高速鐵路道岔鋼軌魚鱗紋病害小型機械打磨技術

張金 田常海 俞喆 石瑞喜 劉超 李晨光

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.中國鐵路北京局集團有限公司北京高鐵工務段，北京 100860

我國高速鐵路主要鋪設18 號和42 號道岔。開通前道岔鋼軌要進行預打磨，開通后按一定周期進行預防性打磨，對傷損道岔鋼軌應及時進行修理性打磨。鋼軌打磨是消除鋼軌病害、修正軌頭廓形、改善輪軌匹配關系的有效手段，已得到廣泛應用［1-4］。經過多年研究和實踐，道岔大型機械打磨技術日趨成熟，中國鐵路總公司頒布了Q/CR 681—2018《高速鐵路鋼軌與道岔大型機械打磨驗收技術規范》。

新建高速鐵路線路開通前道岔鋼軌預打磨時，由于打磨時間有限，一般僅使用大型機械打磨直向道岔，不打磨側向道岔。另外，由于道岔曲線無法設置超高，側向道岔鋼軌魚鱗紋病害出現較早，且比較嚴重。采用大型機械打磨道岔時，轉轍器和轍叉部分的非標準斷面組合廓形區域存在限打區［5-6］，不能進行整組道岔貫通打磨，需要使用小型機械進行補充打磨。小型機械打磨較為靈活，可多機聯合作業，打磨效率與大型機械相差不大；同時，使用小型機械打磨道岔時無限打區，可以實現整組道岔貫通打磨。目前小型機械打磨廣泛用于整治波磨、魚鱗紋、擦傷、硌傷等鋼軌病害［7-8］，但實際應用時大多不是多機聯合作業，打磨效率較低，一個天窗點無法徹底消除鋼軌病害。

本文對京滬高速鐵路廊坊站6#道岔（采用高速鐵路18 號道岔）的鋼軌魚鱗紋病害分布規律進行研究，給出打磨目標廓形，研制打磨廓形模板，提出道岔轉轍器區域魚鱗紋病害漸進式打磨策略和曲導軌區域打磨廓形驗收標準，并進行現場應用。

1 道岔區鋼軌魚鱗紋病害分布規律

高速鐵路18 號道岔基本結構如圖1 所示，其中轉轍器部分（尖軌為熱處理鋼軌）對應5#—41#軌枕，連接部分（導軌為熱軋鋼軌）對應42#—89#軌枕，轍叉部分（心軌為熱處理鋼軌）對應90#—117#軌枕。

圖1 高速鐵路18號道岔基本結構

使用渦流探傷儀檢測廊坊站6#道岔鋼軌魚鱗紋病害情況。結果表明，魚鱗紋病害主要分布在側向道岔曲上股鋼軌，魚鱗紋深度及對應軌枕號見表1。可知：道岔鋼軌魚鱗紋深度與鋼軌強度有關，直基本軌（-7#軌枕至尖軌尖端）及曲導軌（42#—89#軌枕）采用強度較低的熱軋鋼軌，魚鱗紋深度大于等于0.5 mm；曲尖軌（尖軌尖端至14#軌枕）及心軌（90#—117#軌枕）采用強度較高的熱處理鋼軌，魚鱗紋深度小于等于0.3 mm。

表1 廊坊站6#道岔曲股鋼軌魚鱗紋檢測結果

2 打磨目標廓形及模板

根據高速鐵路18號道岔的結構特點，按照輪軌合理匹配原則，提出如下目標廓形：尖軌寬度50 mm 以下的轉轍器組合廓形區域，采用道岔設計圖中的標準廓形（即60 kg/m鋼軌標準廓形）；尖軌寬度50 mm以上的曲導軌標準廓形區域，采用60N標準廓形。

根據打磨目標廓形，分別研制尖軌寬度50 mm 以下的轉轍器組合廓形區域打磨廓形模板（60 kg/m鋼軌標準廓形）和尖軌寬度50 mm 以上的曲導軌標準廓形區域打磨廓形模板（60N 標準廓形），如圖2 所示。由于道岔存在加工誤差和降低值，轉轍器組合廓形區域打磨廓形模板中相對于基本軌的尖軌部分可上下左右移動。打磨過程中，使用廓形模板與打磨廓形進行對比，以確定每遍打磨的打磨角度和打磨量，直至基本吻合。然后使用便攜式廓形儀進行打磨廓形檢測，分析實測廓形與目標廓形的偏差情況，判斷是否達到目標廓形的標準要求，最終實現目標廓形打磨。

圖2 高速鐵路18號道岔打磨廓形模板

3 轉轍器區域魚鱗紋病害漸進式打磨

采用漸進式打磨策略，對轉轍器區域鋼軌魚鱗紋病害進行整治，具體打磨整治過程如下。

1）將道岔打磨區域分為三段：第一段為-10#—4#軌枕（直基本軌段）；第二段為4#—37#軌枕（尖軌尖端至曲尖軌非工作邊與直基本軌工作邊距離100 mm 位置）；第三段為37#—93#軌枕（曲尖軌非工作邊與直基本軌工作邊距離100 mm位置至曲導軌后4根軌枕）。

