我國高速鐵路用鋼軌打磨列車選型及應用研究

曹 巖

(北京二七軌道交通裝備有限責任公司，北京 100072)

1 鋼軌打磨作業(yè)的需求、運用和效益

鋼軌是所有鐵路走行設備的載體，鋼軌質量的好壞直接影響走行設備的運行品質和運行安全。鋼軌長期承受軌道車輛運行產生的輪軌間交變作用力，因此極易發(fā)生受損情況，如裂紋、壓潰、龜裂、剝落、磨耗等。這些病害如果不及時消除，則會急劇發(fā)展成軌頭掉塊、斷軌等事故，危及行車安全。鋼軌波浪形磨耗形成之后，必將激勵起車輛、軌道系統(tǒng)的振動，而且這種振動是隨著不平順的加劇而加劇的。為了避免這些病害對行車安全帶來影響，早期的處理方法就是更換鋼軌。但是大量鋼軌的提前退役將造成大量的資源和能源浪費。鋼軌的使用壽命主要由磨耗和滾動接觸疲勞決定。除了生產高質量鋼軌，還要對其進行科學打磨。

隨著我國鐵路的長足進步，對線路維修提出了更高要求。不僅要求軌道在軌向、水平具有高平順性，還要求鋼軌具有高質量的表面良好廓形。隨著經驗的積累，理論的豐富，鋼軌打磨理論逐漸形成。打磨作業(yè)的種類和用途也逐步細分，主要有以下4種:預打磨、預防性打磨、保養(yǎng)性打磨和校正性打磨。

通過打磨修復作業(yè)，可以帶來良好的效果和巨大的效益。

(1)打磨作業(yè)消除了軌頭表面的疲勞裂紋，控制裂紋的惡性發(fā)展，延長鋼軌使用壽命，節(jié)約資源。

(2)打磨作業(yè)修復了軌廓，改善了輪對作用條件，降低滾動阻力，提高了車輛運行品質，保障了行車安全。

(3)打磨作業(yè)消除了軌道的不平順，減少了輪軌間的振動，降低了運行噪聲，提高了旅客的舒適度。

(4)打磨作業(yè)提高了車輛運行品質，也降低了車輛故障的發(fā)生概率，進而降低了車輛的維護成本。

2 鋼軌打磨列車的工作原理和在我國的發(fā)展歷程

鋼軌打磨列車的工作原理主要是:打磨列車在軌道上以恒定的低速走行，操作人員通過微機系統(tǒng)，控制液壓系統(tǒng)工作，驅動安裝在作業(yè)車下部的打磨小車內的多組打磨電機按設定的角度偏轉，使安裝在打磨電機前方的打磨砂輪在鋼軌上磨削。不同角度的砂輪打磨形成的磨削帶包絡成一個圓滑的、符合設計規(guī)范的軌頭截面，從而消除軌頂縱向波浪磨耗，同時消除疲勞裂紋，修復軌頭輪廓。

我國鋼軌維修設備水平和打磨技術曾遠遠落后于西歐、日本等鐵路發(fā)達國家，到1989年才引進第1列由斯比諾公司生產的URR48-4型48頭干線鋼軌打磨列車。20世紀90年代，引進美國HTT公司技術，生產了PGM-48型48頭鋼軌打磨列車;“十一五”期間分別引進SPENO公司和HTT公司技術，成功研制了代表世界先進技術的GMC96B和GMC96X型96頭鋼軌打磨列車，標志著我國鋼軌打磨列車達到了世界領先水平。

3 高速鐵路的特點及對鋼軌打磨作業(yè)的要求

截至2010年，我國高速鐵路里程已達8 358 km，每天開行動車組列車近1 200列。密集的發(fā)車頻率，繁忙的客流，對旅客乘車的舒適度和安全性都帶來了極高的要求。高速鐵路的打磨任務非常繁重。按照“既有線提速200～250 km/h線橋設備維修規(guī)則(鐵運［2007］44號)”的規(guī)定，高速鐵路應在開通前進行預防性打磨，在開通后每年至少進行1次定期打磨，特別繁忙線路應每半年打磨1次。通過對打磨后鋼軌縱向斷面測繪和軌檢車動態(tài)檢查發(fā)現(xiàn)，鋼軌打磨對高速鐵路線路的輪軌接觸關系具有較大的改善作用。

