摘要:文章以某地城市軌道交通為樣本,發(fā)現(xiàn)新軌上道后的輪軌接觸關(guān)系較差,軌面容易產(chǎn)生明顯波紋現(xiàn)象。通過對(duì)實(shí)施預(yù)打磨作業(yè)的鋼軌進(jìn)行調(diào)研,借鑒國內(nèi)外在鋼軌平順性方面的評(píng)價(jià)方法,對(duì)預(yù)打磨后的鋼軌不平順問題進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,發(fā)現(xiàn)新軌預(yù)打磨對(duì)提高軌面平順性、改善輪軌接觸具有非常積極的效果。
關(guān)鍵詞:城市軌道交通;鋼軌預(yù)打磨;軌面不平順;輪軌接觸
中圖分類號(hào):U213.2A461583
0引言
城市軌道交通受場地條件所限,施工難度大,極易造成線路的初始不平順。城市軌道交通主要是無縫線路,無縫線路具有大量的焊接接頭,焊接接頭的質(zhì)量好壞直接影響鋼軌的平順度,焊接接頭處是無縫線路最薄弱的環(huán)節(jié)之一[1]。城市軌道交通設(shè)計(jì)軌底坡坡度通常為1∶40,鋼軌內(nèi)側(cè)圓弧角相對(duì)抬高0.9 mm,這些因素均會(huì)導(dǎo)致輪軌間的不良接觸[2]。這種不良接觸在線路開通運(yùn)營后將引起輪軌接觸應(yīng)力過大,甚至遠(yuǎn)超過鋼軌容許應(yīng)力,很容易引起鋼軌擦傷乃至造成波浪形不平順。
鋼軌預(yù)打磨可有效解決鋼軌焊接接頭的不平順,形成與輪對(duì)匹配的鋼軌廓形[3],促使鋼軌不平順度降低,大大減小對(duì)應(yīng)頻率處的噪聲[4],不僅提高了城市軌道交通線路開通初期的運(yùn)營品質(zhì),而且節(jié)約后期車輛與軌道養(yǎng)護(hù)成本。
1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
鋼軌預(yù)打磨這一措施于20世紀(jì)90年代首次提出,用以保持鋼軌型面和降低鋼軌疲勞[5]。自2014年起,鋼軌預(yù)打磨開始在我國高速鐵路逐漸得到廣泛應(yīng)用。王慶方等[6]研究了滬寧高鐵預(yù)打磨后鋼軌表面光帶的變化,發(fā)現(xiàn)預(yù)打磨可以修正光帶的位置,改善輪軌關(guān)系。張聰聰?shù)龋?]通過仿真分析和現(xiàn)場實(shí)測,對(duì)高鐵鋼軌預(yù)打磨的效果、傷損和發(fā)展特征進(jìn)行了分析。
城市軌道交通影響鋼軌質(zhì)量的因素多且復(fù)雜,軌道交通本身具有行車密集、多曲線、小曲線半徑、多減振地段等特點(diǎn)[8-9],因此對(duì)鋼軌打磨的需求越來越高。李克飛等[10]在2019年從理論上提出了針對(duì)時(shí)速<160 km/h的城市軌道交通鋼構(gòu)預(yù)打磨技術(shù)要求及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。作為較早開展城市軌道交通鋼軌預(yù)打磨的城市,廣州對(duì)1號(hào)線、2號(hào)線均實(shí)施了鋼軌預(yù)打磨。實(shí)踐發(fā)現(xiàn),預(yù)打磨后的鋼軌光帶更加穩(wěn)定,軌面均勻無瑕疵;輪軌磨合期大大縮短,減少了磨合期內(nèi)輪軌的磨耗[11]。
但是,目前城市軌道交通中對(duì)于運(yùn)用新軌預(yù)打磨技術(shù)的必要性仍然沒有形成共識(shí),對(duì)其在城市軌道交通中的實(shí)際效果也沒有形成系統(tǒng)性的結(jié)論。本文通過對(duì)部分已經(jīng)應(yīng)用新軌預(yù)打磨技術(shù)的城市軌道交通進(jìn)行調(diào)研,追蹤比較同一地段進(jìn)行預(yù)打磨與未進(jìn)行預(yù)打磨的鋼軌狀態(tài),并對(duì)預(yù)打磨后的鋼軌從多維度進(jìn)行量化評(píng)估,分析鋼軌預(yù)打磨在城市軌道交通中的實(shí)際效果。
2軌道交通新軌預(yù)打磨的方法
