個性化鋼軌廓形打磨方法分析

2015-03-13 13:30:36王軍平單連琨丁軍君李金良

鐵道建筑 2015年11期

王軍平，單連琨，丁軍君，李金良

(中鐵物總技術有限公司，北京 100036)

個性化鋼軌廓形打磨方法分析

王軍平，單連琨，丁軍君，李金良

(中鐵物總技術有限公司，北京 100036)

對個性化鋼軌廓形打磨方法進行了闡述，并結合實際案例對不同線路實施廓形打磨后的效果進行了分析。分析結果表明，鋼軌廓形打磨能夠有效改善軌道動力學性能、車輛舒適度指標和輪軌接觸關系，在減小輪軌滾動摩擦阻力的同時達到節能降耗的目的。同時廓形打磨能夠大幅減小小半徑曲線鋼軌磨耗速率，且初始磨耗較小時開展廓形打磨效果更佳。

個性化鋼軌廓形打磨輪軌接觸關系動力學性能鋼軌磨耗

1 概述

近年來，隨著國內鐵路線路維護保養意識的提升和維修手段的豐富，鐵路線路的使用狀態和鋼軌使用壽命得到了有效改善和提升［1-3］。傳統上，鋼軌的使用壽命主要從制造和養護兩個方面加以提升，通常采用高質量鋼軌，應用輪軌潤滑和鋼軌打磨等方法，鋼軌打磨是線路養護維修的重要手段［4］。國外鋼軌打磨技術有近60年的發展歷史，已達到了比較完善的應用階段。我國鋼軌打磨技術起步于20世紀90年代，相對落后。

鋼軌打磨的作用主要可以概括為［5-7］:能夠消除軌道局部不平順，提高軌道穩定性，減小運行車輛和軌道本身的維修量;可消除鋼軌既有病害并控制病害的發展，提高軌道的使用壽命;通過改善輪軌黏著和滾動阻力，提高車輛運行安全性。隨著打磨車的引進及推廣應用，鋼軌打磨的優勢逐漸被工務部門所認可。目前工務部門對鋼軌打磨方法的要求越來越高，在打磨方法從修理性向預防性轉化的同時要求提出更合理的鋼軌維護方法來滿足鐵路運輸快速化和重載化的發展需求。

合理的維護方法要求在保證軌道運量提升的同時維修量不會明顯增加，由此便產生了鋼軌保護技術的概念。鋼軌保護技術是指通過鋼軌打磨、軌頂摩擦調節、軌側潤滑和軌道幾何參數調節等方法提升輪軌接觸關系，改善鋼軌使用狀態并延長其使用壽命，從而減小鐵路線路維護成本和能源消耗。這里的鋼軌打磨主要指以改善輪軌接觸關系為主的鋼軌廓形打磨，即根據線路資料、通過車輛情況等將鋼軌廓形打磨至設計的特定形狀。

鋼軌廓形打磨工作的開展能夠有效減少輪軌磨耗和牽引供電消耗，降低換軌成本和運營成本，延緩鋼軌疲勞傷損的發展，減少軌道大修、維修的工作量。這項技術的推廣應用，在鐵路節支降耗、降低安全風險等方面具有十分重要的意義。本文根據現場試驗結果分析個性化鋼軌廓形打磨方法的效果。

2 個性化鋼軌廓形打磨及其實施流程

中鐵物總技術有限公司于2012年前后率先提出了個性化鋼軌廓形打磨的概念。其主要包含以下三個方面的內容:

1)個性化鋼軌打磨廓形設計。依據輪軌蠕滑最小化和輪軌耦合接觸理論，以相關動力學仿真軟件為基礎，按照當前運用車輛及軌道結構模式建立車輛—軌道耦合系統動力學模型，結合相關輔助軟件進行打磨廓形設計，得到不同區段的個性化鋼軌打磨廓形。

2)個性化鋼軌打磨模式設計。將設計廓形與鋼軌實際廓形進行對比，依據鋼軌病害情況和打磨量最小原則對不同線路設計不同的個性化打磨模式。

3)個性化鋼軌打磨結果驗收。依據驗收標準對打磨效果進行評定。

個性化鋼軌廓形打磨的實施流程如圖1所示。該打磨方法具有較強的針對性，以給定的線路、行車和打磨作業車信息為基礎進行個性化廓形和作業方案設計，最后進行結果驗收，能夠很好地保證打磨車的作業質量。作業時不同半徑曲線上下股道和直線線路的設計廓形、打磨模式和驗收標準均不相同。