就高速鐵路和一般鐵路而言，打磨原理和技術沒什么分別，但高速鐵路的特殊性導致其對鋼軌打磨列車有專門的要求。

3.1 高速鐵路線路相對于普速鐵路的特殊性

(1)軌道質量要求高

高速鐵路上運行的旅客列車，其一般運營速度都在250 km/h以上。隨著世界各國高速鐵路技術的發(fā)展，350 km/h的高速電動車組也已陸續(xù)投入運用。我國高速鐵路已經實現(xiàn)了486.1 km/h的試驗速度。

車輛的高速運行對輪軌間作用條件非常敏感，因此軌道線路的微小損傷都會嚴重影響列車的運行品質，甚至危及行車安全。因此高速鐵路線路基于可靠性、安全性要求，對軌道質量提出更高要求。

(2)病害發(fā)展快

高速鐵路上車輛運行速度極高。盡管車輛軸重較輕，但是高速運行的車輛仍然對鋼軌產生比普速線路大很多的輪軌作用力。在巨大的輪軌作用力下，軌道表面的任何微小損傷都會快速地發(fā)展。如果不及時處理或修復，就會快速發(fā)展成剝落、掉塊、斷軌等惡性事故。

(3)區(qū)間長

為了發(fā)揮高速鐵路行車速度高的優(yōu)點，高速鐵路的區(qū)間里程比普速鐵路長很多。普速鐵路區(qū)間長度一般為10 km左右，而高速鐵路一般都在40 km左右，甚至達到60 km。

3.2 高速鐵路對鋼軌打磨列車的要求

(1)運行速度高

基于高速鐵路區(qū)間長的特點，要求在高速鐵路運用的鋼軌打磨列車必須具備較高的自身運行速度。普速鐵路上運用的鋼軌打磨列車一般要求自身運行最高速度為80 km/h，而高速鐵路用鋼軌打磨列車的自身運行最高速度要求達到100 km/h以上。較高的運行速度可以保證列車快速地進出作業(yè)區(qū)間，節(jié)省走行時間，保留更多的作業(yè)時間，充分利用作業(yè)天窗。

(2)作業(yè)速度高

僅僅通過提高打磨列車走行速度仍然不夠，還需要提高作業(yè)速度。普速鐵路打磨作業(yè)一般可設定作業(yè)速度為8 km/h。但高速鐵路打磨作業(yè)，為提高作業(yè)能力，要求作業(yè)速度在12 km/h，甚至20 km/h。

(3)作業(yè)效率高

作業(yè)速度提高仍然不足以提高作業(yè)能力，還需要提高作業(yè)效率。普速鐵路打磨作業(yè)，在進行修復性打磨時，通常需要打磨4～6遍。而高速鐵路一般要求2遍就達到作業(yè)要求。

(4)可靠性高

高速鐵路一般只運行高速動車組，不設置機務段，因此也不設置機車。因此一旦工程車輛出現(xiàn)機破等故障，將發(fā)生堵線的重大事故。因此要求各種工程車輛必須具備很高的可靠性，甚至要求設置雙機組動力系統(tǒng)，保證在任何時刻都能憑自身動力進入和移出區(qū)間，保證線路按時開通。

4 我國高速鐵路在用鋼軌打磨列車選型分析

目前國內在用的鋼軌打磨列車主要有URR48型48頭鋼軌打磨列車、PGM-48型48頭鋼軌打磨列車、GMC96B型96頭鋼軌打磨列車、GMC96X型96頭鋼軌打磨列車等。經過鐵道部專家從成本、效率和能力等多方面原因綜合考慮，并結合我國高速鐵路的實際，確定了由我國自行生產的96頭鋼軌打磨列車作為高鐵打磨車的主力機型進行打磨作業(yè)。

