高鐵鋼軌預打磨效果及軌面不平順分析

王慶方，許玉德，周 宇

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

高速鐵路線路區別于一般鐵路或重載鐵路最關鍵的特點是對軌道平順性的嚴格要求，如果軌道平順性不良，將引起機車車輛劇烈振動，輪軌動作用力成倍增大，嚴重危害軌道和機車車輛部件，影響列車速度的提高，甚至引起列車脫軌傾覆，危及行車安全［1］。

鋼軌由于其本身生產過程及工藝的原因，生產出廠后不可避免地存在折疊、劃痕、脫碳層、軋痕、結疤、耳子等表面缺陷，這些缺陷會使鋼軌出現早期傷損，另外鋼軌貯運過程中也可能產生銹皮、碰傷等表面病害，這些病害對鋼軌的平順性有很大影響。鋼軌打磨是消除軌面不平順的有效手段，為了消除鋼軌上道后的這些缺陷，需要對新軌進行預打磨。

1 國內外研究現狀

國內外不少學者在鋼軌打磨方面進行了諸多的探索和研究。郭福安等［2］通過對日本、法國、德國和瑞典高速鐵路鋼軌打磨作業分析，根據我國鐵路鋼軌打磨作業實際，建議開展客運專線線路開通前的鋼軌預打磨、開通后的鋼軌預防性打磨及保養性打磨等研究和試驗，制定鋼軌打磨各種形式與參數、打磨程序、條件和驗收標準。許永賢等［3］介紹了歐洲標準中鋼軌打磨的程序、條件和驗收標準，對我國新建客運專線新軌打磨的質量控制和驗收，特別是對新型打磨設備及檢測設備的引進及國內既有相關設備的改進、配套和利用提供參考。繆闖波［4］通過介紹鋼軌打磨的理論基礎和必要性，闡明了鋼軌打磨能綜合提高軌面平順度，改善輪軌接觸，取得輪軌間連續均勻接觸的效果。毛文力等［5］通過分析打磨車作業控制原理，標定相關系統，找出打磨后波磨深度變化的臨界值。熊衛東等［1］綜述了高速鐵路的軌道平順性與鋼軌平順性的關系，介紹了高速鐵路對鋼軌平順性的要求及高速鐵路發達國家在鋼軌生產、焊接和使用過程中提高鋼軌平順性的措施，分析了國產鋼軌平順性的現狀及其與高速鐵路鋼軌要求的差距，提出了我國鋼軌生產企業為適應高速及快速鐵路發展應予重視的有關問題的建議。郭俊等［6］利用三維彈性體非Hertz滾動接觸理論及數值程序CONTACT分析了鋼軌軌頭非對稱打磨對輪軌接觸斑行為的影響。結果表明，打磨后輪軌磨耗數有所增加，有利于預防鋼軌疲勞裂紋的形成。王文健等［7］根據廣深線鋼軌斜裂紋的形成與發展特點，提出采用非對稱打磨技術控制和減緩鋼軌斜裂紋的形成，并進行了數值計算和現場打磨試驗。數值計算結果表明：鋼軌非對稱打磨可以改變輪軌接觸幾何參數，使輪軌接觸點向鋼軌頂面中心移動，遠離鋼軌軌肩位置，并降低輪軌接觸應力。現場打磨試驗驗證了數值計算結果，試驗結果表明鋼軌非對稱打磨能改變鋼軌光帶，使接觸點向鋼軌踏面中心移動。馬良民［8］針對出現CRH3型動車組轉向架構架橫向振動加速度報警限速的情況進行深入分析，據此確定了對鋼軌進行打磨的對策，制訂了打磨工藝參數。通過實施打磨后，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，提高了動車組運行品質。

上述研究的對象主要是國外高速鐵路打磨情況、打磨及驗收標準的介紹，高速鐵路鋼軌打磨理論和高速鐵路開通高后的病害整治，對于高鐵鋼軌預打磨之后的效果尚缺乏針對性的研究。基于此，針對滬寧城際高鐵在開通前后的預打磨情況進行相應的打磨效果進行研究，分析高鐵經過預打磨后軌面平順性，鋼軌初始缺陷的消除情況，輪軌關系的匹配情況，為提高高鐵鋼軌預打磨效果提供保障。

