個性化鋼軌廓形打磨在北京地鐵的應用分析*

時光明 丁 明 袁 健 白 磊

(1.北京市地鐵運營有限公司線路分公司,100082,北京;2.北京九州一軌環境科技股份有限公司智慧運維中心,100070,北京∥第一作者,高級工程師)

鋼軌廓形打磨可以有效保護鋼軌，是處理鋼軌異常波磨的有效手段。但目前國內外專家學者多側重研究曲線鋼軌的使用壽命評估[1-2]、曲線鋼軌廓形優化設計與曲線鋼軌病害治理[3-7]等，對鋼軌打磨后跟蹤分析和效果評價的相關研究較少。

本文在北京地鐵6號線草房站—物資學院路站區間選擇了一段半徑為650 m的曲線段作為試驗段，進行鋼軌個性化廓形打磨試驗。試驗曲線段上行方向里程為K31+501.057—K31+291.470，下行方向里程為K31+292.831—K31+502.190。

1 個性化廓形設計

2018年6月，通過線路調查，采集了試驗曲線段的鋼軌廓形、疲勞傷損和波磨等情況。使用動力學仿真軟件分析鋼軌廓形和車輪踏面數據，計算出鋼軌打磨廓形。

1.1 前期線路調查

經調查，試驗曲線段的上下股鋼軌均存在明顯磨耗。在上行方向K31+416處，上股垂磨量為4.586 mm、側磨量為2.948 mm，下股垂磨量為3.951 mm;上股鋼軌有魚鱗紋和輕微波磨，下股鋼軌存在掉塊及明顯波磨現象。在上行方向K31+390處，下股波磨波深約0.200～0.247 mm。

1.2 鋼軌最佳設計廓形

依據輪軌蠕滑最小化和輪軌耦合接觸理論，建立車輛-軌道耦合系統動力學模型。利用個性化鋼軌打磨廓形設計系統，得到試驗曲線段上下股鋼軌的最佳設計廓形。以上行方向為例，上股鋼軌最佳設計廓形與標準60軌廓形基本一致，下股鋼軌最佳設計廓形與標準60軌廓形有一定差異(如圖1所示)。

圖1 上行方向下股鋼軌最佳設計廓形與標準60軌廓形對比

2 個性化廓形打磨施工

對于實測廓形與最佳設計廓形偏差較大的鋼軌(以上行曲線為例，如圖2所示)，需要先銑磨后打磨。2018年7月，北京市地鐵運營有限公司線路分公司按計劃使用銑磨車對試驗曲線線路進行鋼軌銑磨作業，銑刀廓形為標準60軌。2018年8月—9月，以銑磨后鋼軌廓形為基礎，使用HSG-city-02型快速打磨車，對鋼軌個性化打磨至最佳設計廓形。試驗曲線段的打磨速度為30 km/h。上下行方向有效打磨范圍均為K31+300～K31+500，打磨區段兩邊各延伸100 m作為緩沖區間，共計使用7個打磨作業天窗。

圖2 試驗曲線段上行方向鋼軌最佳設計廓形與實測廓形

經評定：打磨前，上行方向上下股的GQI(打磨質量指標)分別為46.7、47.8，下行方向上下股的GQI分別為79.7、42.5；廓形打磨后，上行方向上下股的GQI分別為93.0、97.8，下行方向上下股的GQI分別為94.3、94.8，均為優良，說明鋼軌廓形打磨質量合格。

3 跟蹤測試分析

GQI只能體現鋼軌個性化打磨作業的即時效果，并不能反映線路輪軌關系改善情況。為了更全面評定鋼軌打磨效果，本文在打磨后于試驗曲線段設置觀測點，定期觀測并分析觀測數據，計算鋼軌波磨發展速率，分析鋼軌打磨對鋼軌波磨發展的影響，掌握鋼軌打磨作業的持續效果。此外，通過記錄病害發展情況，把握打磨后鋼軌磨耗及波磨發展趨勢，可對鋼軌養護及下一階段打磨等提供意見。

3.1 廓形變化情況

廓形打磨后3～4個月，試驗曲線段鋼軌廓形監測結果如圖3所示。由監測結果可知，鋼軌均未發生明顯磨耗。

圖3 鋼軌廓形變化

3.2 疲勞傷損發展情況

廓形打磨3～4個月后，試驗曲線段的鋼軌均無明顯疲勞傷損和魚鱗紋等病害，如圖4所示。

圖4 疲勞傷損發展

3.3 波磨發展情況

打磨前，波磨波深為0.2～0.3 mm；打磨后，波磨完全消除；打磨完成4個月后，波磨波深最大值發展到0.1 mm左右，已形成肉眼可見波磨。

其中上行方向下股鋼軌波磨發展如圖5所示。由圖5可知：鋼軌于2018年2月銑磨后， 2018年3—6月的波磨波深平均發展速率為0.052 mm/月；鋼軌于2018年7月廓形打磨后， 2018年8月—2019年2月的波磨波深平均發展速率為0.034 mm/月。經對比可知，鋼軌廓形打磨有效減緩了波磨發展速率。

圖5 上行試驗曲線下股鋼軌波磨波深發展趨勢

4 結語

本文基于鋼軌廓形和車輪踏面數據調查結果，借助動力學仿真軟件計算鋼軌打磨廓形，進行鋼軌銑磨和打磨后，定期觀測并分析鋼軌廓形變化、疲勞傷損發展、波磨發展等情況，對比鋼軌銑磨和鋼軌廓形打磨的質量效果。經對比，相比于鋼軌銑磨，鋼軌廓形打磨減緩了鋼軌波磨的發展速率，可將打磨周期從3個月延長至6個月。

試驗結果表明：鋼軌廓形打磨可有效改善輪軌接觸關系，從而實現對疲勞傷損的良好控制。這說明地鐵采用個性化鋼軌廓形打磨有較好效果，可有效延長曲線鋼軌使用壽命。