鋼軌打磨列車(chē)打磨單元配置分析

黃 聰

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣西 柳州 545616）

引言

在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的道岔區(qū)內(nèi)，鋼軌發(fā)生病害是比較常見(jiàn)的，同時(shí)病害的形式是多種多樣的，如尖軌的磨耗與傷損、軌頂面的波磨與側(cè)磨、護(hù)軌磨耗等等。這類(lèi)病害一旦形成，會(huì)加劇該處線路的不平順，當(dāng)列車(chē)通過(guò)時(shí)，會(huì)造成輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能惡化。此外，由于振動(dòng)、碰撞的加劇，會(huì)加快道岔區(qū)設(shè)備結(jié)構(gòu)傷損的速度，縮短其使用壽命。本文針對(duì)道岔區(qū)存在的相關(guān)病害，結(jié)合鋼軌打磨列車(chē)的打磨特點(diǎn)，分析得到由于道岔結(jié)構(gòu)本身的特殊性和局限性以及正線打磨單元的打磨角度的限制，鋼軌打磨列車(chē)要實(shí)現(xiàn)全線全方位打磨鋼軌的功能，必須同時(shí)設(shè)置道岔打磨單元和正線打磨單元。

1 國(guó)內(nèi)外鋼軌打磨列車(chē)

在20世紀(jì)初，人們就發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的鐵路鋼軌會(huì)出現(xiàn)一種類(lèi)似于波浪的磨耗缺陷，但因?yàn)槌霈F(xiàn)的概率小，未能引起足夠的重視。直到20世紀(jì)中葉，隨著高速與重載技術(shù)的飛速發(fā)展，鋼軌的波浪磨耗成為了制約鐵路相關(guān)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要因素，人們開(kāi)始重視并研究可以整治波形磨耗的鋼軌打磨技術(shù)[1]。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，鋼軌打磨已發(fā)展成為一種可以有效減輕鋼軌病害的養(yǎng)路技術(shù)。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外有許多的軌道裝備制造公司不斷開(kāi)發(fā)和研制用于鐵路鋼軌打磨的設(shè)備，并制造了多種類(lèi)型的鋼軌打磨機(jī)和鋼軌打磨列車(chē)，目前在我國(guó)鐵路工務(wù)部門(mén)運(yùn)用的大型打磨機(jī)械設(shè)備主要有：

1）PGM-48 型鋼軌打磨列車(chē)。該列車(chē)打磨單元的打磨角度范圍為內(nèi)側(cè)45°到鋼軌外側(cè)30°范圍的角度偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)正線鋼軌的有效打磨。

2）RGH20C 型鋼軌打磨列車(chē)。該車(chē)打磨單元的打磨角度范圍為內(nèi)側(cè)75°到鋼軌外側(cè)45°。該打磨列車(chē)主要適用于鐵路道岔區(qū)的鋼軌結(jié)構(gòu)的打磨作業(yè)，作業(yè)效率和精度高。

3）GMC-96B 型鋼軌打磨列車(chē)。該車(chē)打磨單元的打磨角度范圍為鋼軌內(nèi)側(cè)70°到鋼軌外側(cè)15°。主要用于普通線路、高速線路和重載線路的正線打磨作業(yè)。

4）GMC16A 型鋼軌打磨列車(chē)。該車(chē)每個(gè)打磨小車(chē)上，4 個(gè)為正線打磨單元，打磨偏轉(zhuǎn)角度為鋼軌內(nèi)側(cè)20°到外側(cè)15°，另外4 個(gè)為道岔打磨單元，打磨偏轉(zhuǎn)角度為鋼軌內(nèi)側(cè)70°到0°。該車(chē)可以對(duì)新建線路進(jìn)行預(yù)防性打磨、對(duì)既有線路進(jìn)行周期性和針對(duì)性打磨、對(duì)道岔區(qū)進(jìn)行打磨等。

2 鋼軌打磨現(xiàn)狀

鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，輪軌間存在輪軌垂向力、輪軸橫向力等動(dòng)態(tài)作用力。在輪軌作用力和鋼軌材質(zhì)的影響下會(huì)對(duì)鋼軌造成傷損。鋼軌傷損會(huì)加劇線路的不平順，列車(chē)通過(guò)時(shí)會(huì)使列車(chē)產(chǎn)生劇烈震動(dòng)和噪聲，加劇輪對(duì)蛇形運(yùn)動(dòng)，減少了鋼軌的使用壽命，縮小了鋼軌的更換周期，對(duì)行車(chē)穩(wěn)定性和安全都有影響[2-4]。通過(guò)對(duì)鋼軌的打磨，可以有效地消除鋼軌傷損，恢復(fù)鋼軌軌頭的輪廓形狀，改善輪軌關(guān)系，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命和更換周期，降低鋼軌使用成本，可以提高列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性和乘客乘坐的舒適性。

