高速鐵路鋼軌打磨技術研究與應用

馬良民

(廣州鐵路集團公司，廣州 510600)

高鐵線路在運營過程中，個別地段出現CRH3型動車組轉向架構架橫向振動加速度報警限速的現象(以下簡稱動車組橫向振幅超限)。

1 動車組橫向振幅超限原因分析

出現動車組橫向振幅超限后，及時組織調查分析組認真分析線路動態檢測資料，并深入現場進行調研，重點檢查和分析軌道幾何尺寸、鋼軌光帶和軌廓等軌道結構情況。

1.1 鋼軌光帶

鋼軌光帶的測量數據表明，大多數地段鋼軌光帶正常，光帶距內側作用邊 a=15～20 mm，光帶寬度 L=25～35 mm，光帶距外側 b=23～28 mm。但在動車組橫向振幅超限和晃車地段出現異常光帶，有以下幾種表現形式:①部分地段鋼軌出現雙光帶，靠鋼軌內側軌距角處有一條很窄的光帶(約2～4 mm)，反映出鋼軌與輪對側面間歇接觸;②在鋼軌表面可以很明顯看出有兩種顏色光帶，新舊光帶有一定的偏移，一般表現為新光帶朝鋼軌內側偏移，光帶距內側作用邊a值基本為0;③部分軌面出現忽寬忽窄的跳躍式光帶，多發生在長大直線上，一般長約3～5 m，左右股鋼軌光帶變換無規律。

1.2 軌道幾何尺寸

綜合檢測列車每月對武廣高鐵檢測2～3次，檢測數據表明幾何尺寸偏差程度輕，無三級偏差，各項動力學指標不超限，主要扣分項目為橫向加速度和軌距變化率。截止2010年3月底，上下行線路扣分，橫向加速度占48.4%，軌距變化率占44.8%。

1.3 軌廓

使用IMAGEMAP EZ-3型便攜式軌廓儀，對鋼軌軌頭廓形進行檢測并與60 kg/m鋼軌標準斷面比對分析，動車組橫向振幅超限地段鋼軌整體輪廓雖基本相符，但軌冠不飽滿，軌距角R13處突出。

通過檢查分析，認為動車組橫向振幅超限地段雖然軌道幾何尺寸偏差基本不超限，但是鋼軌軌廓存在制造缺陷，造成輪軌匹配關系不好，車輪與鋼軌非正常接觸是導致動車組橫向振幅超限的主要原因，表現為鋼軌光帶不正常，而修整鋼軌輪廓是改善輪軌接觸狀態，消除動車組橫向振幅超限的措施之一。

2 鋼軌打磨模式確定

目前，修整鋼軌輪廓最有效的方式是實施打磨作業。為保證鋼軌打磨質量，提高動車組運行平穩性，針對高速鐵路的行車特性，合理確定鋼軌打磨方案和工藝參數至關重要。

2.1 打磨模式和工藝參數試驗

經過充分論證后，先在廣深Ⅲ、Ⅳ線上進行了三組模擬打磨的試驗(打磨模式及工藝參數設置見表1)，初步探索出具有實際操作性的打磨作業模式和打磨工藝參數。

第一組和第二組試驗分別采用3遍和4遍打磨模式，第三組試驗在綜合吸收了前兩次經驗的基礎上，確定采用打磨3遍模式，角度從-8°覆蓋到45°。與前兩組試驗相比較，第三組試驗的第一遍內側增大角度磨削，功率加大，第二遍調整光帶，按照角度順接，第三遍拋光，范圍略向內側偏移，保證光帶區接觸效果，既改善磨面過寬問題，又考慮將拋光面加寬。采用第三組打磨模式，得出了滿足要求的打磨效果。

表1 試驗采用的打磨模式和工藝參數

通過這三組試驗，初步確定了打磨參數，對鋼軌內側軌廓的修整，可改善輪軌匹配關系，且對鋼軌母材損耗較小。

2.2 優化鋼軌打磨參數

前三天試作業采用了廣深線試驗探索確定的模式和工藝參數，基本滿足了改善動車組運行品質的要求。針對高鐵特有軌道類型、行車速度和平縱斷面情況，需進一步研究并完善鋼軌打磨參數，獲得良好的輪軌匹配，以適應高鐵動車組運行高平順和高穩定性的要求。

