高速鐵路鋼軌打磨技術(shù)研究與應(yīng)用

馬良民

(廣州鐵路集團(tuán)公司，廣州 510600)

高鐵線路在運(yùn)營過程中，個別地段出現(xiàn)CRH3型動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向振動加速度報(bào)警限速的現(xiàn)象(以下簡稱動車組橫向振幅超限)。

1 動車組橫向振幅超限原因分析

出現(xiàn)動車組橫向振幅超限后，及時組織調(diào)查分析組認(rèn)真分析線路動態(tài)檢測資料，并深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)研，重點(diǎn)檢查和分析軌道幾何尺寸、鋼軌光帶和軌廓等軌道結(jié)構(gòu)情況。

1.1 鋼軌光帶

鋼軌光帶的測量數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)地段鋼軌光帶正常，光帶距內(nèi)側(cè)作用邊 a=15～20 mm，光帶寬度 L=25～35 mm，光帶距外側(cè) b=23～28 mm。但在動車組橫向振幅超限和晃車地段出現(xiàn)異常光帶，有以下幾種表現(xiàn)形式:①部分地段鋼軌出現(xiàn)雙光帶，靠鋼軌內(nèi)側(cè)軌距角處有一條很窄的光帶(約2～4 mm)，反映出鋼軌與輪對側(cè)面間歇接觸;②在鋼軌表面可以很明顯看出有兩種顏色光帶，新舊光帶有一定的偏移，一般表現(xiàn)為新光帶朝鋼軌內(nèi)側(cè)偏移，光帶距內(nèi)側(cè)作用邊a值基本為0;③部分軌面出現(xiàn)忽寬忽窄的跳躍式光帶，多發(fā)生在長大直線上，一般長約3～5 m，左右股鋼軌光帶變換無規(guī)律。

1.2 軌道幾何尺寸

綜合檢測列車每月對武廣高鐵檢測2～3次，檢測數(shù)據(jù)表明幾何尺寸偏差程度輕，無三級偏差，各項(xiàng)動力學(xué)指標(biāo)不超限，主要扣分項(xiàng)目為橫向加速度和軌距變化率。截止2010年3月底，上下行線路扣分，橫向加速度占48.4%，軌距變化率占44.8%。

1.3 軌廓

使用IMAGEMAP EZ-3型便攜式軌廓儀，對鋼軌軌頭廓形進(jìn)行檢測并與60 kg/m鋼軌標(biāo)準(zhǔn)斷面比對分析，動車組橫向振幅超限地段鋼軌整體輪廓雖基本相符，但軌冠不飽滿，軌距角R13處突出。

通過檢查分析，認(rèn)為動車組橫向振幅超限地段雖然軌道幾何尺寸偏差基本不超限，但是鋼軌軌廓存在制造缺陷，造成輪軌匹配關(guān)系不好，車輪與鋼軌非正常接觸是導(dǎo)致動車組橫向振幅超限的主要原因，表現(xiàn)為鋼軌光帶不正常，而修整鋼軌輪廓是改善輪軌接觸狀態(tài)，消除動車組橫向振幅超限的措施之一。

2 鋼軌打磨模式確定

目前，修整鋼軌輪廓最有效的方式是實(shí)施打磨作業(yè)。為保證鋼軌打磨質(zhì)量，提高動車組運(yùn)行平穩(wěn)性，針對高速鐵路的行車特性，合理確定鋼軌打磨方案和工藝參數(shù)至關(guān)重要。

2.1 打磨模式和工藝參數(shù)試驗(yàn)

經(jīng)過充分論證后，先在廣深Ⅲ、Ⅳ線上進(jìn)行了三組模擬打磨的試驗(yàn)(打磨模式及工藝參數(shù)設(shè)置見表1)，初步探索出具有實(shí)際操作性的打磨作業(yè)模式和打磨工藝參數(shù)。

第一組和第二組試驗(yàn)分別采用3遍和4遍打磨模式，第三組試驗(yàn)在綜合吸收了前兩次經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定采用打磨3遍模式，角度從-8°覆蓋到45°。與前兩組試驗(yàn)相比較，第三組試驗(yàn)的第一遍內(nèi)側(cè)增大角度磨削，功率加大，第二遍調(diào)整光帶，按照角度順接，第三遍拋光，范圍略向內(nèi)側(cè)偏移，保證光帶區(qū)接觸效果，既改善磨面過寬問題，又考慮將拋光面加寬。采用第三組打磨模式，得出了滿足要求的打磨效果。

表1 試驗(yàn)采用的打磨模式和工藝參數(shù)

通過這三組試驗(yàn)，初步確定了打磨參數(shù)，對鋼軌內(nèi)側(cè)軌廓的修整，可改善輪軌匹配關(guān)系，且對鋼軌母材損耗較小。

2.2 優(yōu)化鋼軌打磨參數(shù)

