钢轨维护技术策略研究

[摘 要]针对钢轨病害四个阶段的发展趋势及机理，提出采用预防性、修复性、修理性及换轨四个阶段对应的维护手段，实现“小量多遍”、“预防和修理两手抓”、“不过维护和不欠维护”的钢轨新型维护理念。基于主流大型维护设备在线维护工艺，结合钢轨检测技术，提出钢轨维护策略的“智能维护”模型，通过钢轨维护前、后检测集成技术，病害数据和维护工艺信息集成技术，专家智能交互及诊断技术，实现层次化、智能化、科学化指导用户现场施工，为钢轨在线智能维护技术和水平提高作出积极贡献，对我国钢轨在线维护技术的理论研究提供重要参考价值。

[关键词]钢轨病害；新型维护理念；钢轨维护策略；智能维护；模糊评价；专家系统

中图分类号：U239.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0120-02

0.钢轨病害发展趋势及机理

钢轨病害是由于轮轨循环往复作用导致轮轨关系逐步恶化，使得钢轨表面材料塑性变形，造成钢轨表面产生硬化层。硬化层受列车滚动接触疲劳产生初期鱼鳞纹（裂纹萌芽及初期病害），初期鱼鳞纹逐步发展为钢轨轻度和中度病害、重度病害、断裂或断轨。

第一阶段为裂纹萌芽阶段，主要有钢轨表面硬化、初期微小疲劳裂纹等病害产生，应采用以HSG高速打磨车为代表的体现“小量多遍”的预防性维护。从示意图1中X、Y轴分析，由于消除病害维护量小，维护线角度小，维护次数偏多，同等维护量下的钢轨使用寿命最长；由于该阶段病害增长速度较慢，采用“小量多遍”的维护模式与病害发展机理匹配，使钢轨维护成本最低，维护经济效益最高。

第二阶段为早期裂纹生长阶段，会产生轻度、中度疲劳裂纹，以及轻度、中度钢轨波磨、侧磨、轨头剥离、肥边等病害。对钢轨维护而言，该阶段已错过预防性维护的最佳时机，应采用以GMC-96打磨车打磨为代表的病害消除量较大的修复性维护手段。从示意图1中X、Y轴分析，由于消除病害维护量较大，维护线角度较大，维护次数偏少，同等维护量下的钢轨维护寿命偏短。该阶段病害增长速度加快，维护周期缩短，使钢轨维护成本较高，维护经济效益偏低。

第三阶段为裂纹生长阶段，钢轨病害由轻度、中度快速发展成重度，钢轨掉块、钢轨重度波磨及侧磨、钢轨重度肥边等病害同步产生。该种病害主要出现在长大隧道、小曲线半径、频繁运营重载线路及年久失修的区间线路，应采用以XM-1800钢轨铣磨车铣磨为代表的病害消除量较大的修理性维护手段。从示意图1中X、Y轴分析，由于消除病害维护量很大，维护线角度最大，维护次数最少，同等维护量下的钢轨维护寿命最短。该阶段病害发展更快，维护周期更短，使钢轨维护成本最高，维护经济效益最低。

第四阶段为断裂或断轨阶段，钢轨由重度病害发展为断裂或断轨，由于该阶段病害发展迅速且不可控，仅能采用换轨方式，而换轨成本巨大，且有巨大的铁路运行安全隐患。

本文结合钢轨病害四个阶段发展趋势及机理，提出采用预防性、修复性、修理性、换轨四个阶段的对应维护手段，并提出钢轨新型维护理念，即一方面突出钢轨预防性维护，将维护周期提前，采用“小量多遍”，与病害发展机理匹配的维护策略，最大程度提高钢轨维护寿命，降低维护成本；另一方面，应重视修复性、修理性维护，在钢轨维护关键节点开展有效维护，最大程度降低钢轨病害恶化速度，实现“预防和修理两手抓”，“不过维护和不欠维护”的维护策略；第三，应重视维护工艺数据、维护前及后钢轨病害检测数据提取及分析，结合人工交互及智能专家系统，实现具有层次化、智能化、科学化的钢轨智能维护，及时、科学、准确的指导钢轨维护。

