砂輪曲面打磨技術(shù)在高速鐵路道岔打磨中的應(yīng)用

俞喆 馬國祥 宋松 杜涵秋 李晨光 張訓(xùn)全

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.浙江省軌道交通運(yùn)營管理集團(tuán)有限公司，杭州 310005；3.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司徐州工務(wù)段，江蘇 徐州 221004

道岔是機(jī)車車輛從一股軌道轉(zhuǎn)入或越過另一股軌道時必不可少的線路設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用壽命短、維修養(yǎng)護(hù)投入大等特點(diǎn)，一直以來是線路的薄弱環(huán)節(jié)［1］。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，高速鐵路道岔暴露的問題隨之增加，主要表現(xiàn)為動車組直向過岔穩(wěn)定性下降誘發(fā)晃車、構(gòu)架橫向加速度報警、抖車等異常振動，道岔傷損（側(cè)磨、魚鱗紋、剝離掉塊等）導(dǎo)致鋼軌使用壽命下降等，極大影響了鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩院褪孢m性。針對這些問題，鐵路部門除了對道岔線型和幾何尺寸進(jìn)行排查外，基本只能通過鋼軌打磨處理。目前，國內(nèi)主要采用CMC‐20 型打磨車和人工小型打磨設(shè)備打磨道岔，相關(guān)道岔打磨工藝經(jīng)過多年研究已經(jīng)較為成熟。文獻(xiàn)［2］作為我國高速鐵路鋼軌及道岔打磨管理文件，明確規(guī)定了道岔打磨相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和驗收要求。文獻(xiàn)［3］基于輪軌匹配關(guān)系，結(jié)合動車組異常振動的處理經(jīng)驗，獲得了適合我國的高速鐵路鋼軌及道岔打磨工藝。文獻(xiàn)［4］通過對武廣高速鐵路、海南東環(huán)線、廣珠城際鐵路、杭深線光帶不良道岔的調(diào)查和分析，提出了對應(yīng)的大機(jī)打磨方案并對打磨效果進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［5］根據(jù)京滬高速鐵路濟(jì)南局管內(nèi)存在魚鱗紋、波磨、光帶不良等病害道岔的打磨經(jīng)驗，總結(jié)了高速鐵路道岔打磨前調(diào)查、方案制定和小機(jī)配合打磨的流程。以上文獻(xiàn)均是基于傳統(tǒng)的端面打磨技術(shù)形成的打磨工藝或規(guī)范。隨著打磨技術(shù)的發(fā)展，新型的曲面打磨技術(shù)引入道岔打磨，但該打磨技術(shù)進(jìn)入國內(nèi)時間較短，相關(guān)工藝規(guī)范還未完善。因此，本文對新型曲面打磨技術(shù)的打磨工藝和打磨質(zhì)量進(jìn)行研究，以便提高高速鐵路道岔的打磨質(zhì)量。

1 傳統(tǒng)道岔打磨技術(shù)及存在問題

1.1 砂輪端面打磨技術(shù)

砂輪端面打磨技術(shù)為國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的鋼軌打磨工藝，其基本原理見圖1。多個打磨砂輪以不同的角度α沿鋼軌縱向排列，α對應(yīng)鋼軌廓形上的打磨角度，在電機(jī)的驅(qū)動下砂輪以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，同時以一定的作業(yè)速度v沿鋼軌行進(jìn)。在壓力F作用下，砂輪端面磨粒侵入鋼軌表層并與其形成相對運(yùn)動，從而去除鋼軌表層材料［6］。通過一定數(shù)量不同角度和橫移量的砂輪組合，輔以合理的打磨功率、作業(yè)速度和打磨遍數(shù)，即可完成對鋼軌廓形的包絡(luò)式打磨，得到目標(biāo)廓形。

圖1 砂輪端面打磨技術(shù)原理

國內(nèi)道岔打磨作業(yè)的主力裝備為CMC‐20 型打磨車（圖2）。CMC‐20 型打磨車采用傳統(tǒng)的端面打磨技術(shù)，擁有20 個打磨角度和壓力可調(diào)的砂輪（每側(cè)10 個），作業(yè)速度為5 ～10 km/h，單遍鋼軌頂面切削量不大于0.1 mm，一般需6 ～7 遍才能完成整個鋼軌軌頭的覆蓋打磨，可進(jìn)行左右股鋼軌的非對稱精細(xì)化打磨，不易產(chǎn)生砂輪起落點(diǎn)的周期性磨痕，但存在切削量小、打磨效率低、道岔打磨受限區(qū)域多等缺點(diǎn)。