前三天試作業(yè)采用了廣深線試驗(yàn)探索確定的模式和工藝參數(shù)，基本滿足了改善動車組運(yùn)行品質(zhì)的要求。針對高鐵特有軌道類型、行車速度和平縱斷面情況，需進(jìn)一步研究并完善鋼軌打磨參數(shù)，獲得良好的輪軌匹配，以適應(yīng)高鐵動車組運(yùn)行高平順和高穩(wěn)定性的要求。

通過對鋼軌材質(zhì)、打磨動態(tài)能量轉(zhuǎn)化、打磨后表面接觸硬度、摩擦力等方面，特別是對打磨作業(yè)熱循環(huán)過程中鋼軌表面晶相組織是否對其綜合性能產(chǎn)生影響的探討，逐步得出針對一般分散光帶的打磨參數(shù)設(shè)置。

1)通用打磨參數(shù)設(shè)置。

第一遍，打磨內(nèi)外側(cè)，角度覆蓋(+25°～+14°，-15°～-1°)，單車內(nèi)側(cè)分布8個磨石，外側(cè)16個磨石，功率15 kW，打磨速度14 km/h。

第二遍，內(nèi)側(cè)磨削，角度范圍為 +43°～+11°，單車24個磨石都在內(nèi)側(cè)工作，修整軌距角突出部位，功率為15 kW，打磨速度15 km/h。

第三遍，拋光軌面，角度在+22°～-6°間，單車內(nèi)側(cè)分布19個磨石，外側(cè)分布5個磨石，功率14 kW，速度16 km/h。

2)根據(jù)打磨地段鋼軌光帶的不同狀況，需對打磨參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化(見表2)。

表2 不同鋼軌光帶的打磨工藝參數(shù)優(yōu)化

3 鋼軌打磨

通過多種動態(tài)和靜態(tài)檢測手段對打磨質(zhì)量的監(jiān)測，可知打磨的效果非常顯著。從打磨前后線路動態(tài)質(zhì)量對比和打磨后鋼軌光帶情況，能清楚地看到打磨對改善輪軌關(guān)系，消除動車組橫向振幅超限的作用。

3.1 鋼軌打磨前后線路動態(tài)質(zhì)量對比

內(nèi)鋼軌打磨時間是2月28日—7月1日，1月—7月綜合檢測列車檢測的上行線線路動態(tài)情況見圖1。

圖1 上行線動態(tài)檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從圖1可以看出，打磨后橫向加速度二級偏差數(shù)量隨著鋼軌打磨的實(shí)施呈下降趨勢，打磨前322處，打磨完畢5處。這充分說明打磨后輪軌匹配狀態(tài)得到改善，鋼軌打磨對減小動車組橫向振動幅度有顯著的作用，在添乘動車組時的人體感覺也可得到驗(yàn)證。

3.2 鋼軌打磨后鋼軌光帶情況

為觀察鋼軌打磨效果，選取上坡、下坡、變坡和直線、曲線等不同工況共4處(YZ01～YZ04)作為打磨觀測點(diǎn)，樣點(diǎn)涵蓋了雙光帶、光帶突變和新舊光帶地段，對鋼軌光帶情況進(jìn)行觀測。打磨后鋼軌光帶情況見表3和表4。

表3 上行線部分鋼軌打磨后光帶情況mm

表4 下行線部分鋼軌打磨后光帶情況mm

從表3和表4可以看出鋼軌打磨后的鋼軌光帶變化:光帶寬度L在打磨(約1周后)普遍偏窄，L一般在8～12 mm范圍內(nèi)，2至3周后，光帶逐漸變寬，L在25～31 mm范圍內(nèi)，光帶良好，并趨于穩(wěn)定;光帶距作用邊距離a在打磨7～15 d后穩(wěn)定在18～25 mm之間。光帶寬度和距作用邊距離正常，表明輪軌匹配關(guān)系良好。

4 結(jié)論

通過分析研究，提出輪軌匹配關(guān)系不良是導(dǎo)致發(fā)生動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向振動加速度報(bào)警限速的原因，確定了對鋼軌進(jìn)行打磨的整治對策，制訂了打磨工藝參數(shù)。采用大型鋼軌打磨車實(shí)施鋼軌打磨后，修整了鋼軌廓形，改善了輪軌匹配關(guān)系，解決了動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向振動加速度報(bào)警限速問題，提高了動車組運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適性，取得很好的效果。此項(xiàng)研究填補(bǔ)了國內(nèi)高鐵打磨領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)空白，對合理確定高速鐵路鋼軌打磨作業(yè)模式和工藝參數(shù)有重要的指導(dǎo)意義。

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［2］中華人民共和國鐵道部.鐵運(yùn)［2006］146號 鐵路線路修理規(guī)則［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［3］郭俊，劉啟躍，王文健.鋼軌打磨對輪軌滾動接觸斑行為影響研究［J］.鐵道建筑，2009(12):92-94.