鋼軌預打磨技術在北京大興國際機場線的應用*

李克飛 王 進 石 熠 孫 鑫

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司， 100068， 北京； 2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室， 100068， 北京∥第一作者， 高級工程師)

鋼軌預打磨是對鋪設上道新鋼軌的打磨作業，它可以去除軌面脫碳層，修復在生產、鋪設過程中的鋼軌碰傷、軋痕等表面缺陷，以縮短輪軌磨合期。

20世紀90年代，美國開展了鐵路鋼軌預打磨作業[1]。我國對新建普速及高速鐵路的鋼軌預打磨作業高度重視，要求在軌道精調完成后進行鋼軌預打磨[2-5]。北京、廣州等多個城市軌道交通線路開通前均開展鋼軌預打磨作業[6-7]。

為保障北京大興國際機場線高速運行條件下的輪軌匹配性和行車舒適性，在開通前對鋪設上道的新鋼軌開展了預打磨作業。文獻[7]提出了城市軌道交通鋼軌預打磨的技術要求、作業要求及質量驗收要求。

本文對鋼軌預打磨技術在北京大興國際機場線一期工程中的應用進行了闡述，重點對預打磨作業中的鋼軌打磨深度、表面不平順、廓形、表面硬度及列車軸箱振動加速度等指標進行了分析，以期提高城市軌道交通鋼軌預打磨質量，同時加強鋼軌預打磨管理，為后續相似工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

大興國際機場線一期工程位于北京南部三環以外區域，是線網中連接中心城與大興國際機場的軌道交通線路。作為北京第二國際機場的重要配套工程，大興國際機場線被定位為快速、直達、高品質的軌道交通專線[8]。

大興國際機場線的設計速度為160 km/h，采用市域車，軸重不大于17 t，8輛編組，4動4拖；正線采用60 kg/m鋼軌，材質為U75V。

為了去除軌面脫碳層，修復軌面傷損，保障高速運行條件下的輪軌匹配性和行車舒適性，采用高速打磨車(見圖1)在線路開通前對鋪設上道的正線新鋼軌開展了預打磨作業。鋼軌預打磨的目標廓形為設計廓形，并應滿足打磨深度和廓形等技術要求[7]。

圖1 高速打磨車Fig.1 High-speed grinding vehicle

2 鋼軌預打磨效果

針對大興國際機場線工程正線鋼軌預打磨工作，選取典型區段對預打磨作業鋼軌的打磨深度、表面不平順、廓形、表面硬度及列車軸箱振動加速度等指標進行分析，對鋼軌預打磨效果進行量化評估。

2.1 鋼軌預打磨深度

沿大興國際機場線鋼軌預打磨里程每5 km隨機選定包含直線和曲線的長度為200 m區段進行鋼軌打磨深度檢驗，左、右股鋼軌各選取6個測點，利用廓形儀進行測量。圖2為鋼軌預打磨后廓形與目標廓形對比示意圖。每班次預打磨作業前，將測量支架安裝于鋼軌底部，測量鋼軌的基礎數據；測量支架不拆除，待打磨作業結束后，對打磨后的鋼軌再次測量，前后測量數據的差值即為預打磨深度。

圖2 鋼軌預打磨后廓形與目標廓形對比示意圖[7]Fig.2 Diagram of rail profile comparison before and after pre-grinding

表1為3個測試區段共9個測點鋼軌軌頂不同位置預打磨深度統計表。由表1可知，各測試區段軌頂不同位置預打磨深度均滿足不低于0.2 mm的驗收要求[7]。

表1 鋼軌軌頂預打磨深度統計表

2.2 鋼軌表面不平順

沿大興國際機場線鋼軌預打磨里程每5 km隨機選定包含直線和曲線的長度為200 m區段進行鋼軌表面不平順檢驗。采用鋼軌波磨測量小車對該區段鋼軌表面不平順進行連續測量，測量位置為鋼軌走行帶中心線，如圖3所示。鋼軌表面不平順測量過程中，對其測量起止位置預留標記，保證預打磨前后測量范圍一致。

