鋼軌廓形打磨技術在神朔線小半徑曲線的應用研究

張 繼 恩

(中國神華神朔鐵路分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

神朔鐵路西起陜西省神木市大柳塔鎮，北與包神鐵路相連，南與神延鐵路相接，東至山西省朔州市，與北同蒲線接軌，在神池南與朔黃線相連，途經陜西、山西兩省八縣市，與包神鐵路、朔黃鐵路共同組成我國西煤東運的第二條大通道，為國家Ⅰ級干線雙線電氣化重載鐵路，主要擔負神府東勝礦區的煤炭外運任務，是神華集團礦、路、電、港、航系統工程的重要組成部分。上行線為75 kg/m無縫線路，下行線為60 kg/m無縫線路正線總長近470余千米，鐵路全線地形復雜，橋隧相連，橋、隧、涵占線路總長的30%，最大坡道12‰(其中僅河東運輸段管內270 km的線路中，小半徑曲線(R<500 m)的里程約占河東段管轄長度的15%)，2018年運量大約在2.8億t。近年來，隨著KM98貨車投入運營和萬噸列車開行，使得神朔鐵路的軸重和年運量逐年攀升，小半徑曲線的上股鋼軌出現了嚴重的側磨和斜裂紋掉塊病害，下股鋼軌壓潰嚴重，軌面存在剝離掉塊病害(嚴重地段的掉塊深度已有0.8 mm左右)。曲線鋼軌側磨和疲勞傷損較大程度上影響到了鋼軌使用壽命，同時隨著剝離掉塊的不斷發展，也會影響到鋼軌探傷作業，對行車安全產生威脅。

鋼軌打磨技術經過幾十年的發展，已經從單一消除軌面傷損的傳統打磨方式，逐漸發展到以控制傷損發展和輪軌接觸位置為目標的鋼軌廓形打磨。鋼軌廓形打磨就是現場實地調查鋼軌磨耗情況，通過計算對GMC-96打磨車的磨石設置合理打磨角度，修復軌頭形面從而控制鋼軌傷損的發展，以達到延長鋼軌使用壽命的目的。國內外的大量研究和實踐已經證明[1-4]，鋼軌廓形打磨是治理由滾動接觸疲勞所引起的斜裂紋、剝離掉塊和鋼軌波形磨耗，以及減緩磨耗速率的有效手段之一。

鋼軌廓形打磨是指通過打磨將鋼軌形面修正至設計廓形的打磨方法，最終是為了實現良好的輪軌接觸關系，以控制鋼軌傷損的形成和發展。為減輕和控制小半徑曲線鋼軌疲勞傷損和側磨的發展，延長鋼軌使用壽命，在神朔鐵路小半徑曲線上開展了鋼軌廓形打磨。在河東運輸段管內選擇2條500 m半徑曲線進行鋼軌廓形打磨，通過觀測打磨前后的試驗結果，驗證廓形打磨效果。

1 曲線鋼軌傷損現狀及分析

神朔鐵路上行為重載線，鋪設75 kg/m鋼軌，500 m半徑曲線鋼軌上道6個月后，上股已經出現了1 mm左右的側磨，并且軌距角位置存在斜裂紋掉塊病害。下股鋼軌上道2年后，軌頂存在嚴重的剝離掉塊病害(掉塊深度已有0.8 mm以上)，并且是連續、面積較大的掉塊，形成了兩條疲勞傷損帶，同時伴隨著馬鞍形磨耗，鋼軌外側由于塑性流動形成了嚴重的肥邊病害。

以上幾種軌面的傷損一般都是由輪軌接觸疲勞引起的，尤其在重載運輸條件下，由于所需的牽引力較大，所產生的縱向蠕滑力很大，在曲線上還存在橫向蠕滑力的作用。在這種不斷重復的作用力情況下，引起鋼軌內部周期性應力，當產生超限應力時，還會引起鋼軌的塑性變形，同時伴隨著加工硬化的現象，加工硬化到一定程度就會出現塑性耗竭，從而鋼軌材料產生了斜裂紋[5]。這時斜裂紋仍受到輪軌作用力而繼續擴展，最終導致軌面產生剝離掉塊。影響鋼軌表面接觸疲勞傷損的因素主要有接觸應力，蠕滑力和鋼軌剪切強度等。車輪在通過曲線時，在輪軌接觸斑內鋼軌與車輪之間會發生微小的相對滑動，從而在輪軌間產生蠕滑力。蠕滑力是導致鋼軌磨損，進而產生塑性變形和滾動接觸疲勞傷損的主要原因[6]。輪軌接觸點的滾動半徑差是影響輪軌蠕滑的重要參數，可通過鋼軌廓形打磨，改善輪軌關系，減小蠕滑力，達到延長鋼軌使用壽命的目的。

根據彈性赫茲接觸理論，輪軌接觸應力主要與軸重、鋼軌形面和車輪形面等因素有關。因此可以通過鋼軌廓形打磨對鋼軌形面進行修復，增大輪軌接觸斑面積，從而實現減小輪軌接觸應力的目的。

