城市軌道交通鋼軌打磨技術現狀與發展趨勢

摘要：文章基于國內外城市軌道鋼軌打磨發展歷程，借鑒國鐵鋼軌打磨先進技術，介紹國內外城市軌道鋼軌打磨方式，并以RGHC打磨車為例分析打磨車維護作業模式、打磨系統、保障系統等方面特點，從智慧與集成運維、高效與綠色作業和裝備與工藝升級三方面提出城市軌道鋼軌打磨技術發展趨勢，為城市軌道交通鋼軌打磨技術應用提供參考。

關鍵詞：城市軌道;鋼軌打磨;研究現狀;發展趨勢

中圖分類號：U213.4文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.046

文章編號：1673-4874（2021）01-0171-04

0引言

截至2019年年底，全國城市軌道交通運營總里程突破6600km，隨著眾多城市相繼開展城市軌道交通網的規劃，這一數字還將持續上升。鋼軌是軌道結構中最重要的組成部件，它直接與機車車輛車輪接觸，承受上部傳來的輪軌荷載，此外，鋼軌還受到溫度荷載、無縫線路梁軌相互作用力、列車制動力等作用，除了產生巨大的輪軌接觸應力外，還會產生彎曲、扭轉、剪切等應力，實際受力情況十分復雜[1]。鋼軌在服役期間往往形成諸如裂紋、脫落、波磨、肥邊等各類傷損，嚴重影響城市軌道交通的安全性和舒適性。

目前解決鋼軌傷損問題的方式主要有更換鋼軌與鋼軌打磨兩種。前者由于經濟效益低、作業“窗口期”長等缺點，普遍不適用于我國城市軌道交通運維;后者則由于維護成本低、使用壽命長、噪音明顯降低、改善輪軌關系和提高線路平順性等眾多優點而被普遍采用。本文針對城市軌道鋼軌打磨現狀，介紹鋼軌打磨理論、城市軌道鋼軌打磨技術和打磨裝備等相關研究與應用前沿情況，輔以課題組[2]長期從事軌道運維作業經驗，結合城市軌道運營需求，試圖預測城市軌道鋼軌打磨技術發展趨勢，為今后城市軌道交通智慧運維研究提供基礎。

1鋼軌打磨理論圖

在運營過程中，鋼軌病害的出現不僅受線路狀態、自然水文條件等因素影響，更重要的是與車輪-鋼軌接觸狀態與受力情況有關：鋼軌位于列車下部且與車輪踏面直接接觸，列車車輪通過接觸鋼軌保證行駛平順，鋼軌由于與車輪之間存在接觸，不可避免地受到縱向摩擦從而產生表面及塑性變形;列車行駛過程中由于側向力的作用增添脫軌風險，車輪采用踏面錐度的方式降低其危險性，但踏面錐度會使列車在行駛過程中出現蛇形運動等情況，發生鋼軌表面磨耗;在長期運營中，鋼軌不斷受到來自車輪的各類荷載作用，由于疲勞作用導致出現波浪形磨耗。鋼軌打磨的目的就是為了及時消除上述病害并保持適當的輪軌作用關系，從而保證列車行駛順暢。

鋼軌打磨過程絕大多數通過砂輪的高速旋轉來完成（如圖1所示），砂輪以正壓力F貼合于鋼軌表面，在沿著鋼軌以速度v縱向滑動的過程中伴隨旋轉，旋轉速度為θ，砂輪可調整接觸角度以便與鋼軌各面形成貼合關系，其通過表面打磨砂粒將鋼軌病害消除，還可對鋼軌廓形進行修復。劉月明[3]、Mogel E[4]等人在其研究中解釋了打磨的理論基礎：在鋼軌打磨的材料去除模型中，砂輪與鋼軌之間的接觸面積、材料去除效率、接觸壓力等參量是衡量鋼軌打磨效率和精度的關鍵因素。鋼軌打磨作業過程可以利用式（1）、式（2）進行表達：

（1）

（2）

式中：V——砂輪打磨鋼軌效率;

c——鋼軌打磨過程中鋼軌材料被打磨體積與砂輪材料損失體積之比;

H_r、H_w、M、S、α——與砂輪材料有關的參數;

k_i——與鋼軌打磨有關的因素參數。

觀察式（1）、式（2）可知：鋼軌打磨效果與眾多因素相關，打磨效果不僅與砂輪壓力、轉動速度等密切相關，還與砂輪本身材料相關，根據機理公式可以進行針對性打磨方案的制定與改善。

