滬昆線鋼軌廓形修理打磨的探討與實(shí)踐

楊 俊 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭州工務(wù)段

金華樞紐位于滬昆線上下行349km+000m～375km+500m區(qū)段，線路最大允許速度為120 km/h，線路年通過總重下行為82Mt、上行為59.9Mt，共有曲線42條，其中上行24條、下行18條，半徑最大為4 000 m、最小為800 m，其中半徑小于1 500 m有33條。由于線位條件差、運(yùn)量大，小半徑曲線地段鋼軌每3年需更換曲線側(cè)磨軌2遍，下股鋼軌由于垂磨加劇，每2～3年需更換1遍，在曲線地段投入養(yǎng)修勞力較大。為改變現(xiàn)狀需要針對既有鋼軌狀態(tài)進(jìn)行分析研究，制定相關(guān)整治措施，通過優(yōu)化鋼軌修理方法，實(shí)現(xiàn)延長鋼軌使用壽命的目標(biāo)。

1 鋼軌廓形設(shè)計(jì)理論

1.1 鋼軌廓形設(shè)計(jì)理論

打磨是解決鋼軌病害問題的一個(gè)重要手段，按照中國鐵路總公司及上海局集團(tuán)有限公司的相關(guān)要求，積極的推進(jìn)鋼軌壽命的延長工作，依據(jù)對鋼軌使用狀況展開深入的探究，并且和中鐵物總技術(shù)有限公司展開合作，對管內(nèi)滬昆線小半徑的曲線鋼軌廓形打磨進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，構(gòu)建相應(yīng)的鋼軌打磨廓形數(shù)據(jù)庫，采用輪軌系統(tǒng)動(dòng)力模型以及相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)的運(yùn)算和分析，來對不同路線的最優(yōu)化鋼軌打磨廓形進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且由專門的大型鋼軌打磨車來進(jìn)行具體的實(shí)施。

1.2 輪軌型面數(shù)據(jù)采集

對需要進(jìn)行打磨和輪軌型面規(guī)劃路線的輪軌之間的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算以及對鋼軌型面進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，需要對現(xiàn)場輪軌型面詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，通過一系列的分析模型和工具對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，通過分析結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際狀況來對輪軌型面進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

1.3 現(xiàn)場線路信息及數(shù)據(jù)采集

在現(xiàn)場需要采集：（1）現(xiàn)場線路全線曲線狀況匯總列表；（2）準(zhǔn)備測量設(shè)備，主要用于對目標(biāo)線路鋼軌橫向幾何型面進(jìn)行測量，這些設(shè)備需要具備在不斷線區(qū)段對鋼軌橫向型面進(jìn)行測量的功能；（3）軌道幾何尺寸；（4）輪軌摩擦系數(shù)；（5）現(xiàn)場鋼軌的表面?zhèn)麚p及磨耗照片。

1.4 列車信息及數(shù)據(jù)采集

列車信息需要采集：（1）軸重；（2）車輪標(biāo)稱直徑；（3）輪對的標(biāo)稱輪后緣距；（4）軸距；（5）車輪橫向型面測量；（6）現(xiàn)場輪對的表面?zhèn)麚p及異常磨耗照片。

2 曲線地段鋼軌廓形設(shè)計(jì)

經(jīng)過探索與實(shí)踐，針對小半徑曲線特殊地段的鋼軌廓形設(shè)計(jì)打磨主要涉及到以下內(nèi)容：

（1）設(shè)計(jì)鋼軌打磨輪廓。按照輪軌蠕滑最小以及輪軌耦合接觸理論，結(jié)合動(dòng)力學(xué)房展軟件，依據(jù)車輛和軌道結(jié)構(gòu)來構(gòu)建車輛-軌道動(dòng)力學(xué)模型，并且通過使用一些輔助軟件對打磨廓形進(jìn)行規(guī)劃，從而對不同區(qū)段的鋼軌打磨廓形進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。

（2）設(shè)計(jì)鋼軌打磨模式。 把設(shè)計(jì)的廓形和實(shí)際廓形進(jìn)行對比之后，按照鋼軌實(shí)際狀況以及最小打磨量的原則，對不同區(qū)段的鋼軌進(jìn)行個(gè)性化打磨。

（3）對鋼軌打磨結(jié)果進(jìn)行檢測。主要按照完成檢測標(biāo)準(zhǔn)來對打磨效果進(jìn)行評估。圖1主要反映了特殊區(qū)段鋼軌輪廓打磨的主要程序。

圖1 特殊區(qū)段鋼軌打磨程序圖

2.1 線路技術(shù)條件數(shù)據(jù)的測量

通過和中鐵物總技術(shù)有限公司的合作，對管內(nèi)胡滬昆線特殊區(qū)域的線路展開調(diào)查，并且按照相關(guān)的試樣來對鋼軌打磨廓形的具體實(shí)施技術(shù)的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。