2 滬寧城際高鐵預打磨方法

在新軌上道以后，線路開通前需要進行聯調聯試和綜合試驗，在此過程中鋼軌已有一定的磨耗量，滬寧城際高鐵開通前的軌面平順狀態，可以看出鋼軌上面的光帶較寬，鋼軌光帶中線較軌面中線出現了一定的偏移，軌距角處有一定的磨耗，形成輪軌之間在同一鋼軌斷面的兩處接觸，即“雙光帶”。這說明未經打磨的鋼軌型面與車輪踏面之間的輪軌接觸不良，導致鋼軌光帶偏離軌面中心線，鋼軌磨耗嚴重的問題，通過對現場運行車輛的調研可知，動車組的輪對踏面同樣存在著磨耗嚴重的問題，這些問題無疑對高速鐵路的安全平穩的運行造成較大的影響，而目前解決此問題的主要方法是對鋼軌進行預打磨，因此有必要對打磨后鋼軌的狀態進行研究，為科學有效的鋼軌預打磨提供技術支撐。

2.1 鋼軌預打磨型面的制定

鐵道部科學研究院經過分析論證和仿真計算，針對我國高速鐵路運行的I型、II型和V型3種動車組車輪斷面，在《高速鐵路鋼軌維修實施細則》（暫行）中提出對應的3種鋼軌預打磨斷面輪廓標準，以此為基礎，為了探索符合滬寧城際高鐵的打磨模式，首先參考武廣高鐵的打磨經驗，將線路的非作用邊和軌距角處進行打磨，從而使接觸光帶向軌頂中間靠攏集中。以此為評價指標，對線路進行打磨試驗，經過測試找出了以下打磨型面：鋼軌頂面打磨量為0.4 mm，在內側圓弧角處打磨量為1.2 mm，外側打磨量為0.5 mm。

2.2 不同位置處的鋼軌打磨量

1）由圖1 可知，鋼軌打磨后基本消除了軌頂面的銹皮、碰傷等表面病害。

2）在進行打磨的線路上，取10個斷面，分別在打磨前后測量鋼軌斷面的輪廓，這些輪廓與標準軌比較，得到對應角度處的磨耗值，再取其平均值。與標準軌鋼軌比打磨前初始的磨耗數據和打磨后的磨耗數據如表1和表2所示（鋼軌軌頭角度為正的一側為軌距角側）。

圖1 打磨后鋼軌Fig.1 Rail after grinding

表1 左軌打磨前后的磨耗量Tab.1 Abrasion volume of left rail before and after grinding mm

表2 右軌打磨前后的磨耗量Tab.2 Abrasion volume of right rail before and after grinding mm

由表1 可知，鋼軌打磨前軌頂已有一定的磨耗，最大值為0.782 mm，位于鋼軌靠近線路中心側，說明輪軌接觸應力最大值不在軌頂中心處。由表2 可知，打磨后，在-20°～40°的范圍內，打磨后的鋼軌比標準軌至少低0.3 mm，已超過脫碳層的厚度0.3 mm，因此基本可以消除軌頂脫碳層；在軌距角內側，鋼軌打磨后的軌廓比標準軌最大低1.279 mm，跟目標輪廓基本一致。鋼軌打磨后，輪軌之間的接觸光帶如圖2所示，光帶集中、位置居中（略偏內側），寬度20～25 mm，內側距鋼軌作用邊22～25 mm，外側距鋼軌外側25～27 mm，滿足安全運營要求。

圖2 鋼軌打磨后光帶位置Fig.2 Position of light brand after grinding rail

3 鋼軌打磨前后軌面不平順狀態分析

3.1 粗糙度（不平順）水平計算

軌面粗糙度水平利用式（1）計算：

式中：Lr為粗糙度水平，dB；r為軌面不平順的均方根，μm；r0為參考值，取1 μm。參照EN：ISO 3095：2005（E）相關規定，利用1/3倍頻對軌面不平順狀態進行評價。