2城市軌道鋼軌打磨技術現狀

鋼軌打磨是通過砂輪的高速旋轉磨削來清除鋼軌軌頭表面金屬的過程，主要目的是消除鋼軌頂面各種缺陷，減緩輪軌間不利磨耗的發展，降低輪軌接觸應力，獲得與車輪踏面外形匹配合理的鋼軌廓形[5]。國內外針對鋼軌打磨技術的研究與應用已有60余年，期間積累了豐富的鋼軌打磨經驗。近年來隨著城市軌道交通線路日益繁忙，城市軌道鋼軌打磨技術也逐步升級與應用。與國家鐵路線路不同的是，城市軌道線路具有發車密度高、區間長度短、線路情況復雜、道岔與坡道多等特點[6]，為了保證安全運行，城市軌道用鋼軌打磨必須切實有效且經濟性較好。

2.1鋼軌打磨技術類別

鋼軌打磨維護作業的技術類別隨著國內外運營經驗的累積已非常明朗，基本延續瑞士Speno公司[7]早期研發的打磨類別，即預打磨、預防性打磨、修復性打磨。預打磨是針對鋼軌鋪設前已知位置的鋼軌缺陷，為消除銹蝕、斑點和軌頂缺陷而進行的;預防性打磨是為了防止中初始裂紋擴展或深入而進行的，可有效延長鋼軌使用壽命，一般范圍在0.2mm以內;修復性打磨與預防性打磨不同，其主要針對已經出現較大傷損或廓形變化的鋼軌，在多次重復性作業后才能完成，一般范圍在1.0～1.5mm。學者們在此基礎上，進行相關打磨模式的更新與升級：澳大利亞學者[8]應用預防性打磨方式平衡輪軌受力，調整車輪滾動半徑，提高曲線地段通過能力，減少鋼軌側磨;郭戰偉[9]基于蠕滑效應，創新研究出一套基于輪軌最小蠕滑效應的鋼軌打磨方案，明顯提高了運營線運輸能力。

2.2鋼軌打磨技術及配套裝備

鋼軌打磨技術流程可以概述為：操作人員根據打磨參數操作打磨機具，以較低速度運行在軌道線路中，通過控制系統調整打磨機具中的各項參數，例如砂輪角度的調整，從而利用砂輪轉動對鋼軌軌頭進行打磨。打磨裝備通過循環往復走行，實現整個斷面打磨，利用包洛氏打磨，最終將鋼軌表面病害消除，形成符合運營標準的鋼軌截面。21世紀，我國軌道交通建設蓬勃發展，軌道維護作業水平逐步趕超國際先進水平，西安、北京、廣州等地軌道交通公司通過引進與再創新，開始采用打磨車進行運營線維護，效果頗佳。以美國Harsco Rail公司為代表的鋼軌打磨車，配合駕駛、打磨組件和安全系統等部件，通過配置軟件可滿足城市軌道鋼軌打磨作業需要的各規定角度。同時，美國Loram打磨車裝配8、16磨頭，其打磨效率與打磨精度也非常理想。2014年由我國自主研發的GMC16A型打磨車交付使用，開啟了我國城市軌道鋼軌維護作業的新篇章。下文將以RGHC打磨車為例，從打磨車維護作業模式、打磨系統、保障系統等方面介紹城市軌道交通鋼軌打磨技術與裝備。

（1）維護作業模式

RGHC打磨車通過柴油系統提供推進動力，利用空氣制動，針對磨頭定位采用液壓輔助，同時配備防火系統，作業期間駕駛員通過計算機完全控制打磨車作業，應用計算機輔助作業，可將10個以內打磨位置、99種打磨方式存入系統，提高作業效率。作業時可選模式有8頭、10頭兩種，同時可以進行單元結構作業，單元結構作業有8、16、20、24、30、32和40磨頭。其打磨車相較其他車型，在作業線路長度、作業機動性、作業經濟性上明顯占優。

（2）打磨系統

RGHC打磨車采用液壓系統獨立驅動打磨頭，各打磨單元分別通過磨石、馬達和滑動部件組成，其優點是結構簡單、經濟成本低、磨頭靈敏性好和易于拆卸維護，但作業期間要特別注意防止漏油等問題的出現，以免導致火災。通過此設備可以精確地將砂輪放置于待維護鋼軌上，駕駛員通過參數設置調整打磨組件傾角，各磨頭可調整工作范圍為內側75°至外側45°。為提高打磨效率，利用鏈接單元保證砂輪與鋼軌接觸，以便保持磨石邊緣中心位置與鋼軌打磨位置一致。本車型雖然由于驅動方式不同，在火災事故率、運行平穩性等方面比其他類型打磨車具有劣勢，但綜合考慮城市軌道線路特點，本車型與城市軌道鋼軌打磨作業匹配性更好。

（3）保障系統

RGHC打磨車擁有控制系統、集塵系統、防火系統、I/O控制系統和測量系統，涉及城市軌道打磨作業、作業保障、安全作業和作業評價等方面，同時其由于采取了特殊設計，可降低噪聲、防止飛濺和提高作業安全性。