2.2 車輛廓形的收集和整理

鋼軌最佳打磨輪廓設(shè)計(jì)的主要目的就是為了設(shè)計(jì)出與該路線相符的最佳車輪廓形，所以在對鋼軌打磨廓形展開個(gè)性化設(shè)計(jì)前，需要對相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集和整理。

在2017年第一季度，該段和中鐵物總技術(shù)有限公司進(jìn)行合作，主要采用Miniprof設(shè)備對滬昆線車輛車輪廓形數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，收集樣本總量為550個(gè)。通過統(tǒng)計(jì)分析可知，車輪邊緣厚度主要在26 mm～39 mm之間進(jìn)行波動(dòng)變化，并且絕大部分的車輪邊緣厚度在29 mm～35 mm中間；而車輪高度在26.5 mm～36.5 mm之間進(jìn)行波動(dòng)變化。

2.3 鋼軌廓形研究

依照對實(shí)際的鋼軌運(yùn)行狀況進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，并且構(gòu)建了相應(yīng)的鋼軌打磨廓形數(shù)據(jù)庫，采用輪軌力學(xué)模型，對不同的鋼軌廓形進(jìn)行了對比研究和分析，最終得出了不同路段最優(yōu)化的鋼軌打磨廓形。

2.4 廓形運(yùn)算

2.4.1 曲線上股鋼軌的靜態(tài)模型分析

把曲線上股鋼軌和其他線路所測量的550個(gè)車輪廓形進(jìn)行對比分析，尋找最佳的匹配方案，并且對輪軌的靜態(tài)狀況進(jìn)行了分析，計(jì)算出相關(guān)的輪軌靜態(tài)評價(jià)指標(biāo)，通過評價(jià)指標(biāo)靜態(tài)分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)分析，選擇七個(gè)優(yōu)勢比較明顯的鋼軌打磨廓形備選方案。

2.4.2 上股鋼軌的動(dòng)態(tài)模型分析

通過表格1中對滬昆線線路的鋼軌運(yùn)行狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并且采用NUCARS軟件來構(gòu)建和目標(biāo)路線條件最為接近的軌道動(dòng)力模型，并且鋼軌廓形主要使用了上述所選擇的最佳備選鋼軌廓形方案。

通過采用車輛-軌道耦合動(dòng)力系統(tǒng)模型來對不同的鋼軌廓形的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，得出相應(yīng)的輪軌動(dòng)態(tài)評價(jià)指標(biāo)。在進(jìn)行評價(jià)的過程中需要融入靜態(tài)車輛-軌道耦合動(dòng)力模型分析的結(jié)果，進(jìn)行綜合考量之后，最終得出最佳的鋼軌打磨廓形。

2.4.3 下股鋼軌分析

把曲線下股鋼軌和其他區(qū)域所測得的550個(gè)車輛廓形進(jìn)行對比分析，通過把靜態(tài)的輪軌評價(jià)指標(biāo)模型和動(dòng)態(tài)分析結(jié)合起來，最終得出輪軌評價(jià)指標(biāo)。

2.5 現(xiàn)場廓形復(fù)核

2017年5月，本段聯(lián)合中鐵物總技術(shù)有限公司對滬昆線金華樞紐上行進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查過程中分段采集了該區(qū)間的直線、曲線鋼軌廓形以及鋼軌表面狀態(tài)，以滬昆線上行363 km000 m～368 km000 m為重點(diǎn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)地段，該區(qū)間內(nèi)有半徑800 m的曲線4條，半徑1 000 m的曲線1條，半徑1 500 m的1條。在現(xiàn)場調(diào)查以GQI評判指標(biāo)為準(zhǔn)，GQI是指鋼軌廓形質(zhì)量指數(shù)。

將實(shí)測廓形與設(shè)計(jì)廓形比對發(fā)現(xiàn)：曲線上股軌頂偏內(nèi)略低于設(shè)計(jì)廓形，內(nèi)側(cè)大角度高于設(shè)計(jì)廓形、甚至存在肥邊，曲線下股內(nèi)側(cè)高于設(shè)計(jì)廓形。曲線上下股光帶較寬，上股內(nèi)側(cè)有魚鱗傷，嚴(yán)重地段開始出現(xiàn)輕微的剝離掉塊，同時(shí)針對特殊地段進(jìn)行全面調(diào)查，總結(jié)現(xiàn)場病害。

