論鋼軌銑磨替代傳統打磨的必要性

蘇寶貴

（福州地鐵集團有限公司運營事業部，福建 福州 350000）

1 概述

鋼軌是引導列車運行方向，承擔列車的荷載并傳遞給結構的基礎設備。隨著運營年限的增加、運營里程的延長，鋼軌在車輪長期作用下，表面會出現波浪形磨耗、魚鱗狀裂紋等病害，出現以上病害縮短了鋼軌使用年限，影響列車的運營安全。科學做好鋼軌設備的維護保養，確保鋼軌狀態優良是確保列車運營安全、延長鋼軌使用壽命，提高列車運行舒適度的有效措施。

2 鋼軌病害現狀

福州地鐵1號線自2016年5月開通運營以來，正線在用鋼軌最長已使用約6年，由于列車運行的狀態具有左右橫移的特點，導致鋼軌表面材料會沿橫向持續摩擦形成疲勞層，當鋼軌表面的塑性形變和疲勞層累計超過限度后，便會在鋼軌表面產生一系列病害。據福州地鐵1號線鋼軌表面病害統計數據統計，鋼軌表面常見病害及成因如圖1所示。

圖1 鋼軌表面病害及產生原因

波磨谷深大等于0.3mm的線路長度為12.585km，波磨谷深小于0.3mm或軌面存在魚鱗傷及掉塊的線路長度為5.845km，合計18.43km。如圖2所示。

圖2 福州地鐵一號線鋼軌磨耗統計

圖3顯示波磨谷深從0發展至0.3mm平均歷經7個月，且磨損速率會隨波磨加深而加快，此階段平均發展速率為0.04mm/月。

圖3 波磨谷深0～0.3mm發展趨勢監測統計圖

圖4顯示波磨谷深從0.3發展至1mm平均歷經12個月，通過與0～0.3mm階段比較，同樣可以看出磨損速率會隨波磨加深而加快，此階段平均發展速率為0.05mm/月。福州地鐵1號線2022年1月探傷數據回放與分析顯示：鋼軌磨耗損傷問題項較上一年度同期增加56處。基于以上數據統計分析可以看出，鋼軌的維護工作是列車安全運行的重要保證。

圖4 波磨谷深0.3～1.0mm發展趨勢監測統計圖

3 鋼軌打磨技術原理及缺陷

3.1 打磨技術原理

鋼軌打磨作為國內地鐵行業普遍采用的鋼軌維護方式，作業機理是通過使用砂輪等打磨工具對鋼軌頂部進行材料去除以修復鋼軌廓形結構的過程，其材料得去除機理類似普通工廠所見的磨削加工。

如圖5左圖所示用砂輪對表面進行打磨時，砂輪在正壓力作用下會與鋼軌進行深接觸，其表面的磨粒在壓力作用下侵入鋼軌表層，砂輪旋轉過程會帶動磨粒劃動從而去除鋼軌表面的多余材料，使其保持平整；如圖5右圖所示為進行鋼軌廓形修復，可以沿鋼軌截面調整砂輪角度，以此保證對鋼軌整體廓形結構不同位置的材料去除需求。

圖5 鋼軌打磨技術原理圖

3.2 打磨技術存在的缺陷

（1）打磨效率低。由于砂輪磨石自身強度和功率問題，一次打磨深度只有0.01mm，遇到普通病害，需要30遍以上才能完成，對于嚴重病害打磨需要50遍以上才能完成。

（2）車輛故障率高。打磨車多采用靜液壓走行系統，整車液壓管路較多，對于設備的養護要求非常高，液壓系統故障率極高，作業過程中存在液壓油泄漏，無法走行的問題，車輛故障率高。

（3）作業要求高。由于打磨是根據現場不同的病害對多個砂輪組進行不同模式的配合作業，對打磨人員的業務技術有高的要求，需要長期的經驗積累。

（4）作業環境差。由于砂輪與鋼軌高速磨削作業，會產生大量的鐵屑，威脅作業人員的身體健康；大量鐵屑無法回收，集聚在軌行區會對地鐵列車電氣特性及軌行區精密設備造成影響。

