高速鐵路鋼軌常規(guī)打磨和快速打磨綜合運(yùn)用策略及實(shí)踐

張金 管曙剛 陳亮清 郭猛剛 劉豐收 楊光 李晨光

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所， 北京 100081； 2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 工務(wù)部， 上海 200071；3.北京鐵福軌道維護(hù)技術(shù)有限公司， 北京 100036

中國高速鐵路線路鋼軌的主要打磨方式有常規(guī)打磨和快速打磨兩種。常規(guī)打磨可以按目標(biāo)廓形進(jìn)行打磨，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)廓形，也稱為廓形打磨。國內(nèi)使用的常規(guī)打磨車主要有GMC96B 型和GMC96X型［1-2］。快速打磨由機(jī)車牽引進(jìn)行鋼軌打磨作業(yè)，打磨速度較快，為60 ～ 80 km/h。國內(nèi)使用的快速打磨車主要有HSG-2型［3］。

近年來，各鐵路局均配備了鋼軌打磨列車，鋼軌打磨技術(shù)已逐漸成為一項(xiàng)常規(guī)的鐵路線路養(yǎng)護(hù)維修手段。針對當(dāng)前中國高速鐵路的運(yùn)營情況和養(yǎng)護(hù)維修條件，結(jié)合GMC96B、GMC96X 型常規(guī)打磨車和HSG-2 型快速打磨車的性能特點(diǎn)，相關(guān)學(xué)者分別開展了常規(guī)打磨、快速打磨相關(guān)研究及現(xiàn)場應(yīng)用［4-8］，并形成了鐵總工電〔2018〕48 號《高速鐵路鋼軌快速打磨管理辦法》、Q/CR 681—2018《高速鐵路鋼軌與道岔大型機(jī)械打磨驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》、鐵總運(yùn)〔2014〕357 號《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》等適合中國國情的高速鐵路鋼軌打磨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及文件，對打磨施工組織管理、計(jì)劃實(shí)施、技術(shù)要求、作業(yè)要求、檢測設(shè)備、打磨作業(yè)質(zhì)量驗(yàn)收等給出了詳細(xì)規(guī)定。

高速鐵路運(yùn)營里程在不斷增加，而GMC96B 型、GMC96X型常規(guī)打磨車和HSG-2型快速打磨車數(shù)量有限，而且常規(guī)打磨和快速打磨的時(shí)機(jī)和周期缺乏有機(jī)結(jié)合，打磨作業(yè)的效率和效果不佳，已經(jīng)無法滿足鋼軌維修養(yǎng)護(hù)的實(shí)際需求。目前關(guān)于常規(guī)打磨和快速打磨綜合運(yùn)用的打磨策略的研究和打磨實(shí)踐相對較少。因此，本文通過系統(tǒng)地分析常規(guī)打磨和快速打磨的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)常規(guī)打磨和快速打磨的技術(shù)特點(diǎn)，提出常規(guī)打磨和快速打磨綜合運(yùn)用的打磨策略，并開展打磨實(shí)踐應(yīng)用。

1 常規(guī)打磨技術(shù)特點(diǎn)

常規(guī)打磨是一種主動式打磨技術(shù)，采用電機(jī)或液壓馬達(dá)驅(qū)動的高速旋轉(zhuǎn)砂輪對鋼軌進(jìn)行磨削，縱向和橫向打磨鋼軌。其原理見圖1（a）。

常規(guī)打磨車由電機(jī)或液壓馬達(dá)驅(qū)動砂輪旋轉(zhuǎn)，利用砂輪端面進(jìn)行打磨，砂輪與鋼軌之間有較大的作用力，打磨深度較大，單遍全覆蓋打磨深度約為0.1 ～0.2 mm，能夠有效地消除鋼軌表面病害。同時(shí)，常規(guī)打磨車的打磨角度為外側(cè) -10°至內(nèi)側(cè) +60°［圖1（b）］，能夠?qū)崿F(xiàn)軌面的全覆蓋打磨，可以優(yōu)化軌頭廓形，進(jìn)而改善輪軌匹配關(guān)系。但是，常規(guī)打磨車的砂輪起落位置（接茬處）或區(qū)間線路容易出現(xiàn)周期性打磨痕跡［圖1（c）］，當(dāng)周期性磨痕深度達(dá)到0.03 mm 以上時(shí)可能發(fā)展成鋼軌波磨，甚至引發(fā)彈條扣件斷裂。此外，常規(guī)打磨車的砂輪直徑約為250 ～ 260 mm，對于改善波長超過250 mm的軌面不平順打磨效果不佳［9］。

