海南環島高速鐵路動車組晃車原因分析及整治措施

張 金，田常海，劉豐收，俞 喆，張訓全

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所， 北京 100081)

目前，我國速度200 km/h及以上高速鐵路線路主要運行4種動車組，采用4種車輪廓面。其中，CRH1型動車組的車輪廓面為LMD，CRH2型動車組的車輪廓面為LMA，CRH3型動車組的車輪廓面為S1002CN，CRH5動車組的車輪廓面為XP55。同時，高速鐵路線路主要鋪設1種國內自主研發生產的60 kg/m U71Mn或U75V鋼軌。4種車輪廓面與1種鋼軌廓形匹配存在輪軌接觸關系不良的問題，主要表現為動車組轉向架構架橫向加速度報警、抖車及晃車[1]。

在車輪廓面難以改變的情況下，通常只有通過鋼軌廓形打磨來實現輪軌關系合理匹配。但是鋼軌廓形打磨不合適會造成軌頭廓形不良，容易引起動車組構架橫向加速度報警或晃車。如武廣、京滬和哈大高速鐵路鋼軌軌距角側打磨量不足，部分地段引起動車組構架橫向加速度報警；合武高速鐵路鋼軌軌距角側打磨量過大，部分地段引起晃車。通過科學的鋼軌打磨形成合理的軌頭廓形，可有效抑制或減輕動車組異常振動、鋼軌波浪形磨耗、鋼軌表面裂紋、剝離掉塊等疲勞傷損的發生和發展，改善輪軌匹配關系，提高列車運行平穩性，延長鋼軌的使用壽命[2]。

本文針對海南環島高速鐵路東段CRH1型動車組晃車的原因展開深入調查分析，提出鋼軌打磨治理措施，并制定詳細的鋼軌打磨方案以修正軌頭廓形，改善輪軌匹配關系，解決動車組晃車的問題，提高動車組運行的舒適性及安全性。

1 動車組晃車原因分析

海南環島高速鐵路東段于2010年12月通車運營，設計速度200 km/h，主要運行CRH1型動車組，全線約300 km(雙線)鋪設攀枝花鋼鐵(集團)公司生產的60 kg/m U71Mn鋼軌，開通前廣州工務機械段使用GMC-96X打磨車進行了全線鋼軌預打磨。2014年3—5月份完成了第1次全線鋼軌預防性打磨。2015年11月—2016年8月，海南環島高速鐵路東段區間線路上幾乎所有CRH1型動車組均出現了車體嚴重晃動情況。

為了尋找CRH1型動車組晃車的具體原因，課題組深入現場開展調查研究，重點檢查和分析了晃車嚴重區段的軌道幾何尺寸、焊接接頭平直度、鋼軌光帶及軌頭廓形的情況。

1.1 軌道幾何尺寸

工務段對軌道靜態幾何尺寸進行了檢測，并結合便攜式添乘儀的線路動態檢查數據進行了數據處理分析。分析結果表明：軌底坡、軌距、水平、高低、軌向、扭曲、軌道不平順、軌距變化率等主要技術指標偏差基本不超限，主要超限指標為水平加速度3級、垂向加速度2級。

1.2 焊接接頭平直度

使用電子平直尺對區間線路進行了閃光焊接頭平直度測量，僅個別測點平直度偏高(左股0.25，0.30 mm/m，右股0.25，0.20 mm/m)，大部分測點平直度均小于0.10 mm/m。檢測結果表明，閃光焊接頭平直度良好，未見明顯高接頭或嚴重低塌。

1.3 鋼軌光帶

鋼軌光帶觀測結果如圖1所示。可以看出，未晃車區段鋼軌光帶正常，基本居中，光帶距內側作用邊約20 mm，距外側非作用邊約22 mm，光帶寬度約29 mm。晃車區段鋼軌光帶異常，主要表現為：①鋼軌光帶明顯偏向軌距角，光帶距內側作用邊約13 mm，距外側非作用邊約18 mm，光帶寬度約40 mm;②鋼軌表面清晰可見2種不同顏色的光帶，新舊光帶有一定的偏移，新光帶朝鋼軌內側作用邊偏移；③直線地段出現左右股鋼軌光帶周期性交替側磨，間距約為18～20 mm，反映出鋼軌與輪對側面間歇性接觸。

圖1 鋼軌光帶觀測情況

1.4 軌頭廓形

圖2為鋼軌軌頭實測廓形與設計廓形對比情況。可以看出，未晃車區段鋼軌軌頭實測廓形與設計廓形基本接近，內側工作邊R80圓弧處最大偏差+0.17 mm，R13圓弧處最大偏差-0.45 mm，偏差在-0.6～+0.2 mm 內，滿足表1要求；晃車區段鋼軌軌頭實測廓形與設計廓形差異較大，內側工作邊R80圓弧處最大偏差-0.48 mm，R13圓弧處最大偏差-0.76 mm，偏差超出-0.6～+0.2 mm，不滿足表1要求。其中“+”，“-”分別表示鋼軌軌頭實測廓形高于或低于設計廓形。