圖2 CMC‐20型打磨車

1.2 道岔打磨存在的問題

國內(nèi)道岔打磨原則是以大機(jī)打磨為主，小機(jī)打磨為輔。由于砂輪端面打磨技術(shù)限制，當(dāng)砂輪打磨負(fù)角度時，鋼軌非工作邊需預(yù)留砂輪放置空間，導(dǎo)致道岔在尖軌及心軌區(qū)域存在打磨受限區(qū)（圖3），該區(qū)域由人工小機(jī)進(jìn)行補(bǔ)充打磨。通過大機(jī)和小機(jī)結(jié)合打磨的方式，完成整組道岔的貫通打磨。

圖3 道岔打磨受限區(qū)（單位：mm）

我國大機(jī)打磨施工單位為路局工務(wù)機(jī)械段，不負(fù)責(zé)人工小機(jī)打磨，道岔尖軌和心軌受限區(qū)的小機(jī)補(bǔ)充打磨由工務(wù)段或委外的專業(yè)隊伍完成，時效性較差，個別道岔在大機(jī)打磨后幾年內(nèi)都未進(jìn)行小機(jī)補(bǔ)充打磨，易出現(xiàn)以下問題。

1）隨著道岔鋼軌的周期性打磨和自然磨耗，道岔受限區(qū)鋼軌外側(cè)廓形普遍存在正偏差超限情況，對應(yīng)圖4（a）中橫坐標(biāo)-25 ～ -10 mm 區(qū)段，同時該區(qū)域鋼軌光帶逐漸變寬并偏向鋼軌外側(cè)，見圖4（b）。道岔大機(jī)打磨越頻繁，服役時間越長，受限區(qū)鋼軌外側(cè)廓形正偏差超限越嚴(yán)重，劣化了輪軌關(guān)系，導(dǎo)致動車組過岔穩(wěn)定性下降，引起動車組低頻晃車等問題。

圖4 道岔打磨受限區(qū)鋼軌典型廓形和光帶

2）采用砂輪端面打磨時，尖軌及心軌寬度較窄處容易出現(xiàn)過量打磨從而破壞廓形，因此規(guī)定道岔尖軌及心軌寬度小于20 mm 以下斷面禁止打磨［2］。大機(jī)砂輪會在上述位置起落，導(dǎo)致該位置鋼軌縱向平直度存在突變。若小機(jī)補(bǔ)充打磨不及時，道岔大機(jī)多次打磨后易導(dǎo)致道岔尖軌及心軌的縱向平順性下降。

2 砂輪曲面打磨技術(shù)及特點(diǎn)

砂輪曲面打磨技術(shù)是利用砂輪的圓周面作為工作面的鋼軌打磨工藝，其基本原理見圖5。多個砂輪以不同的切角γ（砂輪中心軸與軌道水平面的夾角）和偏角β（砂輪旋轉(zhuǎn)面與軌道縱斷面的夾角）沿鋼軌縱向排列，砂輪在外界作用下形成與鋼軌表面的相對運(yùn)動，同時以作業(yè)速度v沿鋼軌行進(jìn)，在壓力F作用下砂輪切削鋼軌。砂輪在切削加工中的自銳特征，使得其和鋼軌之間的接觸面形狀隨著壓力F、砂輪轉(zhuǎn)速n、作業(yè)速度v和砂輪旋轉(zhuǎn)面方向（γ和β）的變化而變化，最終實(shí)現(xiàn)對鋼軌表面的三維整形。

圖5 砂輪曲面打磨技術(shù)原理

根據(jù)砂輪是否自帶動力旋轉(zhuǎn)，砂輪曲面打磨技術(shù)分為被動式砂輪曲面打磨技術(shù)和主動式砂輪曲面打磨技術(shù)兩種。被動式砂輪曲面打磨技術(shù)利用軌道車將無動力驅(qū)動的砂輪在鋼軌表面上高速拖行，使砂輪和鋼軌表面形成相對運(yùn)動切削鋼軌。為了保證切削量，其作業(yè)速度較高，一般為60 ～80 km/h。由于道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜且長度較短，被動式砂輪曲面打磨作業(yè)速度過高導(dǎo)致無法精確控制砂輪起落點(diǎn)，不宜在道岔打磨上應(yīng)用。主動式砂輪曲面打磨技術(shù)利用電機(jī)驅(qū)動砂輪形成高速旋轉(zhuǎn)切削鋼軌。由于砂輪轉(zhuǎn)速較高，為防止作業(yè)速度過快導(dǎo)致砂輪在鋼軌上縱向跳動，一般將作業(yè)速度控制在5 km/h 以下，因而更適合在道岔打磨上應(yīng)用，同時其具備以下特點(diǎn)。

