖18)。

注:紅色曲線為陀螺儀角速度幅值,藍(lán)色曲線為噪聲變化值。

5 總結(jié)

本文制定的鋼軌非對稱打磨工藝基于60N鋼軌廓形,因其輪軌接觸點移向軌頂踏面中心,從而減少了接觸應(yīng)力,避免鋼軌在軌距角部位出現(xiàn)飛邊、剝離掉塊和疲勞核傷等,使得輪軌接觸關(guān)系得到明顯改善,達(dá)到了在直線線路上輪軌接觸光帶居中、在曲線線路上形成輪軌共形接觸的目的。目前60N鋼軌廓形已在高速鐵路上推廣使用。當(dāng)前城市軌道交通軌道工程設(shè)計上正線鋼軌仍以60鋼軌廓形為主,為改善優(yōu)化輪軌接觸關(guān)系,減小鋼軌疲勞傷損,小半徑曲線運營單位可以在謀劃新線時增加60N鋼軌廓形的設(shè)計需求。

鋼軌打磨應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場輪軌關(guān)系實際情況,為曲線量身打造一套鋼軌非對稱打磨模式。針對小半徑曲線,城市軌道交通運營單位要采用科學(xué)的檢測手段,以改善輪軌關(guān)系、延緩鋼軌病害為目標(biāo),制定合理、科學(xué)的打磨方式。