基于輪軌關系的地鐵鋼軌側磨病害分析及維護方法

陳忠良

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明650215）

0 引言

截至2020年12月31日，中國累計有45個城市開通城軌交通運營線路7978.19千米。隨著城市交通鐵路運營里程及使用年限的增長，鋼軌病害凸顯，極易引起輪軌突發性破壞，嚴重地干擾鐵路運輸系統的正常運營，甚至發生列車脫軌事故，迫切需要針對鋼軌典型病害的科學在線維護理論及維護技術。地鐵線路設計受城市環境的影響，小半徑曲線在地鐵線路中普遍運用。

國內針對側磨形成機理的研究主要通過現場測得的曲線鋼軌側磨數據進行分析，通過擬合得到鋼軌側磨量與運量的關系曲線，并總結曲線上股鋼軌側面磨耗的特征和發生、發展規律。但其研究的主要對象為國鐵普速鐵路的側磨形成機理。

本文主要針對地鐵小半徑曲線線路鋼軌上出現的典型側磨病害進行數據采集和分析，圍繞典型鋼軌側磨病害的形成機理，提出一種基于改善輪軌關系的地鐵鋼軌側磨病害維護方法及策略，實現科學化且針對性強的鋼軌典型病害在線維護理論及運用實施方案，減少輪對和鋼軌蠕滑現象，抑制側磨發展速率，提高地鐵線路易發生側磨路段鋼軌服役壽命，降低線路運營成本和車輛運行安全風險。

1 地鐵鋼軌常見病害類型

地鐵線路鋼軌典型病害類型為裂紋、波磨、側磨、垂磨、剝離掉塊等，在小半徑曲線上股側磨嚴重，下股垂磨嚴重，上股和下股同時存在波磨；中等半徑曲線上股側磨較小，下股以軌頂垂磨為主，伴有輕微的波磨，且光帶比較居中，分布在軌頂兩側；大半徑曲線上股的側磨較小，磨耗主要分布在軌肩位置處，下股以軌頂垂磨為主，光帶更加靠近鋼軌內側；直線區段，左右股鋼軌的廓形基本對稱一致，鋼軌以軌頂垂磨為主，但是光帶更加靠近鋼軌內側，部分磨耗分布在軌肩位置處，軌側位置處有接觸痕跡。

2 基于地鐵鋼軌側磨病害數據采集

針對地鐵車輪廓形和鋼軌廓形的數據采集均采用Minipprof設備進行，該設備是手持式便攜測量設備，利用特制高精度光學編碼器采集車輪或鋼軌剖面外形數據，使用筆記本電腦或掌上電腦與設備連接進行測量、存儲和處理數據，同時包含利用專用軟件進行觀測、分析、計算和打印。

2.1 車輪廓形信息采集

利用Miniprof設備對某地鐵車輛的車輪廓形進行采集，采集車輪數量為528個，共計11列車（每列車6輛編組）。采集初始車輪型面，分別是LM型面和DIN5573型面，LM型面的車輪采集數量為48個，DIN5573型面的車輪采集數量為480個，這里以初始車輪型面為LM型面進行分析。

根據圖1初始車輪為LM型踏面的車輪廓形、圖2車輪輪緣厚度、圖3車輪輪緣高度所示統計數據可知，以上48個車輪的最大輪緣厚度為33.10mm，最小輪緣厚度為31.20mm，最大輪緣高度為29.5mm，最小輪緣高度為28.5mm。初始LM型面的輪緣厚度為32mm，輪緣高度為27mm?？梢钥闯?，該地鐵LM車輪在運用過程中，輪緣磨耗較輕微，以踏面磨耗為主，因此車輪在運用過程中，隨著踏面的不斷磨耗輪緣高度不斷增加，同時部分車輪的輪緣厚度也隨之增加。

圖1 初始型面為LM型面的車輪廓形

圖2 LM型面的車輪輪緣厚度

圖3 LM型面的車輪輪緣高度

2.2 鋼軌廓形信息采集

采用Miniprof廓形測量設備選取該地鐵在運營線路中曲線段和直線段線路鋼軌廓形進行測量，曲線線段測量曲中和圓緩點鋼軌廓形，線路曲線半徑分別為R350m、R400m、R600m、R800m和R2000m，直線路段任意取點進行測量，同時測量上股和下股的鋼軌廓形數據，并且對鋼軌表面狀態進行觀測。具體測量線路信息情況如表1所示：