2 快速打磨技術(shù)特點(diǎn)

快速打磨是一種被動式打磨技術(shù)，砂輪位置與列車行駛方向呈一定的傾斜角度，通過動力牽引車的高速運(yùn)行帶動砂輪在鋼軌上高速旋轉(zhuǎn)（砂輪中心有軸承），砂輪與鋼軌之間產(chǎn)生相對運(yùn)動的摩擦力，對軌面進(jìn)行磨削。其原理見圖2（a）。

圖2 快速打磨

快速打磨車由機(jī)車牽引打磨車，砂輪沿著鋼軌拖動，利用砂輪圓周面進(jìn)行打磨，砂輪與鋼軌之間作用力較小，打磨深度較小，單遍全覆蓋打磨深度約為0.03 mm，消除鋼軌表面病害的能力有限?？焖俅蚰ボ嚨匿撥墐?nèi)側(cè)工作邊最大角度約為30°［圖2（b）］，不能進(jìn)行軌頭的全覆蓋打磨，無法達(dá)到修正軌頭廓形、改善輪軌匹配關(guān)系的目的，容易引起動車組異常振動［10］?？焖俅蚰ボ嚸總?cè)有4 組打磨架，每組打磨架由12 個(gè)打磨砂輪組成，固定在全長1.6 m 的剛性打磨梁上［圖2（c）］，作業(yè)時(shí)可以先削平波峰，再逐步接觸到波谷，對于消除波長1 m 以內(nèi)的軌面不平順打磨效果十分顯著。

3 常規(guī)打磨和快速打磨的綜合運(yùn)用

隨著鐵路運(yùn)量和載重量不斷增加，鋼軌維護(hù)的要求增大，同時(shí)可利用的維修時(shí)間減少，需要更高效的鋼軌打磨設(shè)備。針對現(xiàn)場實(shí)際需求，德國福斯羅公司研制了HSG 型快速打磨列車，通過少量多遍的快速打磨，有效預(yù)防了軌面滾動接觸疲勞、軌面波磨、軌面不平順等病害的產(chǎn)生和發(fā)展，保證鋼軌長期處于良好的運(yùn)用狀態(tài)。

2008 年以來，HSG 型快速打磨列車已在歐洲多條不同的鐵路線路上進(jìn)行打磨施工作業(yè)。其中，典型線路包括科隆至法蘭克福鐵路（德國第一條時(shí)速超過300 km 的高速鐵路）、圣哥達(dá)基鐵路（有世界上最長的鐵路隧道）、柏林-漢諾威鐵路、美因茨-沃爾姆斯鐵路等［3］。

德國高速鐵路同時(shí)運(yùn)行高速列車和普通客車，由于普通客車軸重較大，容易產(chǎn)生鋼軌疲勞問題，鋼軌維修養(yǎng)護(hù)采用了廓形打磨與快速打磨相結(jié)合的打磨方式。其中，廓形打磨周期為4 年，每次打磨深度為0.1 mm；快速打磨為每年2 ～ 4次，每次打磨3遍，每次打磨深度為0.1 mm。瑞典、丹麥、法國等歐洲國家也采用了廓形打磨和快速打磨相結(jié)合的打磨方式進(jìn)行鋼軌維護(hù)［4］。

2013 年，中國引入了HSG-2 型快速打磨列車，并在京滬高鐵開展了鋼軌快速打磨試驗(yàn)，后續(xù)在京滬高鐵、哈大高鐵、鄭西高鐵、大西高鐵、京廣高鐵、滬昆高鐵、西成高鐵、貴廣高鐵、蘭新客運(yùn)專線等多條高速鐵路線路進(jìn)行了鋼軌快速打磨作業(yè)，取得了較好的打磨效果。

