钢轨预防性打磨技术的优化研究

摘 要：本文通过对钢轨预防性打磨现状的的分析，指出打磨流程、切削量、比较基准是影响打磨质量的主要因素。提出了预防性打磨钢轨轮廓的确定依据，打磨的流程，构建了切削量计算模型，经京津城际高铁打磨验证了该方法可行。

关键词：铁路钢轨； 预防性打磨；方法优化

中图分类号：U216.1 文献标识码：A

预防性打磨是重要的钢轨维护方式，采用预防性钢轨打磨，可明显消除轨头表面的接触疲劳伤损，同时将钢轨断面打磨至合理断面，能明显减轻轮轨动力作用，减缓钢轨伤损。试验和研究表明，在高负荷线路上采用小切削量的周期性的预防性打磨比基于钢轨状态的修复性打磨要更为经济和高效。切削量是钢轨打磨的关键技术指标之一，直接关系到打磨效率和质量。多年来钢轨预防性打磨主要以经验为主，存在打磨过剩或打磨不足，打磨的质量难以保证。随着对打磨技术研究和实践的深入，特别是钢轨打磨车的普遍运用，使得借助钢轨轮廓测量设备，能定量计算确定切削量，为预防性打磨方法优化创造了条件。本文就预防性打磨质量问题存在的原因进行分析，提出了打磨量化计算及打磨方法优化方案，并进行了验证。

1 影响打磨质量的主要因素

钢轨的打磨有预打磨、预防性打磨和修理性打磨三种主要类型。在这三种打磨类型中，预防性打磨是指在缺陷形成以前或即将形成时对钢轨进行的打磨，其主要作用一是控制钢轨侧磨和侧向轮轨作用力，二是控制钢轨疲劳，三是控制波磨。预防性打磨对延长钢轨的寿命效果非常明显。随着对打磨的认识的进步，采用周期性的预防性打磨正逐渐成为对钢轨实施修理的主流方式。长期以来，由于缺乏研究，钢轨打磨主要以经验性为主，打磨质量不稳，主要因素有以下几方面。

1.1 打磨流程缺乏依据

在缺乏对钢轨打磨质量评价的可靠测量手段的时期，无法量化工艺标准，现场临时决定打磨方案。钢轨磨耗信息，打磨质量控制，依赖于操作人员的经验，选择随车的打磨模式作业，通过增加打磨变数来满足质量要求。打磨质量优劣凭感觉判定，在这种情况下，打磨流程因内容缺乏数据支持而显得不重要。往往是打磨一条铁路线模式和切削量完全相同，造成打磨质量不均衡，出现打磨过剩或不足。打磨不足（图1），起不到应有的打磨效果；打磨过剩，增加了打磨成本，缩短了钢轨的寿命。

在实际的工程实践中，线路条件的变化，钢轨磨耗存在差异性，给制定合理的打磨流程增加了难度。

1.2 切削量难确定

同一区段铁路，线路参数不是固定不变的，线路平面合纵断面设计中，平面由曲线和与之相切的直线组成，纵断面是由长度不同、陡缓各异的坡段组成。曲线影响着列车通过速度，坡度影响着机车牵引能力。与之相适应，在不同的线路参数地段，轮轨的相互作用工况有别，钢轨表面的变化多种多样，统一区段通过一定的运量后，产生的钢轨磨耗不均衡，钢轨轮廓差异性较大。比如大秦线曲线地段上股侧磨特征明显，下股轨面剥离特征明显，钢轨中心压溃趋势明显。在这种轨面特征地段，要确定合理的切削量比较复杂。而在没有坡度、牵引速度去变化的直线地段，钢轨的轨面特征往往相近得多，比较容易确定合理的切削量。