針對表1中列舉的6條曲線，利用Miniprof設備對每條曲線的曲中、圓緩點位置處鋼軌廓形進行采集。本文僅用350m曲線和2000m曲線做對比分析，圖例中紅線為實測廓形，灰色線為60軌標準廓形。

表1 本次測量的曲線線路參數

半徑為350m的曲線的曲中和圓緩點位置處鋼軌廓形如圖4和圖5所示。

圖5 R350m鋼軌廓形（圓緩點）

由圖4和圖5可見，350m曲線曲中位置處曲線上股存在嚴重的側磨，同時曲線下股伴隨著較大的軌頂垂磨。

半徑為2000m的曲線的曲中和圓緩點位置處鋼軌廓形如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可見，2000m曲線曲中、圓緩位置處上股以軌頂垂磨為主。

圖6 R2000m鋼軌廓形（曲中點）

圖7 R2000m鋼軌廓形（圓緩點）

對比350m曲線和2000m曲線可知，小半徑曲線更容易形成鋼軌側磨病害。

3 地鐵鋼軌側磨病害形成機理

根據線路鋼軌及車輛輪緣廓形信息得知，該地鐵曲線上的鋼軌存在一定程度的側磨現象，尤其是小半徑曲線上，側磨比較明顯。

以半徑為350m曲線為例進行包括輪對橫移量、軌側縱向蠕滑率、軌側磨耗數計算分析。根據輪軌關系的匹配關系，設計了2種工況：工況1是車輪與60kg/m新鋼軌匹配；工況2是車輪與實測鋼軌型面匹配。

3.1 曲線350m圓曲線上的輪對橫移量

從圖8和圖9不難看出，實測鋼軌為已有側磨病害鋼軌，輪軌之間間隙增大，導致輪對橫移量增大。

圖8 車輪與60kg/m新鋼軌匹配

圖9 車輪與實測鋼軌型面匹配

3.2 曲線350m圓曲線上軌側縱向蠕滑率

從圖10和圖11可知，實測鋼軌的軌側縱向蠕滑率大于新鋼軌軌側縱向蠕滑率。

圖10 車輪與60kg/m新鋼軌匹配

圖11 車輪與實測鋼軌型面匹配

3.3 曲線350m圓曲線上軌側軌側磨耗數

從圖12和圖13可知，實測鋼軌的軌側磨耗明顯大于新鋼軌軌側磨耗。

圖12 車輪與60kg/m新鋼軌匹配

圖13 輪與實測鋼軌型面匹配

根據計算結果和輪軌接觸關系分析可知，該地鐵小半徑曲線上出現鋼軌側磨的主要原因是輪軌關系不良。當車輪尤其是薄輪緣車輪通過曲線時，較大的輪對橫移量導致車輪貼靠鋼軌。輪軌之間出現了典型的多點接觸現象，接觸位置分布在軌頂和軌側，而且軌側位置處的輪軌蠕滑率和磨耗數較大，從而使鋼軌出現了較為嚴重的側磨現象。

4 基于輪軌關系的鋼軌側磨病害維護策略

在進行側磨區域鋼軌維護作業時，通過消除金屬的方式很難消除側磨病害，并且不能簡單的將側磨鋼軌凸起部分加工掉，這樣會導致鋼軌強度不夠，如圖14所示，鋼軌側磨為4mm時，為改善輪軌關系，使車輪的大半徑區域盡可能與鋼軌接觸，采用的維護策略即為去除鋼軌外側區域部分，使下圖中的接觸點變為輪子直徑較大的地方與鋼軌接觸，這樣可以減少蠕滑，減少輪對橫移量，抑制側磨的發展速率，延長鋼軌使用壽命。

圖14 側磨4mm輪對和鋼軌接觸關系

5 結論

在地鐵非直線段區域，在上股容易出現鋼軌波磨病害，隨曲線半徑變小，上股鋼軌波磨病害越嚴重，下股垂磨也越嚴重，在直線段和曲線段的鋼軌上股和下股同時存在波磨，因此，針對不同曲線半徑線路的上股或下股的鋼軌病害維護，應基于鋼軌側磨的形成機理，針對側磨病害制定鋼軌的加工工藝，優化設計最佳廓形方案，從輪軌關系角度提出具有針對性的治理措施，制定出合理的病害最佳維護周期，形成應對不同病害的非對稱維護治理策略，可以減小維護成本，做到科學維護，最大限度地延長鋼軌服役壽命，保證行車安全，降低經濟損失，是極具社會效益和經濟價值的。