3.1 新建高速鐵路線路鋼軌預(yù)打磨

京滬高鐵、武廣高鐵、廣深港高鐵等高速鐵路線路采用GMC96B 型、GMC96X 型常規(guī)打磨車進(jìn)行鋼軌預(yù)打磨。由于常規(guī)打磨車引起的周期性打磨痕跡發(fā)展成鋼軌波磨，致使動車組通過時(shí)產(chǎn)生共振，開通后不久均出現(xiàn)了彈條扣件斷裂的情況，見圖3?？芍撼Ｒ?guī)打磨車形成的周期性打磨痕跡已經(jīng)發(fā)展成鋼軌波磨，波深約為0.1 mm，波長約為120 mm；鋼軌波磨作為引起車輛系統(tǒng)振動的激擾源，當(dāng)車輛通過鋼軌波磨區(qū)段產(chǎn)生的激振頻率與彈條（或T形螺栓）固有頻率相近引起共振時(shí)，彈條（或T 形螺栓）因高頻振動而折斷。

圖3 常規(guī)打磨引起彈條扣件斷裂

哈牡高鐵、徐鹽高鐵、合安高鐵、西成高鐵等高速鐵路線路采用HSG-2 型快速打磨車進(jìn)行鋼軌預(yù)打磨。由于鋼軌廓形打磨不到位，導(dǎo)致輪軌匹配關(guān)系不良，開通后不久均出現(xiàn)了動車組異常振動的情況，見圖4?？芍嚎焖俅蚰ズ箐撥墝?shí)測廓形與目標(biāo)廓形差異較大，鋼軌內(nèi)側(cè)工作邊最大廓形偏差約為+0.6 mm；鋼軌光帶明顯偏向內(nèi)側(cè)工作邊，寬度約為30 mm；快速打磨切削量較?。勘榧s0.03 mm），不能進(jìn)行軌頭全覆蓋打磨，基本無法改變或重塑軌頭廓形，致使改善輪軌接觸關(guān)系的能力較差，容易引起動車組異常振動，主要表現(xiàn)為振動加速度幅值超過0.5g，振動頻率集中在7 ～ 9 Hz。

圖4 快速打磨引起動車組異常振動

相關(guān)研究表明［9，11］：軌面周期性不平順幅值超過0.03 mm，容易發(fā)展成鋼軌波磨病害；鋼軌軌頭廓形偏差大于0.4 mm，容易引起動車組異常振動。

針對常規(guī)打磨和快速打磨存在的問題，結(jié)合常規(guī)打磨車和快速打磨車的性能特點(diǎn)，并參考Q/CR 681—2018和鐵總工電〔2018〕48號的相關(guān)要求，提出廓形偏差大于0.4 mm和周期性不平順幅值超過0.03 mm時(shí)，應(yīng)采用常規(guī)打磨+快速打磨的打磨策略（簡稱方案一）。具體方案如下。

1）常規(guī)打磨：使用GMC-96B 型、GMC-96X 型常規(guī)打磨車打磨2 遍，去除軌面脫碳層，消除鋼軌表面缺陷，修正軌頭廓形，改善輪軌匹配關(guān)系，提高焊接接頭平順性。

2）快速打磨：使用HSG-2型快速打磨車打磨3遍，消除GMC-96B 型、GMC-96X 型常規(guī)打磨車引起的周期性打磨痕跡、打磨接茬不良等問題，進(jìn)一步提高線路平順性，改善軌道質(zhì)量指數(shù)。