3.2 鐵路設施-軌道-作業驗收標準

在EN 13231-3：2006（第三部分：現場鋼軌打磨、銑磨和軌道計劃作業驗收標準）中，規定從4個波長范圍對打磨作業后鋼軌波磨進行評價驗收，如表3。

表3 EN 13231-3：2006現場鋼軌打磨、銑磨和軌道計劃作業驗收標準的波長范圍及限值Tab.3 Wavelength range and value of EN 13231-3：2006 rail grinding，mill-grinding and rail inspection standard

鑒于目前國內缺少軌面不平順水平評價標準，本文借鑒上述標準對所測數據進行分析。

圖3和圖4分別為鋼軌打磨前后軌面不平順1/3倍頻圖。分析該圖可知，鋼軌軌面不平順狀態在打磨后變化明顯。波長越長軌面平順狀態越好，反之較差。

圖3 左軌軌面不平順1/3倍頻圖Fig.3 One-third octave of left rail surface

圖4 右軌軌面不平順1/3倍頻圖Fig.4 One-third octave of right rail surface

對于左軌，打磨前，在5.6 cm以下波長范圍內時軌面平順狀態較差；5.6 cm以上波長范圍內，軌面平順狀態較好，而打磨后，各波段的不平順狀態都得到很大的改善，平順狀態較差波長有一定下降，達到3.5 cm以下波長。鋼軌打磨對改善粗糙度水平有很大效果，在0～10 cm范圍內改善效果基本是隨波長的增大而增大，在10～100 cm范圍內基本是隨波長的增大而減小。粗糙度水平最大降低值達到8.9 dB（波長為10 cm左右）。

同左軌的規律類似，右軌在打磨前，11.5 cm以下波長范圍內時軌面平順狀態較差；11.5 cm以上波長范圍內，軌面平順狀態較好，打磨后，平順狀態較差波長有很大下降，達到3.7 cm以下波長。在0～11.5 cm范圍內對粗糙度的改善效果基本是隨波長的增大而增大，在11.5～100 cm 范圍內基本是隨波長的增大而減小。粗糙度水平最大降低值達到11 dB（波長為11.5 cm左右）。

3.3 打磨效果分析

圖5和圖6為銑磨前后鋼軌軌面不平順各波段峰峰值移動平均值超限比例變化情況：打磨前左、右軌300 mm以下波長超限所占比例很大，打磨前左、右股鋼軌軌面100 mm以下波長的移動峰峰值的平均值超限比例高達29%以上，嚴重超過超限比例標準值5%，而打磨后，兩股鋼軌所有波段的超限比例均在允許范圍之內，說明此段內、外股鋼軌銑磨后軌面平順狀態得到很大改善。

圖5 左軌軌面移動峰峰值超限比例Fig.5 Transfinite ratio of left rail surface

圖6 右軌軌面移動峰峰值超限比例Fig.6 Transfinite ratio of right rail surface

4 小結

通過分析鋼軌預打磨之后鋼軌表面光帶的變化，跟標準軌相比的磨耗量，鋼軌打磨前后軌面不平順及軌面移動峰峰值超限比例可以得出以下結論：

1）通過鋼軌預打磨，可以避免鋼軌內側圓弧角與車輪輪緣間的非正常輪軌接觸，徹底破壞形成“雙光帶”所需的必要條件，修正光帶的位置，改善輪軌接觸關系。

2）鋼軌預打磨可以有效地去軌頂部分的掉脫碳層，對于其他的在生產制造和運輸鋪設中產生的缺陷也有明顯效果。

3）鋼軌預打磨可以減少短波不平順和超限比例。

高速鐵路鋼軌預打磨可以有效消除鋼軌的表面缺陷并改善輪軌接觸關系，可以在高鐵開通前的線路上進行推廣使用。

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