通過對鋼軌材質、打磨動態能量轉化、打磨后表面接觸硬度、摩擦力等方面，特別是對打磨作業熱循環過程中鋼軌表面晶相組織是否對其綜合性能產生影響的探討，逐步得出針對一般分散光帶的打磨參數設置。

1)通用打磨參數設置。

第一遍，打磨內外側，角度覆蓋(+25°～+14°，-15°～-1°)，單車內側分布8個磨石，外側16個磨石，功率15 kW，打磨速度14 km/h。

第二遍，內側磨削，角度范圍為 +43°～+11°，單車24個磨石都在內側工作，修整軌距角突出部位，功率為15 kW，打磨速度15 km/h。

第三遍，拋光軌面，角度在+22°～-6°間，單車內側分布19個磨石，外側分布5個磨石，功率14 kW，速度16 km/h。

2)根據打磨地段鋼軌光帶的不同狀況，需對打磨參數進行適當調整和優化(見表2)。

表2 不同鋼軌光帶的打磨工藝參數優化

3 鋼軌打磨

通過多種動態和靜態檢測手段對打磨質量的監測，可知打磨的效果非常顯著。從打磨前后線路動態質量對比和打磨后鋼軌光帶情況，能清楚地看到打磨對改善輪軌關系，消除動車組橫向振幅超限的作用。

3.1 鋼軌打磨前后線路動態質量對比

內鋼軌打磨時間是2月28日—7月1日，1月—7月綜合檢測列車檢測的上行線線路動態情況見圖1。

圖1 上行線動態檢測數據統計

從圖1可以看出，打磨后橫向加速度二級偏差數量隨著鋼軌打磨的實施呈下降趨勢，打磨前322處，打磨完畢5處。這充分說明打磨后輪軌匹配狀態得到改善，鋼軌打磨對減小動車組橫向振動幅度有顯著的作用，在添乘動車組時的人體感覺也可得到驗證。

3.2 鋼軌打磨后鋼軌光帶情況

為觀察鋼軌打磨效果，選取上坡、下坡、變坡和直線、曲線等不同工況共4處(YZ01～YZ04)作為打磨觀測點，樣點涵蓋了雙光帶、光帶突變和新舊光帶地段，對鋼軌光帶情況進行觀測。打磨后鋼軌光帶情況見表3和表4。

表3 上行線部分鋼軌打磨后光帶情況mm

表4 下行線部分鋼軌打磨后光帶情況mm

從表3和表4可以看出鋼軌打磨后的鋼軌光帶變化:光帶寬度L在打磨(約1周后)普遍偏窄，L一般在8～12 mm范圍內，2至3周后，光帶逐漸變寬，L在25～31 mm范圍內，光帶良好，并趨于穩定;光帶距作用邊距離a在打磨7～15 d后穩定在18～25 mm之間。光帶寬度和距作用邊距離正常，表明輪軌匹配關系良好。

4 結論

通過分析研究，提出輪軌匹配關系不良是導致發生動車組轉向架構架橫向振動加速度報警限速的原因，確定了對鋼軌進行打磨的整治對策，制訂了打磨工藝參數。采用大型鋼軌打磨車實施鋼軌打磨后，修整了鋼軌廓形，改善了輪軌匹配關系，解決了動車組轉向架構架橫向振動加速度報警限速問題，提高了動車組運行平穩性和舒適性，取得很好的效果。此項研究填補了國內高鐵打磨領域的相關技術空白，對合理確定高速鐵路鋼軌打磨作業模式和工藝參數有重要的指導意義。

［1］寇東華.高速鐵路鋼軌大機打磨作業標準化、程式化初探［J］.鐵道建筑，2010(11):112-115.

［2］中華人民共和國鐵道部.鐵運［2006］146號 鐵路線路修理規則［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［3］郭俊，劉啟躍，王文健.鋼軌打磨對輪軌滾動接觸斑行為影響研究［J］.鐵道建筑，2009(12):92-94.