圖2 鋼軌軌頭實測廓形與設計廓形對比情況(單位：mm)

注：廓形驗收范圍為鋼軌軌頭橫向-25～+32 mm。

1.5 原因分析

通過調研分析發現，晃車嚴重區段軌道幾何尺寸主要技術指標偏差基本不超限，閃光焊接頭平直度良好，未見明顯高接頭或嚴重低塌。但是，鋼軌軌頭廓形內側工作邊R80和R13圓弧處明顯凹陷，造成輪軌匹配關系不良，鋼軌光帶不居中，偏向軌距角側，直線地段出現左右股鋼軌光帶周期性交替側磨。因此車輪與鋼軌非正常接觸是導致CRH1型動車組晃車的主要原因。相關研究表明[3-4]，對鋼軌進行打磨從而修正軌頭廓形是改善輪軌接觸關系、消除動車組異常振動的有效措施。

2 鋼軌打磨方案制定

為了確保鋼軌打磨質量，達到修正軌頭廓形、改善輪軌匹配關系、解決CRH1型動車組晃車的目的，制定合理的鋼軌打磨方案至關重要。打磨方案包括打磨廓形設計和打磨工藝參數設定。

2.1 打磨廓形設計

鋼軌打磨廓形設計應充分考慮輪軌接觸關系，保證直線和大半徑曲線上輪軌接觸始終處于鋼軌踏面中心，即軌頭踏面中心區域和車輪踏面中心區域接觸，小半徑曲線上輪軌發生共形接觸，即軌距角與輪緣形成共形接觸，使輪軌接觸應力最小，橫向蠕滑率和蠕滑力最小，從而達到輪軌合理匹配的目的[5-6]。

根據鐵總運[2014]357號《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》[7]中第十七條規定：“鋪設標準60 kg/m鋼軌且允許運行除動車組以外客車的區段，以及鋪設60N鋼軌的區段，鋼軌打磨的目標廓形為60N廓形；鋪設標準60 kg/m鋼軌且僅運行動車組的區段，鋼軌打磨的目標廓形為設計廓形”，綜合考慮海南環島高速鐵路東段鋼軌的實際服役情況，本著打磨量最小以降低成本的原則，確定本次修理性打磨的目標廓形為設計廓形。鋼軌修理性打磨目標廓形與60軌標準廓形對比如圖3所示。打磨后軌頭非工作邊-10°至軌頭內側工作邊+60°(軌距角側為正角度)實測廓形應與設計廓形基本符合，誤差應達到表1要求。

圖3 鋼軌修理性打磨目標廓形(設計廓形)與60軌 標準廓形對比

2.2 打磨工藝參數設定

打磨工藝參數設定是實現廓形打磨的關鍵環節。鋼軌打磨列車使用的砂輪類型、打磨砂輪分布角度、打磨電機功率和打磨作業速度都將影響打磨切削量，直接關系到廓形打磨的效果。通過科學合理的打磨工藝參數設定(打磨砂輪分布角度、打磨電機功率及打磨作業速度)，可以減少打磨遍數，高效地實現打磨廓形與目標廓形相吻合，并能保證較好的鋼軌表面粗糙度，以及實現打磨平面均勻光滑過渡，軌面無連續發藍帶及周期性打磨痕跡。

通過對比晃車嚴重區段鋼軌軌頭實測廓形與設計廓形的差異，進行數據分析研究，并結合GMC-96X打磨車的實際狀態，經過多次打磨試驗嘗試，最終制定出具有實際可操作性的打磨作業模式和合理的打磨工藝參數，見表2，并確定采用4遍打磨來達到修正軌頭廓形的目的。