其主要具有以下特點。

(1)作業(yè)效率高。96頭鋼軌打磨列車的打磨能力為軌頂面金屬磨削量不少于0.02 mm/遍。一般打磨2遍就可以滿足高鐵打磨精度要求，而48頭打磨車則至少需要5遍;

(2)作業(yè)能力強。96頭鋼軌打磨列車的年作業(yè)能力在2 000 km以上，比48頭打磨車的年作業(yè)能力800 km要高很多;

(3)采購成本低。96頭鋼軌打磨列車都已經實現(xiàn)國產化，其中GMC96B型鋼軌打磨車國產化率已經達到70%以上。極大地降低了采購成本，并且由于國產化率的提高，相應地也降低了后續(xù)的配件采購和維護成本。

5 我國高速鐵路用打磨列車采用的先進技術

我國從“十一五”期間開始大規(guī)模的大型養(yǎng)路機械的技術引進。96頭鋼軌打磨列車正是在那時進行設計制造的。但值得注意的是，國外并沒有成熟先進的96頭鋼軌打磨列車原型車可以借鑒。GMC96B型鋼軌打磨列車是在消化吸收國外公司打磨設計理念后通過與外方聯(lián)合設計制造出來的。其采用了許多自主研發(fā)的在國際上領先的創(chuàng)新技術。

(1)整車系統(tǒng)集成技術。GMC96B型鋼軌打磨列車的整車在瑞士SPENO公司的技術支持下由北京二七軌道裝備公司按照中國鐵路條件自主設計。整車外型上從頂棚、車體到轉向架的設計都由北京二七軌道裝備公司獨立完成。我國已掌握了通過微機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)將動力牽引系統(tǒng)、作業(yè)恒低速控制系統(tǒng)、粉塵收集系統(tǒng)、打磨作業(yè)風源系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、軌道檢測系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等有機結合的整車系統(tǒng)集成技術。整車國產化率達到70%以上。

(2)動力牽引技術

打磨列車無論是快速進出作業(yè)區(qū)間還是打磨作業(yè)，都要通過其自身的牽引動力車提供動力。北京二七軌道裝備公司作為我國老牌的內燃機車制造廠，利用自身的機車設計優(yōu)勢，根據(jù)打磨列車牽引動力車的技術條件，自主設計制造了打磨列車牽引動力車。其大量應用我國內燃機車成熟技術、結構和部件進行系統(tǒng)集成。采用2種傳動方式為列車提供動力:通過液壓傳動為打磨作業(yè)提供動力，通過液力傳動為高速走行提供動力。此外，牽引動力車還采用了大功率雙機組設計。一方面對高速鐵路用打磨列車提供2套動力系統(tǒng)，提高可靠性;另一方面，保證打磨列車在如33‰的長大坡道上也可具備連續(xù)打磨能力。牽引動力車為打磨列車提供3 000 kW的動力，使打磨列車最高走行速度達到100 km/h，打磨作業(yè)時提供3～15 km/h范圍內可調的恒低速。

(3)作業(yè)恒低速控制技術

鋼軌打磨列車在進行打磨作業(yè)時，打磨砂輪將以恒定的壓力、恒定的角度對鋼軌進行磨削。如果打磨列車恒低速運行時速度不穩(wěn)定，則打磨精度勢必受到影響。GMC96B型打磨列車恒低速控制系統(tǒng)采用閉式回路液壓控制系統(tǒng)。由2個A4VG180型液壓泵和4個A6VM160型液壓馬達及閥組和管路組成。每2個馬達1組，每組馬達經過1個減速箱帶動1個轉向架。液壓系統(tǒng)采用合流方式，使用分流集流塊，將2個變量泵的油路匯集，再分流，保證前后轉向架運行的同步性。根據(jù)閉式液壓系統(tǒng)和液壓泵及馬達特性，在采用工控單片機進行邏輯電子控制的條件下，通過調整泵馬達配流盤角度控制馬達轉速，進而控制車速。經實際裝車試驗，GMC96B型鋼軌打磨列車的恒低速控制精度達到時速5 km以下時＜±0.5 km/h，時速5 km以上時小于時速的10%。

