高速鐵路鋼軌廓形打磨質量評估方法及應用

俞 喆，張 金，張訓全，高 凡，田常海

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所，北京 100081； 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081)

鋼軌打磨技術起源于20世紀50年代，經過60多年的發展已經成為高速和重載鐵路一項重要的鋼軌修理技術。采用鋼軌打磨技術可有效治理和控制鋼軌表面病害，改善行車平穩性和安全性，延長鋼軌的使用壽命，因而在世界各國鐵路都得到了廣泛應用[1-3]。

為了規范高速鐵路鋼軌打磨作業，在中國鐵路總公司的組織下，鐵科院金化所起草了《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》(鐵總運〔2014〕357號)，對我國高速鐵路鋼軌打磨作業質量驗收作了詳細規定。鋼軌廓形作為衡量高速鐵路鋼軌打磨質量的關鍵因素，在《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》中只有評定其是否合格的相應標準，卻沒有反映打磨前后鋼軌廓形改善程度的指標。國外已提出采用鋼軌廓形打磨質量指數[4-5](Grinding Quality Index，GQI)對打磨質量進行評估的方法，國內劉月明等[6]研究并使用GQI對現場打磨作業進行了評估。目前，國內外計算GQI的方式相似，均為GQI=n/N×100%(其中GQI為GQI的計算值，n為鋼軌廓形中符合要求的測點數量，N為鋼軌廓形的總測點數量)，這種計算方法可以直觀反映打磨前后鋼軌廓形的改善情況，但未對鋼軌各區域廓形質量評價標準加以區分，也不能結合國內相應打磨標準給出打磨后鋼軌廓形是否合格，對國內高速鐵路鋼軌廓形打磨質量評估及驗收針對性不強。

本文在借鑒國外鋼軌廓形打磨質量指數的基礎上，結合《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》中的廓形驗收標準，提出了基于鋼軌廓形打磨質量指數和廓形偏差曲線的評估方法，給出了鋼軌廓形打磨質量指數的控制范圍和打磨建議，并進行現場應用。

1 評估方法

1.1 鋼軌廓形打磨區域劃分及權重

隨著高速鐵路輪軌關系的深化研究，越來越多的證據表明鋼軌廓形打磨到位與否直接關系著動車組的運行狀態，同時鋼軌各區域廓形對車輛運行狀態的影響大不相同。總結來說：當鋼軌軌距角(R80及R13區域)打磨不夠，即軌距角處鋼軌廓形較打磨目標廓形(60D或60N)凸出較多時，易引起動車組構架橫向加速度報警或抖車；當鋼軌軌距角打磨過多，即軌距角處鋼軌廓形較打磨目標廓形(60D或60N)凹陷較多時，易引起動車組低頻晃車[7]。

基于前期的理論研究，結合以往對動車組報警、抖車及晃車的治理經驗，立足打磨實際，將鋼軌按照打磨角度劃分為A，B，C及D這4個區域(各區域分別對應不同的砂輪打磨角度，見表1和圖1)，同時引入各區域的廓形權重系數綜合評定鋼軌廓形打磨質量。

表1 鋼軌廓形打磨區域與砂輪打磨角度對應關系

圖1 鋼軌廓形打磨區域劃分

對于鋼軌打磨而言，不同區域的廓形權重系數代表了該區域在鋼軌打磨中的重要性，以wA，wB，wC和wD分別表示A，B，C和D這4個不同區域的廓形權重系數，滿足

wA+wB+wC+wD=1

wA,wB,wC,wD∈(0,1)

(1)

為了使廓形權重系數更具科學性、可行性和針對性，采用德爾菲法(也稱專家咨詢法)，通過問卷調查鋼軌打磨領域相關專家和技術人員并分析處理反饋結果，得到各區域廓形權重系數wA=0.223，wB=0.409，wC=0.195，wD=0.173。從鋼軌各區域權重系數可見，其規律與前期研究[8]得出的結論一致。

1.2 鋼軌廓形打磨質量指數計算公式

鋼軌廓形打磨質量指數計算時應考慮鋼軌各區域廓形對車輛運行狀態的影響權重，計算結果能判定鋼軌打磨廓形是否合格且量化廓形合格與否的具體程度，同時還需具有數據處理簡便、計算結果直觀等優點?；谏鲜鲈瓌t，根據鋼軌廓形與目標廓形的偏差將GQI值的計算公式分為2種工況。

工況1：當鋼軌廓形偏差數據均在《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求范圍內，即鋼軌廓形打磨質量合格時，GQI值為

GQI=80+20(1-X)

(2)

其中，

可是如果沒有直角∠POQ呢，或點M不是中點呢，上述方法便不再有效.動點M受到點P、Q的共同影響而變化，該如何分析？我們不妨借助向量的知識究其本質.