在某市軌道交通14號(hào)線進(jìn)行預(yù)打磨作業(yè)前,對(duì)該市未采取預(yù)打磨作業(yè)的線路開通運(yùn)營6個(gè)月后進(jìn)行鋼軌狀態(tài)跟蹤測量。結(jié)果表明,曲線地段鋼軌軌面如圖1所示出現(xiàn)明顯波磨,波磨深度最深處約達(dá)到0.05 mm;直線地段軌面甚至出現(xiàn)了“雙光帶”。這說明未經(jīng)打磨的鋼軌與車輪踏面之間存在著輪軌接觸不良的問題,不利于城市軌道交通的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。鋼軌預(yù)打磨是改善輪軌關(guān)系的有效手段之一,對(duì)打磨方法和打磨后的鋼軌狀態(tài)進(jìn)行研究可以為預(yù)打磨作業(yè)提供較好的技術(shù)支撐。
2.1選取打磨廓形
打磨廓形是指導(dǎo)打磨機(jī)進(jìn)行預(yù)打磨的依據(jù),不同的打磨廓形將導(dǎo)致不同的輪軌接觸位置,直接影響到鋼軌的磨耗和變形。新軌預(yù)打磨一般有3種廓形方案,分別是標(biāo)準(zhǔn)軌廓形方案、小改廓形方案和大改廓形方案。三種方案的特點(diǎn)如表1所示。
選取鋼軌預(yù)打磨的廓形應(yīng)遵循以下原則:(1)消除鋼軌初始缺陷;(2)鋼軌打磨盡量不改變輪軌的接觸形態(tài);(3)鋼軌打磨的廓形斷面盡可能降低金屬磨削量,以保障鋼軌壽命,并節(jié)省打磨費(fèi)用。根據(jù)以上打磨原則,對(duì)線路鋼軌進(jìn)行打磨試驗(yàn),選取標(biāo)準(zhǔn)軌廓形作為預(yù)打磨廓形。
2.2確定打磨深度
打磨深度是消除表面脫碳層、表面微小傷損和軌面不平順的關(guān)鍵因素。國外鐵路新軌預(yù)打磨的打磨量為0.2~0.3 mm;我國高速鐵路新軌預(yù)打磨的打磨量為0.2~0.5 mm,其中,軌頭非工作邊處的打磨量應(yīng)>0.2 mm,輪軌主要接觸部位的打磨量應(yīng)>0.3 mm??紤]到城市軌道交通小半徑曲線多、列車速度快、重量輕等特點(diǎn),鋼軌磨耗速度較快,一般新軌預(yù)打磨的深度為0.1 mm。
2.3鋼軌表面硬度及粗糙度
李克飛等[10]研究表明城市軌道交通鋼軌預(yù)打磨后鋼軌表面粗糙度≤10 μm,鋼軌表面硬度應(yīng)滿足其母材的硬度要求。
該市軌道交通14號(hào)線的預(yù)打磨里程達(dá)84.86 km,共打磨12遍,單次打磨總量達(dá)1 017.8 km,磨削量為0.1 mm。預(yù)打磨作業(yè)3個(gè)月后,輪軌接觸的光帶集中,且位置居中、略偏內(nèi)側(cè),寬度為20~25 mm,滿足安全運(yùn)營的要求。
本次鋼軌預(yù)打磨工作完成后,選取典型區(qū)段的線路,對(duì)線路上實(shí)施預(yù)打磨前后的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行抽樣測試,對(duì)鋼軌預(yù)打磨質(zhì)量進(jìn)行量化評(píng)估。部分評(píng)估項(xiàng)目結(jié)果如表2所示。
3鋼軌預(yù)打磨前后軌面不平順狀態(tài)分析
3.1不平順(粗糙度)水平的計(jì)算
軌面不平順可采用粗糙度公式進(jìn)行計(jì)算:
(1)
式中:Lr ——粗糙度水平(dB);
R ——軌面不平順的均方根(μm);
r0 ——參考值,取1 μm。
3.2軌面不平順的評(píng)價(jià)
現(xiàn)階段,國內(nèi)對(duì)軌面不平順的評(píng)價(jià)尚無定論,本文借鑒EN13231-3:2006中的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軌面不平順進(jìn)行評(píng)價(jià)。如表3所示。
3.3鋼軌預(yù)打磨的效果分析
對(duì)預(yù)打磨作業(yè)完成3個(gè)月后的線路進(jìn)行跟蹤測量,每5 km選取100 m范圍為測量區(qū)段,得出測試區(qū)段打磨前后的鋼軌表面峰峰值移動(dòng)平均值。選取10~30 mm、30~100 mm、100~300 mm、300~1 000 mm這4段不同波長范圍,分別對(duì)左、右軌的鋼軌表面峰峰值移動(dòng)平均值的超限情況進(jìn)行分析,如表4、下頁表5所示。
由表4~5統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知:
(1)對(duì)左軌進(jìn)行分析:打磨前,300~1 000 mm波長段超限率為9%;打磨后,100~300 mm波長段超限率降為1%,其余10~30 mm、30~100 mm、300~1 000 mm波長段超限率均降至0。