1）打磨角度范圍大。通過不同厚度砂輪的組合完成鋼軌表面的覆蓋打磨，同時配合一定的砂輪旋轉(zhuǎn)面方向，可實(shí)現(xiàn)打磨角度約-45° ～ +70°，相比傳統(tǒng)砂輪端面打磨技術(shù)的打磨范圍（-15°～+60°）更大。

2）打磨受限區(qū)小。砂輪端面打磨技術(shù)需要鋼軌工作邊和非工作邊預(yù)留砂輪放置空間，而砂輪曲面打磨技術(shù)相當(dāng)于將砂輪立在鋼軌表面上，占用打磨空間小，故可在傳統(tǒng)道岔打磨的受限區(qū)（尖軌及心軌區(qū)域）以及安裝有護(hù)軌、記軸器、溫調(diào)器、軌道自動潤滑裝置、紅外線探頭、道口板等區(qū)域無障礙打磨。

3）打磨切削能力強(qiáng)。砂輪工作面的線速度會影響砂輪的切削能力，線速度越大，切削能力越強(qiáng)。對于圓形砂輪，其圓周面線速度最高，砂輪曲面打磨技術(shù)得益于該優(yōu)勢，具備比砂輪端面打磨技術(shù)更大的切削能力。從目前已經(jīng)服役的裝備來看，主動式砂輪曲面打磨技術(shù)單遍軌頂面切削量可達(dá)0.2 ～0.3 mm，而砂輪端面打磨技術(shù)單遍軌頂面切削量約為0.1 mm。

4）打磨時火花方向可控。砂輪端面打磨時火花會往兩側(cè)飛濺，若防護(hù)措施不到位，極易對軌道兩側(cè)設(shè)施造成損害，甚至造成火災(zāi)。砂輪曲面打磨技術(shù)通過控制砂輪的轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)面方向（偏角β），保證打磨火花方向在兩股鋼軌之間，極大地降低了風(fēng)險

5）打磨后鋼軌表面質(zhì)量好。砂輪端面打磨精度取決于多個直線段逼近鋼軌目標(biāo)廓形曲線的精度，打磨后鋼軌表面不可避免會存在很多平面和棱線。理論上打磨砂輪數(shù)量越多，打磨角度布置越密，打磨后鋼軌廓形越貼近連續(xù)曲線。而砂輪曲面打磨技術(shù)利用不同厚度砂輪圓周面“自銳”特征形成的特定曲面，通過多個砂輪在不同旋轉(zhuǎn)面方向和橫移量上的組合，可得到更為光滑的鋼軌表面，打磨后鋼軌廓形的曲線連續(xù)性更好，不會形成打磨平面。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及打磨效果

目前，已經(jīng)在國內(nèi)應(yīng)用的主動式砂輪曲面打磨裝備是意大利MECNO 公司研制的MS‐10C 打磨車（圖6），其總長約17 m，打磨作業(yè)速度0.8～3.0 km/h，打磨角度為鋼軌外側(cè)-45°到內(nèi)側(cè)+70°，最小作業(yè)曲線半徑20 m，最大作業(yè)坡度60‰，砂輪起落控制精度0.1 m，打磨砂輪數(shù)量10個。基本打磨工藝如下：先采用磨石砂輪對道岔全區(qū)段進(jìn)行廓形打磨（尖軌及心軌寬20 mm 以下區(qū)域除外），再采用紙砂輪對道岔尖軌及心軌寬20 mm 以下區(qū)域進(jìn)行拋光打磨，以保證道岔縱向的平穩(wěn)過渡，完成整組道岔的貫通打磨。