1.钢轨在线维护工艺

钢轨维护工艺应基于钢轨病害发展趋势、机理，在最佳时机，采用最佳维护工艺和设备，达到及时、恰当、经济进行钢轨维护，做到“预防和修理两手抓”，“不^维护和不欠维护”的新型钢轨维护理念。结合国内、外各主流钢轨在线维护设备性能特点、施工工艺，提出基于钢轨预防性、修复性、修理性维护阶段的维护工艺。

针对第一维护阶段（预防性维护），应采用HSG高速打磨车砂轮与钢轨呈一定倾斜角度的被动打磨维护手段，如图所示，砂轮通过牵引车拖动着高速旋转，实现对钢轨轨头的动态打磨，具有打磨量小，打磨效率高，打磨环保性高。维护工艺策略为维护量控制在0.1mm～0.2mm，维护周期与钢轨病害发展匹配，如同牙齿保健，经常刷牙能更有效地预防蛀牙，免除治牙之苦。针对该阶段的病害消除，由于打磨较小，打磨效率高，被动式打磨作业综合经济效益较优[1]。

针对第二阶段维护（修复性维护），应采用GMC-96普通打磨车电机驱动高速旋转的砂轮端面对钢轨表面进行主动式打磨的维护手段，如图所示，通过调整打磨砂轮压力调整打磨量，通过调整砂轮角度，实现钢轨廓形不同角度的动态打磨。维护工艺策略为轻度病害维护量控制在0.2mm～0.5mm，肥边消除1mm以下，1～2次的打磨遍数；中度病害维护量控制在0.5mm～0.8mm，肥边消除3mm以下，2～4次打磨遍数。该阶段维护的意义在于在钢轨病害发展快速的关键时期，采用较经济的手段阻止钢轨病害发展至第三阶段。针对该阶段的病害消除，由于打磨量适中，打磨效率高，主动式打磨作业综合经济效益较优[2]。

针对第三阶段维护（修理性维护），应采用铣磨车利用圆周铣削及磨削技术实现对钢轨在线动态仿形加工的维护手段，如图4所示，通过伺服电机驱动铣盘及磨盘转动，并通过钢轨枕向和高度方向的动态定位技术，实现恢复钢轨轨头廓形及病害消除目的，具有一次切削量大，廓形成形好，作业精度高，作业环保性能高的特点。维护工艺策略为重度病害维护量控制在0.8mm～1.5mm，肥边消除3mm～5mm以下，1～2遍数铣磨。该阶段维护的意义在于在钢轨病害发展加速时期，采用大铣盘直径技术，大铣削量一次快速消除钢轨病害，阻止钢轨病害发展失控，最大程度延长钢轨寿命和保证钢轨运用的安全性。针对该阶段的病害消除，由于一次切削量大，廓形成形好，作业精度高，作业效率高，铣磨作业综合经济效益较优。

2.钢轨维护策略

随着高速铁路的快速发展，钢轨病害的在线维护模式及策略凸显重要，传统钢轨维护模式与策略制定的主要依据是采取人工测量，现场调查，辅助对比分析等手段，结合维护经验，提出每年钢轨维护周期、策略，存在维护模式及策略不系统、不科学，“过维护和欠维护”问题突出，导致维护成本偏高及经济效益偏低[3]。

本文基于钢轨病害发展趋势及机理、主流大型维护设备在线维护工艺，结合钢轨检测技术，提出钢轨维护策略的“智能维护”模型，如图5所示，通过钢轨维护前、后检测集成技术，病害数据和维护工艺信息集成技术，专家智能交互及诊断技术，实现层次化、智能化、科学化开展钢轨养护，具体流程如下：

第一步，基于四个阶段钢轨病害发展趋势及机理，通过钢轨波磨、廓形、裂纹动态检测技术及设备，快速获取钢轨病害数据，并根据钢轨维护标准规范、质量管理规范，结合线路配置结构信息，通过智能专家及人工交互模式，建立面向钢轨四阶段的病害参数数据平台，并输出基于线路配置结构钢轨病害数据清单及关联信息，为建立理论上可行的钢轨维护模式及策略方案提供有价值的病害特征数据及关联信息。