2 輪軌接觸狀態分析

通過現場的調研，采集了軌面疲勞傷損嚴重的曲線下股鋼軌廓形，如圖1所示，為上行K183+550位置處曲線下股鋼軌廓形與75 kg/m標準軌廓形對比情況。

從圖1中可以看出，磨耗過的下股軌頂廓形扁平，已經出現了中間凹形的情況，此時輪軌接觸位置就很大程度上取決于車輪踏面形狀、軌距以及運行速度等，接觸部位可能會從鋼軌內側圓角一直到外側邊緣。

對于磨耗較大的車輪廓形，在與磨耗的鋼軌進行接觸時，如圖2所示。可以看到，輪軌接觸點主要在鋼軌外側，就會容易導致塑性變形，產生肥邊，同時車輪也會產生假輪緣，導致鋼軌傾翻。在磨耗的鋼軌與新車輪或磨耗較小的車輪接觸時，如圖3所示。輪軌接觸點主要在鋼軌內側，使得上下股輪徑差減小，上股鋼軌與輪緣進一步貼靠，增加了橫向力，也減小了車輛的曲線通過性能。同時下股軌距角位置會產生肥邊，減小了輪軌間的游間，使接觸點更進一步向軌距角移動。

從現場采集的軌面狀態也可以看出，如圖4所示，接觸光帶寬度已經達到了55 mm左右，幾乎覆蓋住了整個軌面，說明此時的鋼軌廓形與磨耗車輪、新車輪或磨耗較小車輪接觸時，接觸點的分布范圍較廣。并且下股鋼軌內側出現了剝離掉塊病害，外側有嚴重的塑性變形，已發展成肥邊病害。鋼軌內側圓角位置也發生了塑性變形，并且產生了斜裂紋掉塊病害。

由于車輪在與軌頂較平的鋼軌進行匹配時，輪軌接觸斑面積較小[7]，從而會引起較大的接觸應力，同時也會降低曲線地段上下股鋼軌上車輪間所需的滾動圓半徑差，進而產生較大的蠕滑力，導致軌面疲勞傷損的產生。根據以上這些情況的分析，可以判斷500 m半徑曲線的下股鋼軌廓形相對標準軌廓形發生了較大的變化，導致了輪軌接觸不良的情況，接觸斑面積太小，輪軌接觸應力較大。因此后期在處理鋼軌病害的同時，就需要對鋼軌廓形進行修復，以改善輪軌接觸關系不良的情況。

3 打磨目標廓形的設計

根據以上對輪軌接觸狀態的分析，對鋪設在小半徑曲線的鋼軌進行廓形打磨應考慮到以下因素：1)提供合理的輪徑差，改善曲線通過性能；2)降低輪軌接觸應力，減緩滾動接觸疲勞的產生；3)減緩曲線上股磨耗；4)延長鋼軌的使用壽命，減少線路養護維修工作量，節約養護成本費用。因此基于以下原則設計適用于小半徑曲線下股的鋼軌打磨目標廓形：

1)通過改變輪軌接觸點，合理提高輪徑差，改善輪軌蠕滑自導向能力。

2)改善輪軌接觸幾何關系，增加接觸斑面積，減小接觸應力。

在進行打磨目標廓形設計時，需要考慮的主要因素有神朔線線路參數、通過車輛類型、車輛運行速度、車輪的磨耗廓形和鋼軌廓形。根據以上基本信息，建立車輛—軌道耦合系統模型，在模型中可以進行輪軌作用的動靜態計算。靜態計算主要考慮到輪軌接觸幾何關系和接觸應力關系。輪軌形面的幾何匹配關系是輪軌接觸時最直接的反應，可采用多指標化的設計，包括等效錐度、接觸角、接觸點分布、接觸應力大小和滾動接觸疲勞分析等。

等效錐度是反映輪軌對中能力、曲線通過能力和蛇形失穩的重要參數[8]。通過對等效錐度進行優化，可以提高蛇形失穩臨界速度和曲線通過能力。此外輪軌接觸點附近法向間隙的大小也是輪軌接觸性能的重要指標。小的輪軌法向間隙可以提高輪軌接觸“共形度”，有效降低輪軌接觸應力水平，有利于減小輪軌磨耗，提高滾動接觸疲勞壽命。

動力學性能主要取決于車輛狀態、懸掛參數、運行速度、曲線半徑等線路參數。以動力學響應指標再次評價打磨目標廓形的優劣，如輪軌橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數和減載率等，使打磨目標廓形能夠表現出良好的動力學性能，明顯降低輪軌間橫向力和垂向力等。

結合打磨前采集的神朔線通過車輛車輪數據和鋼軌廓形數據，設計出的神朔鐵路400 m及以下的小半徑曲線鋼軌打磨目標廓形如圖5所示。對于曲線下股鋼軌，其打磨區域主要分布在鋼軌中心的兩側。一方面去除鋼軌內側的剝離掉塊病害和外側的塑性流動層，另一方面修復鋼軌廓形至設計廓形，以解決軌頭形面扁平的情況，減小光帶寬度。最后在保證廓形到位的情況下處理軌頂的斜裂紋掉塊病害。