圖3 鋼軌表面不平順測量Fig.3 Measurement of rail surface irregularities

圖4為部分區段預打磨前后鋼軌表面不平順谷深平均值[7]結果。由圖4可知：預打磨可以有效降低新鋪鋼軌表面各波長范圍的不平順；預打磨前存在因焊縫引起的間隔25 m的周期性鋼軌表面不平順峰值，打磨后焊縫處不平順峰值基本消失。由此可見，鋼軌預打磨可以有效消除鋼軌焊縫處的軌面不平順。

a) 鋼軌表面不平順波長為10～30 mm

b) 鋼軌表面不平順波長為30～100 mm

c) 鋼軌表面不平順波長為100～300 mm

d) 鋼軌表面不平順波長為300～1 000 mm圖4 預打磨前后鋼軌表面不平順谷深平均值Fig.4 Average of valley depth of rail surface irregularities before and after pre-grinding

如圖5所示，對預打磨前后鋼軌表面不平順谷深平均值超限率進行統計。由圖5可知，預打磨后左、右軌各波長范圍內的表面不平順超限率均滿足低于5%的驗收要求[7]。

a) 區段1

b) 區段2

此外，采用便攜式粗糙度儀對左、右股鋼軌進行粗糙度測量，預打磨后采樣點的粗糙度平均值為6.88 μm，均滿足低于10 μm的驗收要求[7]。

2.3 鋼軌廓形

沿大興國際機場線鋼軌預打磨里程每5 km隨機選定包含直線和曲線的長度為200 m區段，采用便攜式鋼軌廓形測量儀對左、右股鋼軌6個測點進行測量，并分別對預打磨前后的鋼軌廓形進行測量。對同一采樣點處打磨前后的廓形測量數據與目標廓形數據進行偏差分析，詳見圖2。

表2為區段1預打磨前后的鋼軌廓形偏差值。由表2可知，通過對預打磨后鋼軌廓形與目標廓形進行對比分析，預打磨后所有測點鋼軌廓形的最大偏差均滿足低于±0.3 mm的驗收要求[7]。

表2 區段1預打磨前后鋼軌廓形偏差值

2.4 鋼軌表面硬度

沿大興國際機場線鋼軌預打磨里程每5 km隨機選定包含直線和曲線的長度為200 m區段，采用便攜式里氏硬度計對左、右股鋼軌各6個測點進行鋼軌表面硬度測量。預打磨前后分別對鋼軌表面硬度進行測量，測量位置為走行帶正中，每個測點測量3次并取其平均值作為測量值。圖6為預打磨前后所有采樣點的鋼軌表面硬度散點分布圖。由圖6可以看出：

1) 預打磨前鋼軌表面布氏硬度平均值為281 N/mm2，預打磨后鋼軌表面布氏硬度平均值為288 N/mm2，提高了2.5%。

2) 預打磨前鋼軌表面布氏硬度的標準差[9]為17.1 N/mm2，預打磨后鋼軌表面布氏硬度的標準差為12.9 N/mm2，降低了24.6%，這說明鋼軌預打磨提高了鋼軌表面硬度的均勻性。

圖6 鋼軌表面硬度散點分布圖Fig.6 Dispersive distribution of rail surface hardness

2.5 列車軸箱振動加速度

對部分區段預打磨前后列車通過時軸箱垂向振動加速度時程進行對比，如圖7所示。

圖7 列車軸箱垂向振動加速度時程曲線Fig.7 Time-history curve of train axle box vertical vibration acceleration

由圖7可知，預打磨前列車軸箱上存在因焊縫引起的等間隔(25 m)軸箱振動加速度峰值；預打磨后，軸箱垂向振動加速度峰值降低了50%，由焊縫引起的等間隔(25 m)輪軌沖擊基本消失。鋼軌預打磨可以明顯消除由鋼軌焊縫引起的輪軌沖擊，保障了行車的舒適性。

3 結論

1) 所有區段鋼軌預打磨深度、表面不平順、廓形、表面布氏硬度、粗糙度等指標均滿足驗收要求。

2) 相比打磨前，預打磨后鋼軌表面布氏硬度平均值提高2.5%，標準差降低24.6%，在一定程度上提高了鋼軌表面硬度的均勻性。

3) 鋼軌預打磨有效降低了不同波長范圍的鋼軌表面不平順，并明顯消除由焊縫造成的輪軌振動沖擊。

4) 針對城市軌道交通工期緊張、線型多樣、輪軌關系復雜等特點，提高鋼軌預打磨作業速度、優化預打磨廓形設計、發展預打磨信息化成為鋼軌預打磨作業的發展方向。