第1遍：打磨軌頂和外側非工作邊，角度覆蓋范圍為-11°～+3°，軌頂分布32個砂輪，外側分布64個砂輪，打磨速度15 km/h。

第2遍：同樣打磨軌頂和外側非工作邊，角度覆蓋范圍為-11°～+3°，軌頂分布32個砂輪，外側分布64個砂輪，打磨速度15 km/h。

第3遍：重點打磨軌頂兼顧外側非工作邊，角度覆蓋范圍為-9°～+3°，軌頂分布80個砂輪，外側分布16個砂輪，打磨速度15 km/h。

第4遍：軌頭全覆蓋打磨并修理光帶，角度覆蓋范圍為-9°～+49°，內側分布68個砂輪，軌頂分布12個砂輪，外側分布16個砂輪，打磨速度16 km/h。

表2 打磨模式和工藝參數

注：①正角度打磨鋼軌內側，負角度打磨鋼軌外側;②以1號電機為作業前進方向，反方向作業時應對模式進行顛倒;③根據打磨效果和設備狀態需要對打磨模式進行適當調整。

3 打磨整治效果跟蹤評價及驗證

為了分析晃車區段鋼軌打磨整治效果，使用靜態檢測手段鋼軌廓形測量儀對打磨后軌頭廓形進行了檢測，并觀測了光帶情況；使用動態檢測手段便攜式添乘儀對線路狀態進行了檢查。通過靜態和動態檢測手段對打磨效果的跟蹤分析可知，打磨修正了軌頭廓形，改善了輪軌接觸關系，消除了動車組橫向振動幅度超限，解決了動車組晃車的問題。同時，對打磨前后等效錐度及輪軌接觸點對分布情況進行了分析研究，進一步驗證了通過鋼軌打磨改變輪軌接觸關系，實現輪軌合理匹配，整治動車組晃車效果非常顯著。

3.1 打磨后軌頭廓形及光帶情況

使用鋼軌廓形測量儀對晃車嚴重區段打磨后軌頭廓形進行了檢測，并觀測了光帶情況，如圖4所示。可以看出：打磨后軌頭實測廓形與設計廓形基本接近，內側工作邊R80圓弧處最大偏差+0.04 mm，R13圓弧處最大偏差-0.42 mm，偏差滿足表1的要求，原來內側工作邊R80和R13圓弧處凹陷得到有效整治；光帶基本居中，寬度約30 mm，距內側工作邊約為21 mm，距外側非工作邊約為20 mm，光帶變化趨于穩定，表明輪軌匹配狀態良好。

3.2 打磨前后線路動態檢查情況

使用便攜式添乘儀對線路動態情況進行了檢查，晃車嚴重區段打磨前后水平加速度超限情況對比，如圖5所示。可以看出，打磨前水平加速度3級26處、2級 50處、1級21處，打磨后水平加速度3級0處、2級 0處、1級0處。這充分地說明了鋼軌打磨對減小動車組橫向振動幅度有顯著的作用，打磨后輪軌接觸關系得到改善，輪軌匹配更加合理，添乘時人體感覺舒適，提高了動車組的運行品質。

圖5 晃車嚴重區段打磨前后水平加速度超限情況對比

3.3 打磨前后等效錐度及輪軌接觸點對分布情況

圖6 打磨前后輪軌接觸點對分布

利用UIC 519—2014MethodforDeterniningtheEquivalentConicity[8]中的積分法，通過Fortran軟件編程計算了打磨前后等效錐度及輪軌接觸點對分布情況。打磨前后輪軌接觸點對分布如圖6所示。可以看出，打磨前輪軌接觸點對分布較集中，打磨后輪軌接觸點對分布較分散；與打磨前相比，打磨后輪軌接觸范圍更大。相同接觸載荷條件下，較大的接觸面積將導致較小的接觸應力，有利于減小輪軌磨耗，提高滾動接觸疲勞壽命。

等效錐度是用于表征輪軌幾何接觸關系的重要參數，決定著輪軌之間的匹配程度。輪軌匹配等效錐度的大小與動車組運行過程中的動態響應密切相關。等效錐度過小導致動車組運用過程中出現晃車現象；等效錐度過大引起動車組車輛構架橫向振動報警[9]。圖7為打磨前后輪軌匹配等效錐度曲線，可以看出輪對橫移量1.5 mm范圍內，打磨前后輪對踏面具有相同的等效錐度；輪對橫移量1.5～6.0 mm內，打磨后的等效錐度明顯大于打磨前的；輪對橫移量3 mm時的名義等效錐度，打磨前約為0.075，打磨后約為0.115。根據相關文獻報道[4]，輪軌匹配等效錐度的合理區域為0.08～0.35，等效錐度小于0.08時易產生晃車，等效錐度大于0.35時易產生水平加速度超限。通過鋼軌打磨使晃車區段的等效錐度由0.075提高到0.115，達到輪軌匹配等效錐度的合理范圍，改善了輪軌匹配關系，解決了動車組晃車的問題。

圖7 打磨前后輪軌匹配等效錐度曲線

4 結論與建議

1)鋼軌軌頭廓形內側R80和R13圓弧處明顯凹陷，導致等效錐度過小，輪軌匹配關系不良，是造成CRH1型動車組晃車的主要原因。

2)通過鋼軌打磨整治措施，可以修正軌頭廓形，改善輪軌匹配關系，解決動車組晃車的問題。

3)建議深入開展鋼軌預防性打磨技術研究，形成最優化的打磨方案,進行合理的鋼軌預防性打磨，并為制定科學合理的鋼軌打磨周期提供依據。