圖6 主動式砂輪曲面打磨裝備MS‐10C打磨車及其砂輪

MS‐10C打磨車自引入國內(nèi)以來，相繼在國內(nèi)高速鐵路、重載鐵路及城市軌道交通鋼軌及道岔上進(jìn)行了打磨應(yīng)用，效果良好。以成蒲高速鐵路道岔打磨為例，對其打磨效果進(jìn)行評價。

1）道岔鋼軌廓形。成蒲高速鐵路鋪設(shè)原標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m 鋼軌道岔，打磨目標(biāo)廓形為60D，經(jīng)MS‐10C 打磨車打磨3 ～ 4 遍后，依據(jù)鐵總運(yùn)〔2014〕357 號《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》對崇州站5#道岔鋼軌廓形進(jìn)行了抽檢和分析，測點(diǎn)位置見圖7，結(jié)果見表1。可知，主動式砂輪曲面打磨后實(shí)測廓形偏差均在鐵總運(yùn)〔2014〕357 號范圍內(nèi)，表明其具備高效率、高質(zhì)量的廓形打磨能力。

圖7 道岔MP1—MP6測點(diǎn)位置

表1 MP1—MP6打磨后實(shí)測廓形與設(shè)計廓形最大偏差

2）粗糙度和表面質(zhì)量。使用粗糙度儀對MP1—MP6 點(diǎn)測量，打磨后鋼軌表面粗糙度不大于3 um，滿足鐵總運(yùn)〔2014〕357 號中不大于10 um 的要求。由于砂輪曲面打磨技術(shù)能夠保持軌頭的連續(xù)圓弧特征，所以打磨后鋼軌表面未形成小平面（圖8），比傳統(tǒng)的砂輪端面打磨技術(shù)具有明顯優(yōu)勢。另外，打磨后表面未出現(xiàn)連續(xù)發(fā)藍(lán)帶和周期性磨痕，表面質(zhì)量良好。

圖8 砂輪端面打磨和曲面打磨后鋼軌表面狀態(tài)對比

3）道岔受限區(qū)。與砂輪端面打磨技術(shù)不同，主動式砂輪曲面打磨技術(shù)會使砂輪圓周面形成與鋼軌廓形相似的圓弧曲面，砂輪形成的圓弧曲面寬度與打磨部位的鋼軌斷面寬度成正比。因此，在采用磨石砂輪打磨尖軌及心軌變截面區(qū)域時，應(yīng)沿尖軌由寬變窄的方向打磨，避免出現(xiàn)窄圓弧破壞尖軌較寬區(qū)域廓形的問題。采用磨石砂輪打磨完后，更換紙砂輪對尖軌及心軌寬20 mm 以下區(qū)域進(jìn)行拋光打磨，進(jìn)一步提高尖軌及心軌的平順性。道岔尖軌和心軌受限區(qū)經(jīng)主動式砂輪曲面打磨后表面狀態(tài)見圖9，可見原受限區(qū)均完成了覆蓋打磨。

圖9 道岔尖軌和心軌受限區(qū)打磨后狀態(tài)

4）動態(tài)指標(biāo)。打磨后動檢車檢測結(jié)果顯示，成蒲高速鐵路岔區(qū)幾何尺寸，長波高低和垂向、橫向加速度等均無超限現(xiàn)象，動態(tài)軌道質(zhì)量指數(shù)均值上行達(dá)1.88，下行達(dá)1.80，表明主動式砂輪曲面打磨技術(shù)可顯著提高岔區(qū)的動態(tài)平順性，打磨效果良好。

4 結(jié)論

1）主動式砂輪曲面打磨技術(shù)具有打磨角度范圍大、打磨受限區(qū)小、打磨切削能力強(qiáng)、打磨表面質(zhì)量好、打磨火花方向可控等優(yōu)點(diǎn)，適合在道岔區(qū)域打磨。

2）現(xiàn)場應(yīng)用表明，采用主動式曲面打磨技術(shù)，只需要3 ～4遍即可完成岔區(qū)鋼軌的廓形打磨，打磨后道岔鋼軌廓形偏差符合鐵總運(yùn)〔2014〕357 號《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求，粗糙度不大于3 um，鋼軌表面無小平面、連續(xù)發(fā)藍(lán)和周期性磨痕；通過磨石砂輪和紙砂輪的配合使用，可對道岔打磨受限區(qū)進(jìn)行貫通打磨，顯著提高岔區(qū)的動態(tài)平順性。