(4)微機網(wǎng)絡控制技術

GMC96B型鋼軌打磨列車采用多層級的分布式微機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)加硬線備份。主要功能:一是在列車作業(yè)時提供恒低速運行控制，根據(jù)司機在打磨作業(yè)工況的給定信號，提供驅動減速箱旋轉的液壓泵和馬達執(zhí)行系統(tǒng)中各控制閥所需要的電氣控制信號，實現(xiàn)電、液和機械系統(tǒng)的聯(lián)合工作;二是列車牽引運行控制，控制柴油機-液力傳動箱-車軸齒輪箱主傳動系統(tǒng)的啟動、換向、充排油，實現(xiàn)列車牽引運行;三是對柴油機、液力傳動箱、冷卻系統(tǒng)、輔助傳動系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)中各機組的啟動、提取運行信號、傳輸、顯示等出現(xiàn)異常時進行安全報警或機組保護。

為增加網(wǎng)絡控制可靠性，GMC96B型鋼軌打磨列車微機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)采用3級控制方式。一是CCLINK總線傳輸最優(yōu)控制。司機的控制指令通過總線傳遞，并最終實現(xiàn)各部件的最優(yōu)控制，進行列車正常運行和可靠作業(yè);二是APLC自動控制。為提高列車運行的可靠性，考慮到可能出現(xiàn)的干擾造成CC-LINK總線傳輸最優(yōu)控制故障時，APLC將部分功能轉換為自動控制，實現(xiàn)打磨作業(yè)或牽引;三是AFPLC應急控制。在APLC也發(fā)生故障時，作業(yè)備用控制部件，快速切換，維持列車的正常牽引，脫離作業(yè)現(xiàn)場。這種網(wǎng)絡控制的優(yōu)點是控制和執(zhí)行分開，各自獨立工作，任何一個部分損壞不影響其余微機工作，控制迅速有效。

(5)軌廓波磨檢測技術

GMC96B型鋼軌打磨列車原有進口檢測裝置采用LVDT位移傳感器為機械接觸式，精度低，容易損壞，并不適合中國鐵路情況。北京二七軌道裝備公司聯(lián)合鐵道部、北方車輛研究所等共同進行了軌廓波磨檢測裝置的自主研發(fā)。檢測傳感器采用激光非接觸式測量方案，波磨測量采用3點偏弦法，每根軌道采用3只1D激光位移傳感器;軌廓測量采用2D激光位移傳感器，每根軌道采用1只2D激光傳感器。軌廓與波磨的測量采用增量式編碼器分別進行空間等距離采樣控制，其中波磨的采樣步長為5 mm，軌廓的采樣步長為250 mm。軌廓測量精度達到0.01 mm，波磨測量精度可達到0.05 mm。采用非接觸式激光測量技術代替原車的接觸式測量方法，簡化機械結構，提高精度，排除機械誤差。經實測檢驗，其在檢測速度、檢測精度、技術先進性、可靠性和可維修性上都優(yōu)于進口檢測裝置。先進的檢測裝置安裝在打磨列車最前端，可使打磨列車在每次打磨之前，對軌道進行精確測量，實時計算出最優(yōu)打磨方式，實現(xiàn)邊檢測邊打磨，提高作業(yè)效率和打磨質量。

(6)空氣制動技術

GMC96B型鋼軌打磨列車采用中國鐵路常規(guī)間接制動系統(tǒng)。經中鐵咨詢公司論證和計算，采用了JZ7制動機+F8分配閥的混合制動系統(tǒng)方案。列車風管定壓為5 bar(1 bar=100 kPa)，保持與鐵路貨車列車管定壓一致。制動管路中金屬管路采用不銹鋼管，系統(tǒng)上裝有空氣干燥器，制動系統(tǒng)與中國鐵路機車車輛聯(lián)掛時能夠緩解，全制動后緩解時間小于10 s，符合中國鐵路機車車輛制動系統(tǒng)標準。保證打磨列車運行的安全性和可靠性。