1.3 比较基准不统一

预防性打磨，一般标准钢轨轮廓作为目标钢轨轮廓。在对钢轨实施打磨前要对钢轨进行测量，并把测得实际钢轨轮廓与标准钢轨轮廓进行比较，以此计算确定切削量。比较计算要有基准，可作为计算基准的位置有多个，轨顶面及其里侧不同角度、钢轨作用边及上沿、钢轨作用边及下沿等。在有条件时，多以钢轨的作用边作为比较基准，此处可兼顾钢轨的平纵面；有些以钢轨顶面为比较基准。以上两种基准全凭测量人员的个人习好。钢轨的磨耗特征不同，轨面变化的趋势不同，在对测得的钢轨轮廓数据与目标钢轨轮廓进行比较时，应对基准进行选择。比如在有肥边的地段以轨距角处作为比较基准误差就大，确定的切削量偏小。早期对丰沙线的打磨中，里侧出现剥离，以轨距角处作为比较基，结果打磨作业后，病害的处理就不彻底。对于预防性打磨，比较基准应以轨面中心部位最高点为纵向基准，以钢轨踏面下16mm（德国为14mm）为横向基准。对比计算时，先使标准钢轨作用边与待打磨钢轨作用边轮廓在同一条竖线上，在把标准钢轨轮廓沿该竖线由下往上移，至顶面最高处与待打磨钢轨轮廓第一重合点为止，以此计算切削量。

2 打磨方法的优化

2.1 钢轨轮廓特征的分析要点

在确定切削量要提前要清楚被打磨的钢轨轮廓及状态。进行预防性打磨，需要把握以下三个要点：一是既有钢轨轮廓的光带分布情况。光带是列车通过时与钢轨反复的接触形成，反映的是轮轨接触的特征。轮轨接触过程中，钢轨受力是否合理，可通过分析光带位置可直观判断。通过调整列车速度、轨底坡度设置、钢轨的顶面形状、车轮的踏面形状都会影响光带的形成和分布。显然，对于既有线，通过对钢轨进行打磨，改变轮轨的接触形态，从而改变钢轨的受力状态，是调整光带的有效方法。二是既有钢轨廓形的分布情况。钢轨在通过一定的运量后，顶面形状会发生变化，局部甚至可能发生塑性变形。通过对大量钢轨轮廓样本与标准钢轨轮廓廓形的对比分析，弄清楚钢轨顶面不同点的变化，逐渐掌握钢轨运用中轮廓的演变，确定打磨的重点部位。三是对可能存在的伤损情况分析。据有关资料，伤损的形成周期较长，一旦形成，演变和发展较快，进行预防性打磨，务必消除掉钢轨顶面存在的初期伤损。由于进行预防性行磨地段的钢轨顶面可能存在波磨，产生麻点或细微裂纹等初期病害。在打磨前，要重点对伤损的深度和趋势分析。

2.2 打磨流程的制定

由于进行预防性行打磨地段的钢轨顶面可能存在波磨，发生麻点或细微裂纹等初期病害，局部甚至可能发生塑性变化。在制定打磨流程是要先对打磨地段进行调查和测量，测量时要对不同的线路条件分别统计，测量样本越多越好，具有代表性。样本收集完成后，对廓形偏差进行分析，找出多个廓形的共性，以相对集中的廓形顶面分布的区域做包络线。在此基础上，与目标轨廓进行对比，计算出工作区域的切削量。确定重点打磨部位和切削量较大部位分布，选择打磨模式，通过现场打磨试验，确定各点的打磨次数，优化打磨砂轮的布置。作业完毕后，依据相关标准进行验收。打磨流程制定过程主要步骤有：现场测量轮廓统计确定外包络线切削量测算确定打磨策略试验验证作业验收。