2.6 現(xiàn)場實(shí)施方案制定

根據(jù)鋼軌直線、曲線半徑等將鋼軌分為不同類別分別制定方案，最終綜合得到總方案，設(shè)計(jì)打磨方案共包含18種打磨模式（見表1）。

表1 2017年04月上海鐵路局滬昆線鋼軌廓形打磨模式表

在表1中，其中16號模式為拋光模式(可用于處理波深小于0.3 mm的波磨、魚鱗等病害)，17號模式為波磨模式（用于處理波深大于等于0.3 mm的波磨）,18號模式為肥邊模式，功率為70%，速度16 km/h。

在現(xiàn)場以長度小于100 m的夾直線以中點(diǎn)為界，一分為二的夾直線分別按相鄰的曲線模式進(jìn)行打磨。

制定的曲線打磨方案設(shè)計(jì)基本思路，如表2所示。

表2 曲線試驗(yàn)段鋼軌廓形打磨設(shè)計(jì)基本思路

在曲、直線廓形打磨方案中，廓形打磨總遍數(shù)已包括波磨、魚鱗傷、肥邊等病害處理遍數(shù),在實(shí)際實(shí)施時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況，增加此類病害處理遍數(shù)。

3 整治效果分析

段于2017年5月安排施工封鎖點(diǎn)，對滬昆上下行349 km000 m～375 km500 m區(qū)段進(jìn)行鋼軌廓形設(shè)計(jì)大機(jī)打磨作業(yè)。所有打磨地段全部采用鋼軌廓形設(shè)計(jì)。

在打磨作業(yè)結(jié)束后，分別于2017年8月、9月、2018年1月、3月對該區(qū)段進(jìn)行階段性觀測。

3.1 曲線地段效果

（1）滬昆線上行K367+800處鋼軌上股打磨效果打磨前觀測情況見圖2。

圖2 滬昆線上行K367+800處鋼軌上股打磨前觀測情況

（2）2017年9月22日觀測情況見圖3。

圖3 滬昆線上行K367+800處鋼軌上股2017年9月22日測量狀況

①從現(xiàn)場檢查的結(jié)果來分析，打磨前的曲線上股鋼軌有著很明顯的魚鱗傷，并且下股的鋼軌光帶不清晰，主要偏向內(nèi)側(cè)。廓形打磨之后對輪軌接觸的位置進(jìn)行了一定的調(diào)整，從而使得原有鋼軌的魚鱗損傷程度有一定的緩解，并且逐漸的恢復(fù)正常。分析匯總GQI值的變化情況，普遍在打磨前，分值較低，在打磨后隨著廓形的合理化，打磨后的一個(gè)較短階段GQI隨之增加較為明顯，符合現(xiàn)場打磨需求（見圖4）。

圖4 打磨前后GQI對比圖

②打磨后，曲線下股鋼軌光帶清晰，明顯收窄、軌頂光滑，下股輪軌接觸面良好，列車運(yùn)行狀況明顯變好。

3.2 打磨前后軌道TQI對比分析

TQI軌道質(zhì)量指數(shù)的確定主要是選擇200 m的軌道區(qū)段作為一個(gè)單元，并且對單元不同角度的鋼軌走向進(jìn)行了測量，計(jì)算出其標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值，每個(gè)單元所計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值就是其單項(xiàng)指數(shù)，把全部的七個(gè)單項(xiàng)指數(shù)綜合起來就成為軌道的質(zhì)量指數(shù)。TQI質(zhì)量指數(shù)主要是測量軌道質(zhì)量的具體狀況，對軌道的受損程度進(jìn)行進(jìn)一步的測量和估算，通過數(shù)值的方式來表示不同軌道區(qū)段的質(zhì)量狀況。

通過統(tǒng)計(jì)分析匯總滬昆線上下行349 km000 m～375 km500 m前后TQI值的變化情況，發(fā)現(xiàn)在不做其它養(yǎng)護(hù)維修的情況下，在廓形設(shè)計(jì)打磨后觀測結(jié)果匯總?cè)?表所示。

表3 滬昆線上行349km000m-375km500m TQI綜合統(tǒng)計(jì)列表

通過對集中修前后大機(jī)線路打磨地段TQI對比分析，可以看出各項(xiàng)TQI值均得到一定程度的下降，設(shè)備質(zhì)量得到進(jìn)一步的提升。

4 總結(jié)

通過對滬昆線浙贛段金華樞紐小半徑曲線地段的鋼軌提出優(yōu)化鋼軌廓形打磨設(shè)計(jì)和打磨模式，對比打磨前后鋼軌的GQI值和線路設(shè)備質(zhì)量的TQI值，以及現(xiàn)場觀測效果來看，優(yōu)化鋼軌廓形打磨設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果，有效的控制了既有鋼軌病害的發(fā)生，節(jié)約大量養(yǎng)修人工，延長鋼軌的使用壽命。