6 待解決的問題

(1)打磨控制系統(tǒng)的研發(fā)

目前我國對打磨控制系統(tǒng)的研究還處在初級階段。由鐵道部、北京交通大學和北京鐵路局組成的課題組正在進行打磨控制系統(tǒng)的攻關。控制系統(tǒng)屬于軟件范疇，在外方不提供源代碼的情況下，必須要進行自主研發(fā)。打磨控制系統(tǒng)的研發(fā)成功才能真正意味著我們完全掌握了打磨列車的全部核心技術和全部的知識產權。

(2)打磨鐵屑回收裝置

目前GMC96B型鋼軌打磨列車裝有集塵裝置，對打磨過程中產生的粉塵及鐵屑進行回收，但對熱結的大塊兒鐵屑還無法收集，要靠人工進行清掃。在高速鐵路的打磨作業(yè)中，如果工人的責任心不強，殘留在鋼軌上的鐵屑對行車將造成極大的安全隱患。如果在打磨列車尾部增加一個類似于軌道吸污的裝置，一次性收集所有殘留鐵屑，將極大減少環(huán)境污染，提高高速鐵路行車安全性。

7 結語

綜合以上因素，結合我國高速鐵路的現(xiàn)狀，分析和實踐均證明，GMC96B型鋼軌打磨列車正是適用于我國高速鐵路鋼軌打磨作業(yè)需求的機型。2011年2月至3月，GMC96B型鋼軌打磨列車利用30 d作業(yè)時間，完成了京滬高速鐵路北段1 250 km的打磨作業(yè)，也恰恰證明了這一點。此外，同類型的GMC96X型打磨車也完成了京滬高速鐵路南段、滬寧高速鐵路及武廣高速鐵路的打磨工作，為我國高速鐵路的安全及舒適運營作出了巨大貢獻。

按照鐵道部最新規(guī)劃，“十二五”末全國鐵路運營里程將由現(xiàn)在的9.1萬km增加到12萬km左右，其中高速鐵路4.5萬km左右。基于高速鐵路的特點，并結合在用各型鋼軌打磨列車的性能和成本，為了滿足鋼軌打磨作業(yè)的需求，必須大量推廣使用作業(yè)效率高、作業(yè)能力大、綜合成本低的鋼軌打磨列車產品。96頭鋼軌打磨列車應該予以大量地推廣使用。

［1］金學松，杜心，郭俊，崔大賓.鋼軌打磨技術研究發(fā)展［J］.西南交通大學學報，2010，45(1).

［2］鐵運［2007］44號 既有線提速200～250 km/h線橋設備維修規(guī)則［S］.

［3］雷曉燕.鋼軌打磨原理及其應用［J］.鐵道工程學報，2000(1):28-33.

［4］金學松，溫澤峰，張衛(wèi)華.輪對運動狀態(tài)對輪軌滾動接觸應力的影響［J］.工程力學，2004(1).

［5］劉啟躍，張 波，周仲榮.鐵路鋼軌損傷機理研究［J］.中國機械工程，2002(18).

［6］王小文，章 欣，馮文相.廣深準高速鐵路鋼軌波狀磨耗特點和發(fā)展規(guī)律［J］.中國鐵道科學，1998(2).

［7］盧 軍.鋼軌打磨列車打磨質量控制［J］.鐵道技術監(jiān)督，2011(1).

［8］繆闖波.鋼軌打磨對輪軌作用的影響［J］.鐵道標準設計，2002(7).

［9］劉莉麗，高 亮，谷愛軍，趙 影.高速重載線鋼軌打磨策略研究初探［J］.鐵道標準設計，2004(3).

［10］牛道安，李志強.提速線路鋼軌打磨作業(yè)方案的探討［J］.鐵道建筑，2006(8).

［11］郭福安，張 梅.客運專線鋼軌打磨的思考［J］.中國鐵路，2008(3).