2.3 切削量的测算

切削数据的可靠性，直接关系着打磨方案是否科学可行。德铁标准Ril824.8310 中规定钢轨廓形的竖向基准点为轨顶面轨面最高处，横向基准点为轨顶面以下14mm （中国为16mm）处[6]。考虑我国标准钢轨廓形特点，在实际计算切削量前，要先对测量的廓形数据进行偏差分析，找出多个廓形的共性，以相对集中的廓形顶面分布的区域做包络线，以钢轨作用边为第一比较基准，再使标准钢轨轮廓轨顶中心位置与包络线轨顶重合，计算切削量，如图3所示，计算方法如图2所示。

以钢轨高度方向为纵坐标，指向线路中心的宽度方向为横坐标，对于任意处，切削量为：

其中，标准廓型对应的纵坐标为，实际测得钢轨轮廓包络线上对应的纵坐标为。

3 方法验证实例

2013年5月，德国L&S 公司与北京铁路局联合对京津城际永乐站8组道岔及岔间夹直线进行了预防性打磨作业。德国L&S 公司打磨队伍拥有 EBA 联邦铁路局和 DB 德铁路网公司颁发的认证证书，具备 DB 德铁路网 280km/h 以上高速铁路打磨资质。服务范围包括德国、荷兰、捷克、卢森堡、 法国、匈牙利、韩国等国家。打磨作业前约四周，检查现场设备状态，商定打磨作业细节，确定打磨切削量。具体过程如下。

（1）打磨前初始测量。在打磨作业开始之前，检查和测量钢轨廓形和波浪磨耗，记录初始状态，作为制定策略的依据。波浪磨耗测量的最小及最大波长分别为10mm 和3000mm。

（2）确定比较基准，实测轨廓与目标廓形进行比对。以标准钢轨轨顶最高处建立XY平面坐标系，在坐标系内，以目标轮廓和实测轮廓竖向基准点为X0+5 点（即轨顶面中心点远离线路中心外侧5mm 处）；横向基准点在钢轨作用边Y0-16 点，左右对齐。

（3）制定打磨策略。对初始测量结果进行分析，确定重点打磨区域。根据北京铁路局指定的目标廓形和德铁标准，打磨采用和正线一致的目标廓形。钢轨廓型修复范围为轨顶中心线外测7度 至内侧70 度。打磨面宽度在钢轨内侧工作面不超过4mm，在钢轨肩部过渡区不超过7mm，在钢轨顶面不超过10mm，沿钢轨100mm 长度范围内，打磨面宽度最大变化量不应大于打磨面最大宽度的25%。

（4）确定并验证打磨切削量。正式打磨前进行打磨试验，用测量仪测量切削量，掌握钢轨表面病害的深度。

（5）打磨验收。钢轨打磨面应无连续发蓝带，主要测量验收项目钢轨顶面波形磨耗；钢轨轨头廓形尺寸；打磨切削量；打磨面粗糙度。

作业结束后，静态验收基本达到目标廓形，尤其是动态检测垂向加速度改善明显。在与德国DWG公司合作进行京沪高铁打磨中，采取相同的打磨方法，效果良好。

4 结论及建议

进行预防性打磨，计算切削量时基准的选择非常关键。以本文所述的测量基准作为计算切削量的基准可行。在打磨前对钢轨进行测量时，测量的数据要有代表性，尽量避开焊缝。

参考文献

[1]罗慧刚.采用钢轨打磨减缓朔黄铁路小半径曲线钢轨伤损的试验研究[J].铁道建筑，2011（04）：117-119.

[2]王文健，等.高速铁路钢轨打磨技术及其应用[J].西南交通大学学报，2007（05）：574-577.

[3]雷晓燕.钢轨打磨原理及其应用[J].铁道工程学报，2009（01）：28-33.

[4]吴国栋，等.最新普通铁路、高速、客运专线、枢纽电气化改造工程设计施工新技术与关键施工质量控制及鉴定验收标准实用手册[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[5]奥钢联BWG 公司.京沪高速铁路正线高速打磨方案[Z]，2012，10.

[6]北京力铁轨道交通设备有限公司.京津城际示范性打磨技术方案[Z].