3城市軌道鋼軌打磨技術發展趨勢

當前，由于我國城市軌道建設與運維技術飛速發展，加上國鐵鋼軌維護作業日漸成熟，以砂輪端面打磨、砂輪周面打磨為主的打磨技術正在從國鐵領域應用于城市軌道鋼軌打磨領域。與此同時，利用銃刀盤與砂輪配合打磨相關技術切削效果明顯，從工藝上能夠滿足修復性打磨要求。隨著信息化技術逐漸滲透各大產業，國家先進制造業發展和我國綜合國力的增強，城市軌道鋼軌打磨技術將邁向智慧集成化和綠色高效化，因此，先進裝備的研發也刻不容緩。

3.1智慧與集成運維

隨著城市軌道運營里程不斷增加，交通擁堵使社會對城市軌道需求越來越大，鋼軌打磨作業“天窗”時間也逐步減少，城市軌道鋼軌打磨方式正向“預打磨+修復性打磨”方式轉變，這些情況將造成打磨重復次數增加等后果，大大影響城市軌道運營的順暢性。與此同時，伴隨著城市軌道鋼軌打磨質量評價體系的逐步推進與出臺，鋼軌打磨結果的實時監測也將花費資金與時間。為了保證檢測、打磨、監測和打磨方式選取的科學性，城市軌道鋼軌打磨技術將朝著智能化、集成化轉變。在保證城市軌道鋼軌打磨效果的基礎上，將檢測鋼軌狀態、在線比對標準廓形、自動生成打磨策略、打磨設備實時監管和鋼軌壽命預測進行集成創新，應用互聯網、云計算等模式進行智慧運維，將成為城市軌道鋼軌打磨作業的發展趨勢。

3.2高效與綠色作業

目前鋼軌打磨技術已經從理論奠基向可持續發展轉變，不論是軌道交通單位還是作業人員都十分渴求高效的鋼軌打磨技術，如何摒棄繁瑣耗時的多次打磨，如何利用管理經驗培訓與提高作業人員效率，如何從砂輪材料、打磨車結構和打磨管理手段等方面進行技術創新，成為鋼軌病害整治領域的研究發展趨勢。同時，由于我國幅員遼闊，軌道打磨技術指導作業還不具有針對性，不同線路條件、不同鋼軌和不同地區的差異化，導致作業經濟性不高，存在普適性作業技術居多而特色性作業技術不足的問題，不但對城市軌道鋼軌打磨技術的發展產生了阻礙，還與綠色減排的口號相悖，這也是本領域應該注意的問題。

3.3裝備與工藝升級

鋼軌打磨依靠裝備工具進行作業，隨著我國金屬加工與制造行業、車床自動化、人工智能等領域的發展，從工藝層面優化打磨流程、從制造領域加快裝備升級、從技術層面發掘新型運維理念都有希望成為我國城市軌道鋼軌打磨技術的突破口。此外，隨著高速鐵路關鍵技術的攻關克難，研發與創新針對我國國情的城市軌道運維工藝與配套裝備刻不容緩，特別是針對預打磨、修復性打磨方面，以創新驅動生產和產學研共享優質資源為手段的先進裝備制造，是今后城市軌道鋼軌打磨技術跨越式發展的核心。

4結語

近年來，隨著我國交通強國目標的制定，城市軌道運營里程不斷攀升，這給城市軌道維護尤其是鋼軌打磨作業帶來巨大壓力。本文基于國內外城市軌道鋼軌打磨發展歷程，借鑒國鐵鋼軌打磨先進技術，在簡述鋼軌打磨理論的基礎上，介紹國內外城市軌道鋼軌打磨方式，并以RGHC打磨車為例分析打磨車維護作業模式、打磨系統、保障系統等方面特點，從智慧與集成運維、高效與綠色作業和裝備與工藝升級三方面提出城市軌道鋼軌打磨技術發展趨勢。

參考文獻

[1]李成輝.軌道[M].成都：西南交通大學出版社，2010.

[2]楊洋，林潔，何壯彬.錳渣對水泥乳化瀝青砂漿性能影響的研究[J].新型建筑材料，2019，46（2）：45-48.

[3]劉月明，李建勇，蔡永林，等.鋼軌打磨技術現狀和發展趨勢[J].中國鐵道科學，2014，35（4）：29-37.

[4]Magel E，Roney M，Kalousek J，et al. The Blending of? Theory and Practice in Modern Rail Grind[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures，2003，26（10）：921-929.

[5]溫士明.地鐵線路小半徑曲線鋼軌打磨廓形研究[D].成都：西南交通大學，2018.

[6]井紅躍.城市軌道交通用鋼軌維護現狀及解決方案研究[J].裝備制造技術，2015（6）：140-142，155.

[7]賀振中.國外鋼軌打磨技術的應用與思考[J].中國鐵路，2000（10）：38-40.

[8]March S. Rail Grinding Strategies Adopted in Australia [J].Rail engineering international Edition，2005，34（1）：4-6.

[9]郭戰偉.基于輪軌蠕滑最小化的鋼軌打磨研究[J].中國鐵道科學，2011，32（6）：9-15.