道岔作為鐵路線路的一部分，道岔處的鋼軌遭受著與直線軌道鋼軌一樣的病害[5]。這些損傷的危害是明顯的。在更高的動(dòng)力和震動(dòng)條件下，會(huì)對(duì)軌道所有部件產(chǎn)生更大的應(yīng)力。這樣，不僅降低了車(chē)輛運(yùn)行的舒適性，并且大大增加了維護(hù)線路的工作量。加之道岔的更換比較復(fù)雜，因此可以通過(guò)打磨的方式來(lái)延長(zhǎng)道岔部件的更換周期。

直線軌道安裝有一個(gè)傾斜度。而道岔鋼軌一般都因?yàn)槭┕ぴ颍怪卑惭b在軌枕上。在列車(chē)行駛過(guò)后的軌道上，發(fā)現(xiàn)側(cè)面磨耗傾向軌頂。

過(guò)去，一些鐵路機(jī)構(gòu)仍然在垂直位置按所滾軋鋼軌的輪廓打磨成型。因此，車(chē)輪和鋼軌的接觸區(qū)靠近圓角。最終，行駛的列車(chē)還將恢復(fù)磨損的輪廓，這樣，金屬損失就加倍了。所以，打磨最佳側(cè)面的外形的更好的選擇是采用像直線鋼軌一樣的打磨適應(yīng)鋼軌。這樣，車(chē)輪駛過(guò)道岔時(shí)，就產(chǎn)生較少的側(cè)面運(yùn)動(dòng)，并且打磨時(shí)，清除的金屬量也較少。

打磨能夠提供連續(xù)不斷的良好接觸條件。對(duì)于特殊的情況，可以考慮具體的目標(biāo)外形。表面疲勞，主要發(fā)生在圓角，一種低圓角面的特定外形就有益。在急彎處的側(cè)面磨損十分嚴(yán)重。不對(duì)稱(chēng)側(cè)面外形減少了這種影響。它們也可以在道岔運(yùn)用，并且有助于減少磨損。打磨恰當(dāng)?shù)膫?cè)面外形有助于提供更好的行車(chē)條件，減少道岔部件的更換，延長(zhǎng)道岔服務(wù)壽命。為了縮短未打磨軌道的長(zhǎng)度，打磨道岔區(qū)的鋼軌是十分必要的。

3 道岔區(qū)鋼軌打磨工藝

以最常見(jiàn)的單開(kāi)道岔為例，道岔主要由轉(zhuǎn)轍器、尖軌、轍叉、翼軌、護(hù)軌及連結(jié)部分組成，見(jiàn)圖1。

鋼軌波磨一般發(fā)生在鋼軌軌頂表面，側(cè)磨主要發(fā)生在鋼軌內(nèi)側(cè)面，疲勞損傷主要發(fā)生在輪軌接觸部位。這三類(lèi)病害是道岔區(qū)常見(jiàn)的傷損類(lèi)型，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的打磨作業(yè)實(shí)踐表明，這三類(lèi)病害可以通過(guò)打磨鋼軌的辦法來(lái)減輕其對(duì)鋼軌危害，減小鋼軌的不平順，保證列車(chē)通過(guò)道岔區(qū)的平穩(wěn)性和安全性。

當(dāng)在道岔區(qū)打磨鋼軌時(shí)，使用的鋼軌打磨方法與打磨直線鋼軌的方法是一樣的。首先，清除鋼軌兩側(cè)面多余的金屬。再打磨圓角和側(cè)面外形，最后打磨輪軌接觸面。但是，由于道岔區(qū)的結(jié)構(gòu)有別于直線鋼軌的結(jié)構(gòu)，因此打磨道岔區(qū)的護(hù)軌和尖軌的打磨方法是不一樣的。

3.1 護(hù)軌區(qū)域

道岔的護(hù)軌的作用是限制車(chē)輪的橫向運(yùn)動(dòng)，防止列車(chē)在通過(guò)轍叉有害空間時(shí)對(duì)轍叉尖造成沖擊或爬上轍叉心軌尖端，導(dǎo)致列車(chē)在道岔區(qū)掉道護(hù)軌是保證行車(chē)安全的重要設(shè)備。