4 銑軌技術的原理及適用性分析

4.1 銑軌技術原理

（1）預防性銑磨。預防性銑削是指通過控制和消除鋼軌表面存在的包括軌面波紋、軌頭塌落、焊接不平順、磨耗和塑性形變等鋼軌病害。通過預防性銑削方式控制表面缺陷從而調整列車豎向震動和豎向沖擊力大小，起到對鋼軌表面的預防性保護作用。

（2）損傷修復性銑磨。損傷修復性銑削是指使用被打磨成各種形狀的軌頭改善輪軌的接觸狀態，借此手段控制鋼軌病害的發生及發展。針對出現損傷的軌道表面進行修復時，需分成銑削和銑磨兩步進行，第一步銑削即采用圓周銑削技術，消除鋼軌表層的鋼軌損傷；第二步銑磨即將變形的鋼軌頭整形成為標準的鋼軌廓形，同時采用打磨盤將鋼軌表面打磨光滑。

4.2 銑軌技術優勢及適應性

（1）作業效率高。單次切削深度可達3mm，一遍即可完成軌道整修，在實現相同作業的情況下，針對磨損嚴重區段采用傳統的打磨方式需進行25遍左右。

（2）質量精度高。①采用定制的固定鋼軌廓形刀盤，鋼軌廓形修復精度高，鋼軌橫斷面輪廓精度±0.2mm；②縱向平順性精度高，可以根據不同波長控制在±0.02～±0.13mm；③鋼軌輪軌踏面光滑度高，接觸軌面光滑度約為Ra=3～5μm，不會留有微紋和斑痕。

（3）作業環境優。無鐵屑和粉塵，切屑可回收再利用，保護了作業人員的身體健康；作業時無明火。

5 案例分析

福州地鐵1號線現有波磨谷深大等于0.3mm的線路長度為12.585km，波磨谷深小于0.3mm或軌面存在魚鱗傷及掉塊的線路長度為5.845km，合計18.43km。暫定鋼軌打磨施工每個天窗點實際有效作業時間為2h，每月施工6次。

5.1 采用傳統鋼軌打磨車進行鋼軌修磨作業

鋼軌打磨車按照一遍一個角度打磨深度h=0.01mm，綜合打磨效率Qd≈5km/h，線路長度l=12.585km，單個天窗點有效作業時長tw=2h，每月天窗點數Wm=6。計算公式如下：

式中，S表示不同病害深度下鋼軌需打磨次數，L表示完成打磨修復過程中的累計打磨長度，T表示完成打磨修復過程中的累計打磨時長，W表示完成打磨修復過程中的累計打磨天窗點，M表示完成打磨修復過程中的累計打磨施工月數。

據式（1）～（5）可得：

福州地鐵1號線波磨谷深H=0.3mm以上地段理想情況打磨作業需要約7個月，但鋼軌的傷損也是隨著時間逐步發展，傳統鋼軌打磨車效率難以與鋼軌傷損速率持平，鋼軌傷損難以根治。

5.2 采用鋼軌銑磨車進行鋼軌修磨作業

鋼軌銑磨車單次打磨深度h=0.5mm，綜合打磨效率Qx≈0.5km/h。

據式（1）～（5）可得：

福州地鐵1號線波磨谷深H=0.3mm以上地段銑磨作業需要約2個月。由此可見，相較于打磨車作業的7個月，鋼軌銑磨車可以及時對鋼軌傷損進行處理。

5.3 兩種作業方式的對比

打磨與銑磨后的鋼軌均能符合鋼軌打磨驗收標準，其指標對比見表1。打磨后鋼軌如圖6，銑磨后鋼軌如圖7，鋼軌銑磨前后對比圖如圖8。

表1 銑磨車與打磨車作業方式對比表

圖6 打磨后鋼軌

圖7 銑磨后鋼軌

圖8 鋼軌銑磨前后對比圖

6 結語

目前比較成熟的鋼軌維護策略是修復性維護與預防性維護相結合，分別采用鋼軌銑磨車及鋼軌高速打磨車在不同場景進行維護。但鑒于目前地鐵線路多處于鬧市區，小半徑曲線多，加速了鋼軌波磨的發展，造成鋼軌波磨谷深大多超過0.3mm，采用傳統打磨車修復鋼軌已無法滿足鋼軌修復的需求，故鋼軌銑磨替代傳統打磨已經成為一種趨勢，逐漸被全國各地的地鐵公司采納。