對比采用方案一進(jìn)行鋼軌預(yù)打磨前后的鋼軌廓形及軌面狀態(tài)，見圖5?？芍捍蚰デ颁撥墝?shí)測廓形與目標(biāo)廓形差異較大，鋼軌內(nèi)側(cè)工作邊最大廓形偏差約為 +0.6 mm，鋼軌軌面狀態(tài)良好，僅有明顯的銹蝕層；常規(guī)打磨后鋼軌實(shí)測廓形與目標(biāo)廓形基本接近，鋼軌軌頂面存在明顯的周期性打磨痕跡；快速打磨后鋼軌實(shí)測廓形與目標(biāo)廓形吻合較好，鋼軌軌面狀態(tài)良好，消除了周期性打磨痕跡。

圖5 方案一打磨效果

鹽通高鐵、連徐高鐵、安九高鐵等新建高速鐵路線路的鋼軌預(yù)打磨均采用了常規(guī)打磨+快速打磨的打磨方案，取得了較好的打磨效果［12-14］，達(dá)到了去除軌面脫碳層，消除鋼軌在生產(chǎn)、焊接、運(yùn)輸和施工過程中產(chǎn)生的表面缺陷，優(yōu)化軌頭廓形，改善焊接接頭平順性的鋼軌預(yù)打磨目的。同時(shí)，提高了線路整體平順性，有效降低了線路的軌道質(zhì)量指數(shù)。線路開通運(yùn)營后，沒有出現(xiàn)彈條扣件斷裂、動車組異常振動等情況。

3.2 運(yùn)營高速鐵路線路鋼軌預(yù)防性打磨

寧啟高鐵、京張高鐵、徐鹽高鐵等高速鐵路線路出現(xiàn)了鋼軌母材百米周期性不平順，每100 m 在距焊縫1 ～ 3 m 處有鋼軌母材低塌，見圖6?？芍轰撥壒鈳Р涣?，寬窄不一；鋼軌母材平直度約為-0.5 mm/m，低塌范圍約為800 mm。

圖6 鋼軌母材低塌

調(diào)查發(fā)現(xiàn)［15-16］，鋼軌母材百米周期性不平順是由于鋼軌生產(chǎn)時(shí)的高低點(diǎn)缺陷造成的。鋼軌母材低塌情況造成線路平順性較差，進(jìn)而引發(fā)動車組出現(xiàn)異常振動和兩桿一響的問題，嚴(yán)重影響動車組運(yùn)行品質(zhì)。

相關(guān)研究表明［9］，軌面不平順的波長超過250 mm時(shí)，大于常規(guī)打磨車的砂輪直徑，常規(guī)打磨車無法改善軌面不平順。

為解決鋼軌母材低塌，提高線路平順性，兼顧打磨效果和經(jīng)濟(jì)性，提出軌面不平順的波長超過250 mm時(shí)，應(yīng)采用快速打磨和常規(guī)打磨相結(jié)合貫通打磨為主，小型打磨機(jī)具局部打磨為輔的打磨策略（簡稱方案二）。具體方案如下。

1）人工小機(jī)打磨：使用小機(jī)打磨處理鋼軌母材低塌，將鋼軌母材平直度控制在-0.3 mm/m 以內(nèi)。同時(shí)應(yīng)保證不平順位置鋼軌廓形與前后鋼軌廓形良好過渡，并做好0.1‰ ～ 0.2‰的順坡率。

2）第一階段快速打磨：小機(jī)打磨后，使用HSG-2型快速打磨車打磨6 ～ 8 遍，處理軌面不平順打磨，將鋼軌母材平直度控制在-0.1 mm/m以內(nèi)。

3）常規(guī)打磨：快速打磨后，使用GMC-96B 型、GMC-96X 型常規(guī)打磨車打磨2 遍，修正鋼軌廓形，消除HSG-2 型快速打磨車引起的鋼軌廓形差異，確保鋼軌廓形在橫向上的對稱性和在縱向上的一致性。

4）第二階段快速打磨：廓形打磨后，使用HSG-2型快速打磨車打磨3 遍，消除GMC-96B 型、GMC-96X型常規(guī)打磨車形成的周期性打磨痕跡及軌面不平順，進(jìn)一步提高線路鋼軌母材和焊接接頭的平順性。