在神朔線鋼軌廓形打磨時，為保證廓形打磨質量，采用鋼軌打磨質量指數GQI(Grinding Quality Index)對打磨車和打磨方案的作業質量進行驗收，同時也可用來判斷鋼軌是否需要打磨。GQI描述的是實測廓形與打磨目標廓形之間的匹配程度，通過分析同一截面區域內兩者之間對應點的偏差值，統計偏差值小于某一限值的點數目占此截面區域內所有點數目的百分比。百分比越高，實測廓形與打磨目標廓形匹配度越高。基于上述計算方法，研發了利用鋼軌打磨質量指數對打磨廓形進行評估和驗收的軟件，其界面如圖6所示。

通過此次廓形打磨，神朔線重點打磨地段的鋼軌GQI指標均得到了大幅提高。打磨后的曲線上下股鋼軌GQI評分平均為81.8分，較打磨前GQI評分平均45分提高1.8倍。打磨后鋼軌廓形接近設計廓形，較好的修復了鋼軌廓形，鋼軌打磨作業質量較好。

4 鋼軌廓形打磨效果

在2017年6月份，對兩條小半徑試驗曲線鋼軌進行了廓形打磨，打磨后鋼軌廓形滿足設計廓形要求，并且消除了軌面剝離掉塊病害，消除了鋼軌波磨，小半徑曲線鋼軌由原來的6個月更換一次延長到12個月，延長了使用壽命。在打磨后6個月時，分別對試驗曲線進行了觀測，具體的打磨效果如下：

1)解決了軌面存在的疲勞傷損問題。K183曲線在打磨后6個月，軌頭表面仍未出現明顯的剝離掉塊病害，并且鋼軌廓形變化較小，未出現鋼軌材料的塑性流動。光帶寬度得到收窄，約為35 mm，且光帶居中，位置合理。說明將鋼軌廓形打磨到設計廓形的情況下，可以明顯減輕輪軌接觸應力和蠕滑力，從而減緩和控制了鋼軌疲勞傷損的發展。

2)降低了鋼軌磨耗速率。通過計算對比打磨前后的磨耗速率可以得到，試驗曲線在打磨后6個月左右(通過總重約126 Mt)，上股側磨率相比打磨前降低了47%；上股垂磨率相比打磨前最大降低了49%，平均降低44%；下股垂磨率相比打磨前最大降低了53%，平均降低44%。說明設計得到的打磨目標廓形，可以有效改善輪軌蠕滑自導向能力，防止了兩點接觸情況的發生，對減輕鋼軌側磨作用明顯。同時輪軌接觸幾何關系的改善，也減小了輪軌接觸應力，從而降低了鋼軌磨耗速率。

3)廓形打磨后，解決了小半徑曲線波形磨耗、魚鱗裂紋、掉塊鋼軌無法探傷和判傷的難題，提高了鋼軌的探傷及判傷精準度。降低了鋼軌的傷損率，全線鋼軌傷損由2016年的多少處，降低到2017年的多少處，傷損減少了50%。

4)廓形設計打磨后，輪軌關系得到明顯的改善，機車運行平穩明顯減少對線路的破壞，線路道床板結明顯減緩，小半徑曲線養護工作量減少，延長了線路養護、清篩的周期。

5)廓形打磨后，鋼軌廓形打磨質量指數GQI相比打磨前提高了1.8倍，較好的修復了鋼軌廓形。

5 結語

通過對小半徑曲線鋼軌疲勞傷損發展過程和輪軌接觸狀態進行分析，判斷由于不良的輪軌接觸關系，導致產生了軌面疲勞傷損。從鋼軌廓形打磨試驗效果來看，通過打磨將鋼軌廓形修復至設計廓形，改善了輪軌關系，提高了輪軌接觸性能，減小了輪軌接觸應力，控制了疲勞傷損和磨耗的發展，從而可延長鋼軌使用壽命。

1)曲線地段進行廓形打磨后，可提高列車曲線通過性能，減小車輪通過曲線時的轉動力矩，從而減輕鋼軌側磨和軌面病害，機車、車輛能夠平穩的運行，減少了機車、車輛對線路的破壞，節約養護維修費用。

2)應避免軌頂廓形扁平的情況，將鋼軌廓形打磨至具有一定弧度的目標廓形，可有效增大輪軌接觸斑面積，減小接觸應力。

3)為了能夠長期保持較好的軌頭廓形，應進行周期性打磨。后期通過對試驗曲線的持續觀測，依據不同的線路條件，鋼軌廓形的變化規律和打磨能力等，給出適合于神朔鐵路的鋼軌廓形打磨周期。

4)今后將按照神朔鐵路打磨設計廓形，繼續進行鋼軌廓形打磨施工，并對設計廓形進行多方面評估，完善并推廣使用，以有效延長鋼軌使用壽命，盡量延長線路清篩周期，降低運輸成本。

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