圖1 個性化鋼軌廓形打磨流程

3 個性化鋼軌打磨效果分析

3.1 軌道動力學性能

廓形打磨可有效改善輪軌接觸關系，合理的接觸關系能夠消除輪軌間非正常的接觸點和受力，提高鋼軌的使用壽命。為分析廓形打磨對輪軌受力的改善效果通過試驗對廓形打磨前后車輛通過時的軌道受力進行了測試與統計。

圖2為廣鐵(集團)公司滬昆線上半徑400 m曲線廓形打磨前后相同載重和速度級別車輛通過時上下股道鋼軌所受橫向力和下股道脫軌系數的對比。

由圖2可知，打磨前后各項指標分布規律相近，打磨后列車通過時作用于軌道的水平力和脫軌系數均有所改善。輪軌水平力均值下降幅度約 8.6% ～23.4%，脫軌系數均值下降幅度約11.8% ～24.7%。可見鋼軌廓形打磨有助于軌道動力學性能的改善。

3.2 軌道質量指數

合理的鋼軌打磨方法可有效消除軌道局部不平順，減小輪軌間的振動［4］。

圖3為在武漢鐵路局武九線直線線路上實施廓形打磨前后軌檢車車體水平加速度和垂直加速度波形對比。由圖可知，打磨后車體水平加速度和垂直加速度波動范圍變小，車體振動和舒適度得到了有效改善。同時軌檢車數據顯示打磨后TQI指標較打磨前下降了約8%。

3.3 鋼軌磨耗

小半徑曲線上的鋼軌側磨是鋼軌磨耗最主要的表現形式之一，往往由于側磨超限使得鋼軌提前下道［4］。因此，減小鋼軌磨耗尤其是小半徑曲線外股側磨也是鋼軌打磨所需要解決的問題之一。

圖4為成都鐵路局川黔線上半徑300 m曲線實施個性化鋼軌廓形打磨前后的曲線上股道側磨速率對比。

圖2 鋼軌打磨前后半徑400 m曲線上的軌道動力學指標對比

圖3 鋼軌打磨前后軌檢車車體水平加速度、垂直加速度波形對比

圖4 半徑300 m曲線鋼軌打磨前后側磨速率對比

由圖4可知，打磨后曲線上股道鋼軌側磨速率得到了明顯改善，打磨后側磨速率約減小了70%。此外，當初始側磨較大(＞12 mm)時，打磨前后磨耗速率均大于初始側磨較小(＜10 mm)時的相應值，前者約為后者的1.6倍。這是由于當初始磨耗較小時，通過打磨可將曲線上股道輪軌接觸關系改善至貼合式兩點接觸，故而磨耗速率較慢，而當初始側磨較大時輪軌間兩點接觸較難避免，磨耗速率較大。由此可見，廓形打磨應盡早進行，在初始磨耗較小時實施打磨效果更佳。

3.4 節能降耗

圖5為大秦線上鋼軌廓形打磨實施后各測試點接觸網耗電量的變化情況，圖中將實施廓形打磨后各月能耗與4月份實施廓形打磨前的牽引能耗加以對比。由圖可知，打磨后第1月牽引能耗與打磨前相比下降13%～22%，第2月繼續下降，下降峰值達到了34%，從第3月開始上升，上升過程中再實施廓形打磨(9月)后能耗重新開始下降。各測試點變化幅值不盡相同但變化趨勢相似。可見，鋼軌廓形打磨能夠有效減小機車牽引能耗，達到節能的目的。這是由于實施廓形打磨后輪軌接觸關系得到改善，接觸點處輪軌蠕滑現象減少，取而代之的是輪軌滾動接觸，因此輪軌間整體滾動接觸阻力有所減小，牽引能耗隨之下降。此外，大秦線上鋼軌廓形打磨還使得曲線(800 m半徑)上股道側磨速率減小了76%，上股垂磨速率減小了24%，曲線下股道垂磨速率減小了40%，直線垂磨速率減小了65%，這與第3.3節的結果相吻合。