對比采用方案二進(jìn)行打磨前后鋼軌母材平直度，見圖7。

圖7 采用方案二打磨前后鋼軌母材平直度對比

由圖7 可知：打磨后所有測點(diǎn)的鋼軌母材平直度絕對值均不超過0.15 mm/m，其中鋼軌母材平直度絕對值在0.1 mm/m 及以內(nèi)的占比為90%，滿足TB/T 2344.1—2020《鋼軌 第1 部分：43 kg/m ～ 75 kg/m鋼軌》和TB/T 1632.1—2014《鋼軌焊接 第1部分：通用技術(shù)條件》相關(guān)要求。

采用鋼軌波磨測量儀對方案二打磨前后鋼軌軌面平順性進(jìn)行了檢測，結(jié)果見圖8?？芍捍蚰ズ箐撥壞覆陌倜字芷谛圆黄巾樀玫搅嗣黠@改善，焊接接頭附近位置與正線鋼軌母材的平順性特征基本一致，解決了接頭附近位置周期性高低不平順的問題，提高了線路整體平順性。

圖8 采用方案二打磨前后鋼軌軌面平順性對比

采用方案二打磨后鋼軌廓形及光帶情況見圖9?？芍捍蚰ズ箐撥墝?shí)測廓形與目標(biāo)廓形吻合較好，鋼軌內(nèi)側(cè)工作邊最大廓形偏差約為 +0.05 mm；鋼軌光帶基本居中，寬度約為20 mm。鋼軌打磨廓形達(dá)到目標(biāo)廓形要求，可以保證良好的輪軌匹配關(guān)系。

圖9 采用方案二打磨后鋼軌廓形及光帶情況

4 結(jié)論

本文通過系統(tǒng)分析常規(guī)打磨和快速打磨的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合常規(guī)打磨和快速打磨的技術(shù)特點(diǎn)，針對鋼軌打磨存在的問題，結(jié)合鋼軌母材百米周期性不平順的實(shí)際情況，研究提出了兩種常規(guī)打磨和快速打磨綜合運(yùn)用的打磨策略，并開展了打磨實(shí)踐應(yīng)用。主要結(jié)論如下：

1）采用常規(guī)打磨（主動式打磨技術(shù)）時(shí)，砂輪與鋼軌之間有較大的作用力，打磨深度較大，能夠有效消除鋼軌表面病害，可以實(shí)現(xiàn)軌面全覆蓋打磨，優(yōu)化軌頭廓形，改善輪軌匹配關(guān)系。但是，常規(guī)打磨容易出現(xiàn)周期性打磨痕跡，可能發(fā)展成鋼軌波磨，甚至引發(fā)彈條扣件斷裂。

2）采用快速打磨（被動式打磨技術(shù)）時(shí)，砂輪與鋼軌之間的作用力較小，打磨深度較小，消除鋼軌表面病害的能力有限，而且不能進(jìn)行軌頭全覆蓋打磨，無法修正軌頭廓形，改善輪軌匹配關(guān)系，容易引起動車組異常振動。但是，快速打磨處理軌面不平順的打磨效果十分顯著。

3）采用常規(guī)打磨+快速打磨的打磨策略進(jìn)行鋼軌預(yù)打磨，通過常規(guī)打磨可以去除軌面脫碳層，消除鋼軌表面缺陷，修正軌頭廓形，優(yōu)化輪軌匹配關(guān)系，改善焊接接頭平順性；通過快速打磨可以有效消除周期性磨痕和軌面不平順，進(jìn)一步提高線路整體平順性，降低線路軌道質(zhì)量指數(shù)；避免線路開通運(yùn)營后出現(xiàn)彈條扣件斷裂和動車組異常振動的情況。

4）采用快速打磨和常規(guī)打磨相結(jié)合貫通打磨為主，小型打磨機(jī)具局部打磨為輔的打磨策略進(jìn)行鋼軌預(yù)防性打磨，鋼軌母材百米周期性不平順問題得到了有效解決，同時(shí)鋼軌廓形打磨質(zhì)量滿足相關(guān)要求，確保了良好的輪軌匹配關(guān)系，提高了動車組的運(yùn)行品質(zhì)。