第二步，基于钢轨主流维护设备性能特点及施工工艺，通过收集、整理钢轨维护设备工艺经验，并根据钢轨维护标准规范、质量管理规范，结合维护成本信息，通过智能专家及人工交互模式，建立基于钢轨主流维护设备的维护工艺数据平台，并输出基于四阶段的钢轨病害维护工艺数据清单及关联信息，为建立理论上可行的钢轨维护模式及策略方案提供有价值的设备工艺数据及关联信息。

第三步，基于面向四个阶段的钢轨病害参数数据平台、钢轨主流维护设备的维护工艺数据平台，初步形成多个可行的钢轨维护模式及策略方案。

第四步，基于非数值因素智能专家及人工交互模块，通过专家智能模糊评价流程，包括基于病害特征和设备工艺能力特征因素集、数值因素的隶属度形成专家智能一次模糊评价矩阵或评价集，基于层次分析法AHP（找出不同病害特征和设备工艺能力特征影响因素及相互关系，考虑各因素具有不同的重要程度，对单因素一次模糊评价矩阵或评价集中各因素作用以相应因素的权重）确定等级因素级，形成维护模式二次模糊评价向量。

第五步，对几个可行的维护模式及策略方案通过智能专家集对势流程（按照集对某一特征展开，对集对在该特性上的联系进行分类定量刻画，得出集对在具体背景下的联系度表达式，通过同一度、差异度和对立度进行表达），通过基于成本的集对势等级关系集，作用维护模式二次模糊评价向量，智能计算推演出成本最优的维护模式及策略方案。包括病害信息、设备维护工艺信息、预计维护周期、预计维护成本和预算维护精度等内容，真正实现对钢轨病害开展最科学、最经济的维护模式和策略，并形成智能维护数据平台，实时跟踪、记录用户现场维护效果。

第六步，通过钢轨在线维护后波磨、廓形、裂纹动态检测技术及设备，快速获取钢轨维护后效果数据信息，并通过智能专家系统，建立基于钢轨的维护后效果数据平台。并输出基于线路配置结构下钢轨病害维护后效果的数据清单及关联信息。

第七步，基于智能修正模K，结合现场施工效果检测数据，反馈修正智能专家及人工交互系统、模糊评价系统，逐步拟合理论评价体系，实现理论最佳维护及策略与实际施工效果的匹配，使系统具有智能性及专家性特点，及时、科学、准确的指导钢轨维护。

3.结束语

结合钢轨病害四个阶段发展趋势及机理，提出采用预防性、修复性、修理性、换轨四个阶段的对应维护手段，实现“小量多遍”、“预防和修理两手抓”和“不过维护和不欠维护”的钢轨新型维护理念，达到及时、恰当、经济的对钢轨进行维护，使钢轨轮轨关系保持最佳状态，降低运行阻力，对延长每个阶段钢轨病害发展速度、降低维护成本，并为我国铁路发展产生巨大的社会效益。

提出钢轨维护策略的“智能维护”模型，通过维护工艺数据、维护前及后钢轨病害检测数据提取及分析，基于检测技术、信息集成技术、专家系统，逐步拟合钢轨维护策略理论评价体系，将理论数据与施工维护数据进行动态比较，作为智能专家维护平台权重闭环反馈指标，使专家系统具有智能性，实现理论维护及策略与实际施工效果匹配，并通过系统的智能性及专家性特点，为钢轨维护提供精准的分析数据，实现层次化、智能化、科学化指导用户现场施工，对我国钢轨在线维护技术的理论研究提供重要参考价值。

参考文献

[1] 周清跃，田常海，张银花，刘丰收，等.高速铁路钢轨打磨关键技术研究[J].中国铁道科学，2014，33（2）：66-69.

[2] 刘月明，李建勇，蔡永林，聂蒙，等.钢轨打磨技术现状和发展趋势[J].中国铁道科学，2014，35（4）：29-35.

[3] 中国铁路总公司办公厅.高速铁路钢轨打磨管理办法.铁总运[2014]357号.