2）考慮小型打磨機械效率較低，分四個天窗點進行打磨作業。第一個天窗點斥離曲尖軌和直基本軌（圖3），按每2°～ 4°進行角度轉換，打磨曲上股37#—93#軌枕魚鱗紋，打磨量約為0.2 mm；第二個天窗點閉合曲尖軌和直基本軌（圖4），按每2°～4°進行角度轉換，打磨曲上股4#—37#軌枕組合廓形，打磨量約為0.3 mm；第三個天窗點打磨直基本軌段-10#—4#軌枕魚鱗紋和廓形，消除魚鱗紋，修正軌頭廓形；第四個天窗點打磨曲下股鋼軌，打磨深度與曲上股鋼軌基本相同，避免出現反超高，并滿足目標廓形相關要求。

圖3 曲尖軌和直基本軌斥離狀態下打磨魚鱗紋

圖4 曲尖軌和直基本軌閉合狀態下打磨組合廓形

在曲尖軌和直基本軌斥離狀態下，使用小型道岔打磨機具從曲尖軌工作邊的底部開始對曲尖軌和直基本軌魚鱗紋進行打磨；在曲尖軌和直基本軌閉合狀態下，使用多功能垂直打磨機具從直基本軌頂面最外側光帶開始向鋼軌導向面打磨，打磨過程中控制每次的打磨量，且打磨面必須有一定的重疊，確保打磨廓形符合要求。同時，由于魚鱗紋較深，單個天窗點難以完全消除，采用漸進式打磨策略，每個天窗點打磨掉一定深度的魚鱗紋，直到曲上股鋼軌魚鱗紋完全消除，然后再打磨曲下股鋼軌，避免出現反超高。

4 曲導軌區域打磨廓形驗收標準

對于高速鐵路18號道岔，曲導軌區域小型機械打磨廓形驗收位置與大型機械相同，即位于道岔中部的MP7、MP8 測點，如圖5 所示。按廓形比對方法對打磨后鋼軌廓形進行驗收，即在Y-Z坐標系內將軌頂中心線與Y= 0 重合，以軌頂切線為基準（實測廓形不旋轉），實測廓形與目標廓形在軌頂最高點處上下平齊、在Z-16 處左右對齊（圖6）。如Z-16 處發生側磨，則以工作邊未發生側磨的側邊對齊。

圖5 高速鐵路18號道岔廓形檢測位置

圖6 鋼軌打磨廓形驗收定位點

小型機械打磨效率較低，且非工作邊側-20 mm以外區域輪軌不接觸，因此，提出小型機械打磨軌頭廓形驗收標準，見表2。表中，+、-分別表示實測廓形高于、低于目標廓形。若工作邊發生側磨，只檢測未發生側磨的廓形區域。

表2 小型機械打磨軌頭廓形驗收標準

5 現場應用

利用漸進式打磨策略，使用小型道岔打磨機具、多功能垂直打磨機具對廊坊站6#道岔開展了轉轍器區域魚鱗紋病害整治和曲導軌區域廓形打磨的現場應用，結果見圖7 和表3。可知，經過多個天窗點的小型機械打磨作業，徹底消除了魚鱗紋病害，修正了軌頭廓形，打磨后鋼軌實測廓形最大偏差為+0.19 mm，滿足驗收標準要求。因此，采用漸進式打磨策略，經過多個天窗點的小型機械打磨作業，能夠徹底消除魚鱗紋病害，修正軌頭廓形，實現目標廓形。

圖7 道岔鋼軌魚鱗紋病害打磨前后對比

表3 打磨前后鋼軌實測廓形與標準廓形偏差

6 結論

1）道岔區魚鱗紋病害主要分布在道岔側向曲上股鋼軌，魚鱗紋深度與鋼軌強度大小有關。

2）根據高速鐵路18號道岔結構特點，按照輪軌合理匹配原則，提出尖軌寬度50 mm 以下的轉轍器組合廓形區域采用道岔設計圖中的標準廓形（即60 kg/m鋼軌標準廓形），尖軌寬度50 mm 以上的曲導軌標準廓形區域采用60N標準廓形。

3）采用漸進式打磨策略對道岔轉轍器區域魚鱗紋病害進行打磨，即在曲尖軌和直基本軌斥離狀態下打磨曲尖軌和直基本軌魚鱗紋病害，在曲尖軌和直基本軌閉合狀態下打磨組合廓形；曲下股鋼軌打磨深度與曲上股鋼軌基本相同，避免出現反超高。

4）道岔曲導軌區域小型機械打磨廓形驗收時，軌頂中心向非工作邊側-20 mm至工作邊側25 mm區域、軌頂中心至工作邊側25 ～32 mm 區域的廓形偏差驗收標準分別為-0.3 ～ +0.3 mm、-0.6 ～ +0.3 mm。

5）現場應用表明，采用漸進式打磨策略，經過多個天窗點的小型機械打磨作業，能夠徹底消除魚鱗紋病害，修正軌頭廓形，實現目標廓形。