(2)對(duì)右軌進(jìn)行分析:打磨前,100~300 mm波長段超限率為7%,300~1 000 mm波長段超限率達(dá)到16%;打磨后,100~300 mm、300~1 000 mm波長段鋼軌超限率均降低至1%,10~30 mm、30~100 mm波長段鋼軌超限率均降低至0。
(3)通過4段不同波長范圍內(nèi)左、右雙軌打磨前后軌面峰峰值移動(dòng)平均值超限分析可知,鋼軌打磨大大降低了各個(gè)波長段鋼軌表面峰峰值移動(dòng)平均值的超限率,鋼軌打磨效果顯著。
4結(jié)語
鋼軌預(yù)打磨是解決城市軌道交通新鋪設(shè)鋼軌初始不平順及鋼軌波磨等病害的有效方法。本文通過分析城市軌道交通新軌預(yù)打磨之后軌面光帶變化、鋼軌打磨前后不平順及軌面峰峰值移動(dòng)平均值超限比例,可以得出如下結(jié)論:
(1)鋼軌預(yù)打磨不僅可以優(yōu)化鋼軌表面廓形,且能修正光帶的位置,有效改善輪軌接觸關(guān)系。
(2)鋼軌預(yù)打磨可以消除軌頂脫碳層,同時(shí)對(duì)于運(yùn)營階段造成的缺陷也有顯著的修復(fù)效果。
(3)鋼軌預(yù)打磨可以顯著緩解軌面不平順及軌面峰峰值超限率,有助于延長鋼軌波磨維修周期。
綜合以上優(yōu)點(diǎn),應(yīng)加大新軌預(yù)打磨技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用,并對(duì)預(yù)打磨的廓形設(shè)計(jì)、預(yù)打磨的質(zhì)量管理做進(jìn)一步研究。
參考文獻(xiàn)[1]翟婉明,涂貴軍,高建敏.地鐵線路鋼軌焊接區(qū)輪軌動(dòng)力學(xué)問題[J].振動(dòng).測試與診斷,2012,32(5):701-708,858.
[2]何元?jiǎng)?高速鐵路鋼軌預(yù)打磨技術(shù)探討[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新,2013(1):17-20.
[3]馬躍偉.高速鐵路鋼軌損傷分析與預(yù)打磨型面優(yōu)化分析[D].大連:大連理工大學(xué),2012.
[4]李志強(qiáng),劉蘭華,李耀增,等.高速鐵路鋼軌預(yù)打磨對(duì)噪聲影響研究[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新,2021(3):100-104.
[5]金學(xué)松,杜星,郭俊.鋼軌打磨技術(shù)研究進(jìn)展[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,45(1):1-11.
[6]王慶方,許玉德,周宇.高鐵鋼軌預(yù)打磨效果及軌面不平順分析[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,29(2):1-5.
[7]張聰聰,周宇,黃旭煒,等.高速鐵路鋼軌預(yù)打磨策略及傷損發(fā)展特征[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2019,36(2):33-40.
[8]吳宗臻,王文斌.城市軌道交通鋼軌波磨評(píng)價(jià)指標(biāo)及打磨驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)探討[J].鐵道建筑,2018,58(1):141-145.
[9]郭旺旺,易思蓉,王宙.160 km/h市域快速軌道交通最小豎曲線半徑的動(dòng)力學(xué)分析[J].鐵道建筑,2019,59(7):134-136,150.
[10]李克飛,王進(jìn),黑勇進(jìn),等.城市軌道交通鋼軌預(yù)打磨技術(shù)要求及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[J].鐵道建筑,2019,59(12):147-150.
[11]王華川,王仲林.打磨技術(shù)在地鐵軌道養(yǎng)護(hù)中的實(shí)踐探討[J].甘肅科技,2006(1):51-53.
[12]熊衛(wèi)東,周清躍,穆恩生.高速鐵路鋼軌的平順性[J].中國鐵道科學(xué),2000,21(3):78-85.
作者簡介:王項(xiàng)(1992—),碩士,工程師,研究方向:軌道交通。