在基本軌的外側(cè)，磨石的大小和尺寸對(duì)打磨沒(méi)有干擾，因此，不需要任何特別的打磨方式。但在打磨基本軌內(nèi)側(cè)和護(hù)軌時(shí)，由于基本軌和護(hù)軌間的距離是有限定值。所以在打磨這兩者之間的區(qū)域必須考慮磨石是否可以通過(guò)這個(gè)距離。這個(gè)距離，直接決定了打磨小車(chē)磨石的尺寸和形狀。若采用正線單元的磨石，由于其磨石厚度偏厚，限制了打磨單元在該區(qū)域的打磨角度范圍，無(wú)法對(duì)護(hù)軌與基本軌之間的區(qū)域進(jìn)行全方位打磨，而要實(shí)現(xiàn)全方位打磨，在打磨作業(yè)時(shí)，打磨列車(chē)是無(wú)法順利通過(guò)護(hù)軌區(qū)域。

若以現(xiàn)有的道岔打磨單元的磨石，厚度只有正線打磨單元磨石厚度的1/10，在打磨作業(yè)工況下，鋼軌與護(hù)軌的距離對(duì)鋼軌打磨列車(chē)通過(guò)是沒(méi)有影響的。因此使用道岔打磨單元對(duì)護(hù)軌區(qū)域進(jìn)行徹底的鋼軌外形打磨成型的是可行的。

3.2 尖軌區(qū)域

在尖軌與基本軌接觸的區(qū)域，當(dāng)尖軌打開(kāi)時(shí)，因?yàn)榧廛壓突拒壷g的距離與護(hù)軌和基本軌間的距離基本一樣，正線打磨單元的磨石在作業(yè)條件下是無(wú)法正常通過(guò)尖軌與基本軌之間的距離。

如果打磨尖軌與基本軌頭接觸處一側(cè)的金屬，容易造成更大的危害，打磨時(shí)也應(yīng)特別注意。但是，在這個(gè)區(qū)域，也存在鋼軌的病害，打磨是有必要的。總之，在尖軌打開(kāi)時(shí)，打磨角度限定在內(nèi)側(cè)70°角度內(nèi)，通常在尖軌區(qū)域打磨作業(yè)不會(huì)出現(xiàn)負(fù)面影響。

在尖軌與基本軌貼合時(shí)，鋼軌的打磨作業(yè)條件會(huì)變得更加困難和復(fù)雜。首先，鐵路車(chē)輛輪對(duì)行駛通過(guò)了基本軌，然后由基本軌穩(wěn)定地過(guò)渡到尖軌，直至車(chē)輪離開(kāi)尖軌，行駛進(jìn)入完整的鋼軌結(jié)構(gòu)。此時(shí)，由于打磨的鋼軌結(jié)構(gòu)上發(fā)生變化，打磨區(qū)域就受到從水平打磨到圓角區(qū)域轉(zhuǎn)換的限制。當(dāng)磨石以?xún)A向側(cè)面的角度工作時(shí)，打磨單元在從基本軌駛?cè)爰廛墪r(shí)，一定會(huì)切割到基本軌。為了安全起見(jiàn)，在該區(qū)域，打磨僅在內(nèi)側(cè)1°到內(nèi)側(cè)70°的打磨角度間進(jìn)行。正線打磨單元的打磨角度在內(nèi)側(cè)45°到外側(cè)30°，無(wú)法在該區(qū)域進(jìn)行全方位有效地打磨。

在尖軌與基本軌貼合時(shí)，由于打磨機(jī)械設(shè)備打磨精度的限制，為了不損害道岔結(jié)構(gòu)，許多鐵路工務(wù)部門(mén)不會(huì)打磨尖軌。但是，實(shí)踐表明打磨該區(qū)域是有益的。因?yàn)椋廛壊粫?huì)因?yàn)榇蚰チ虽撥壉砻娼饘俣軗p，打磨完成后，從基本軌過(guò)渡到尖軌將十分順滑，可以避免因打磨作業(yè)造成的軌道不平順。工務(wù)部門(mén)打磨鋼軌道岔的工作必將是全線連續(xù)打磨。

4 結(jié)論

1）因?yàn)槟ナㄟ^(guò)護(hù)軌、尖軌和轍叉叉心的空間有限，因此在道岔區(qū)就不能使用打磨正線的大型鋼軌打磨列車(chē)進(jìn)行打磨。必須采用磨石更薄的道岔打磨單元才能使鋼軌打磨列車(chē)在作業(yè)工況下安全通過(guò)道岔。

2）道岔區(qū)鋼軌側(cè)磨易發(fā)生于內(nèi)側(cè)45°到內(nèi)側(cè)70°，而正線打磨單元的磨石無(wú)法對(duì)該角度范圍內(nèi)的鋼軌進(jìn)行有效地打磨。使用道岔打磨單元可以有效地治理側(cè)磨，提高車(chē)輛通過(guò)道岔的平穩(wěn)性，降低輪軌間磨耗。