X=

式中：nA，nB，nC，nD分別為A，B，C，D這4個不同區域的砂輪打磨角度數量；σi為鋼軌廓形i角度下的實際偏差；σi標為i角度下《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求的正負偏差限值，當σi為正偏差時，σi標為對應角度下《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求的正偏差限值，當σi為負偏差時，σi標為對應角度下《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求的負偏差限值。

工況2：當鋼軌廓形在個別區域偏差超出《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求范圍時，即鋼軌廓形打磨質量不合格時，GQI值為

GQI=80-20Y

(3)

其中，

Y=

從式(2)和式(3)可見，當GQI值≥80時，鋼軌打磨質量合格，且分數越高，實測廓形和目標廓形越接近；當GQI值<80時，則鋼軌打磨質量不合格，分數越低，實測廓形和目標廓形偏離程度越大。

1.3 鋼軌廓形偏差曲線

圖2 GQI值為40.6時廓形偏差曲線

圖3 GQI值為40.8時廓形偏差曲線

2 現場應用

使用該評估方法分別對出現動車組構架橫向加速度超限報警及車體低頻晃車的典型線路進行了分析，鋼軌廓形打磨質量指數計算中目標廓形為設計廓形60D[9]。

2.1 動車組構架橫向加速度超限報警

以鄭徐高鐵及京滬高鐵為例，對報警區段及未報警區段鋼軌GQI值和偏差曲線進行了分析，GQI值結果見表2，典型鋼軌廓形偏差曲線如圖4和圖5所示。由表2及圖4和圖5可見：與設計廓形60D相比，出現報警區段的廓形偏差曲線均超出標準要求正偏差限值，同時其GQI值較低，鄭徐高鐵報警區段左股GQI值為52～60、右股GQI值為64～87，其中GQI值低于60的占50%、低于70的占80%；京滬高鐵報警區段左股GQI值為48～68、右股GQI值為50～65，其中GQI值低于60的占80%、低于70的占100%；在未出現報警區段的同一行別線路上，不管是鄭徐高鐵還是京滬高鐵，其廓形偏差曲線大部分都在標準要求范圍內，GQI值在70以上的占100%，其中高于75的占90%。

表2 同一線路不同區段鋼軌GQI值

圖4 報警區段典型鋼軌廓形偏差曲線

圖5 未報警區段典型鋼軌廓形偏差趨勢

2.2 動車組車體低頻晃車

以滬蓉線和杭深線為例，對出現晃車區段和未出現晃車區段鋼軌的GQI值和偏差曲線進行了分析，GQI值結果見表3，典型鋼軌廓形偏差曲線如圖6和圖7所示。由表2和表3及圖4—圖7可見：晃車區段鋼軌GQI值和廓形偏差規律與報警區段相差較大，報警區段左右股鋼軌廓形偏差曲線均超出標準要求正偏差限值，而晃車區段以左右股廓形偏差曲線同時超出負偏差限值為主，但也存在一股超出正偏差限值、另一股超出負偏差限值的情況(即2股鋼軌廓形明顯不對稱)；晃車區段GQI 值變化幅度較大，滬蓉線實測鋼軌GQI值為26～76，GQI 值低于70的占70%、低于60的占50%；杭深線實測鋼軌GQI為39～75，GQI值低于70的占90%、低于60的占50%；杭深線未出現晃車的杭甬段及滬蓉線晃車區段打磨后(晃車消失)的鋼軌GQI值在70以上的占比100%，高于75 的占比也達到了100%，且GQI值的變化范圍較小。

表3 同一線路不同區段鋼軌GQI值

圖6 晃車區段打磨前典型鋼軌廓形偏差曲線

圖7 晃車區段打磨后典型鋼軌廓形偏差曲線

2.3 綜合分析

從上述對動車組構架報警和晃車的分析可見，當鋼軌廓形偏差曲線超出正偏差限值且GQI值大部分低于60時，容易導致動車組出現構架報警；而當鋼軌偏差曲線超出負偏差限值且GQI值大部分低于70或鋼軌GQI值小于80且左右股鋼軌GQI差值大于20時，容易導致動車組出現晃車。所以，保證線路鋼軌GQI值大于70且GQI變化范圍較小，可以有效減輕或消除動車組構架報警、晃車等異常振動，提高動車組的運行品質。

3 鋼軌廓形打磨質量指數控制

除上述典型線路的分析數據外，還對大量實測鋼軌廓形進行了質量評估，基于上述評估數據基礎，結合前期對動車組晃車、報警及抖車等異常振動的研究，初步提出鋼軌廓形打磨質量指數分級及打磨建議見表4，其中鋼軌廓形打磨質量評判以《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》為基準。

表4 鋼軌廓形打磨質量指數分級及打磨建議

4 結 論

(1)提出的GQI值計算公式考慮了鋼軌各區域廓形對車輛運行狀態的影響權重，計算結果不僅能評判鋼軌打磨廓形是否達到《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求，而且可以量化表征打磨后鋼軌廓形與目標廓形偏離或者吻合的程度。

(2)大量實測數據驗證表明，鋼軌廓形偏差曲線超出正偏差限值且GQI值大部分低于60時，容易導致動車組出現構架報警；鋼軌廓形偏差曲線超出負偏差限值且GQI值大部分低于70或者GQI值小于80且左右股鋼軌GQI差值大于20時，容易導致動車組出現晃車；保證GQI值大于70且GQI變化范圍較小，可以有效減輕或消除動車組構架報警、晃車等異常振動，提高動車組的運行品質。

(3)采用鋼軌廓形偏差曲線并結合鋼軌廓形打磨質量指數的評估方法，不僅可以對鋼軌打磨質量進行評估，而且可以對鋼軌廓形狀態是否會導致動車組異常振動進行預測，進而給出合理的鋼軌打磨建議。