城市軌道交通新軌預打磨效果分析

摘要：文章以某地城市軌道交通為樣本，發現新軌上道后的輪軌接觸關系較差，軌面容易產生明顯波紋現象。通過對實施預打磨作業的鋼軌進行調研，借鑒國內外在鋼軌平順性方面的評價方法，對預打磨后的鋼軌不平順問題進行評價分析，發現新軌預打磨對提高軌面平順性、改善輪軌接觸具有非常積極的效果。

關鍵詞：城市軌道交通；鋼軌預打磨；軌面不平順；輪軌接觸

中圖分類號：U213.2A461583

0引言

城市軌道交通受場地條件所限，施工難度大，極易造成線路的初始不平順。城市軌道交通主要是無縫線路，無縫線路具有大量的焊接接頭，焊接接頭的質量好壞直接影響鋼軌的平順度，焊接接頭處是無縫線路最薄弱的環節之一［1］。城市軌道交通設計軌底坡坡度通常為1∶40，鋼軌內側圓弧角相對抬高0.9 mm，這些因素均會導致輪軌間的不良接觸［2］。這種不良接觸在線路開通運營后將引起輪軌接觸應力過大，甚至遠超過鋼軌容許應力，很容易引起鋼軌擦傷乃至造成波浪形不平順。

鋼軌預打磨可有效解決鋼軌焊接接頭的不平順，形成與輪對匹配的鋼軌廓形［3］，促使鋼軌不平順度降低，大大減小對應頻率處的噪聲［4］，不僅提高了城市軌道交通線路開通初期的運營品質，而且節約后期車輛與軌道養護成本。

1國內外研究現狀

鋼軌預打磨這一措施于20世紀90年代首次提出，用以保持鋼軌型面和降低鋼軌疲勞［5］。自2014年起，鋼軌預打磨開始在我國高速鐵路逐漸得到廣泛應用。王慶方等［6］研究了滬寧高鐵預打磨后鋼軌表面光帶的變化，發現預打磨可以修正光帶的位置，改善輪軌關系。張聰聰等［7］通過仿真分析和現場實測，對高鐵鋼軌預打磨的效果、傷損和發展特征進行了分析。

城市軌道交通影響鋼軌質量的因素多且復雜，軌道交通本身具有行車密集、多曲線、小曲線半徑、多減振地段等特點［8-9］，因此對鋼軌打磨的需求越來越高。李克飛等［10］在2019年從理論上提出了針對時速＜160 km/h的城市軌道交通鋼構預打磨技術要求及驗收標準。作為較早開展城市軌道交通鋼軌預打磨的城市，廣州對1號線、2號線均實施了鋼軌預打磨。實踐發現，預打磨后的鋼軌光帶更加穩定，軌面均勻無瑕疵；輪軌磨合期大大縮短，減少了磨合期內輪軌的磨耗［11］。

但是，目前城市軌道交通中對于運用新軌預打磨技術的必要性仍然沒有形成共識，對其在城市軌道交通中的實際效果也沒有形成系統性的結論。本文通過對部分已經應用新軌預打磨技術的城市軌道交通進行調研，追蹤比較同一地段進行預打磨與未進行預打磨的鋼軌狀態，并對預打磨后的鋼軌從多維度進行量化評估，分析鋼軌預打磨在城市軌道交通中的實際效果。

2軌道交通新軌預打磨的方法

在某市軌道交通14號線進行預打磨作業前，對該市未采取預打磨作業的線路開通運營6個月后進行鋼軌狀態跟蹤測量。結果表明，曲線地段鋼軌軌面如圖1所示出現明顯波磨，波磨深度最深處約達到0.05 mm；直線地段軌面甚至出現了“雙光帶”。這說明未經打磨的鋼軌與車輪踏面之間存在著輪軌接觸不良的問題，不利于城市軌道交通的安全、平穩運行。鋼軌預打磨是改善輪軌關系的有效手段之一，對打磨方法和打磨后的鋼軌狀態進行研究可以為預打磨作業提供較好的技術支撐。

2.1選取打磨廓形

打磨廓形是指導打磨機進行預打磨的依據，不同的打磨廓形將導致不同的輪軌接觸位置，直接影響到鋼軌的磨耗和變形。新軌預打磨一般有3種廓形方案，分別是標準軌廓形方案、小改廓形方案和大改廓形方案。三種方案的特點如表1所示。

選取鋼軌預打磨的廓形應遵循以下原則：（1）消除鋼軌初始缺陷；（2）鋼軌打磨盡量不改變輪軌的接觸形態；（3）鋼軌打磨的廓形斷面盡可能降低金屬磨削量，以保障鋼軌壽命，并節省打磨費用。根據以上打磨原則，對線路鋼軌進行打磨試驗，選取標準軌廓形作為預打磨廓形。

2.2確定打磨深度

打磨深度是消除表面脫碳層、表面微小傷損和軌面不平順的關鍵因素。國外鐵路新軌預打磨的打磨量為0.2～0.3 mm；我國高速鐵路新軌預打磨的打磨量為0.2～0.5 mm，其中，軌頭非工作邊處的打磨量應＞0.2 mm，輪軌主要接觸部位的打磨量應＞0.3 mm。考慮到城市軌道交通小半徑曲線多、列車速度快、重量輕等特點，鋼軌磨耗速度較快，一般新軌預打磨的深度為0.1 mm。

2.3鋼軌表面硬度及粗糙度

李克飛等［10］研究表明城市軌道交通鋼軌預打磨后鋼軌表面粗糙度≤10 μm，鋼軌表面硬度應滿足其母材的硬度要求。

該市軌道交通14號線的預打磨里程達84.86 km，共打磨12遍，單次打磨總量達1 017.8 km，磨削量為0.1 mm。預打磨作業3個月后，輪軌接觸的光帶集中，且位置居中、略偏內側，寬度為20～25 mm，滿足安全運營的要求。

本次鋼軌預打磨工作完成后，選取典型區段的線路，對線路上實施預打磨前后的關鍵指標進行抽樣測試，對鋼軌預打磨質量進行量化評估。部分評估項目結果如表2所示。

3鋼軌預打磨前后軌面不平順狀態分析

3.1不平順（粗糙度）水平的計算

軌面不平順可采用粗糙度公式進行計算：

（1）

式中：Lr ——粗糙度水平（dB）；

R ——軌面不平順的均方根（μm）；

r0 ——參考值，取1 μm。

3.2軌面不平順的評價

現階段，國內對軌面不平順的評價尚無定論，本文借鑒EN13231-3：2006中的驗收標準對軌面不平順進行評價。如表3所示。

3.3鋼軌預打磨的效果分析

對預打磨作業完成3個月后的線路進行跟蹤測量，每5 km選取100 m范圍為測量區段，得出測試區段打磨前后的鋼軌表面峰峰值移動平均值。選取10～30 mm、30～100 mm、100～300 mm、300～1 000 mm這4段不同波長范圍，分別對左、右軌的鋼軌表面峰峰值移動平均值的超限情況進行分析，如表4、下頁表5所示。

由表4～5統計結果可知：

（1）對左軌進行分析：打磨前，300～1 000 mm波長段超限率為9%；打磨后，100～300 mm波長段超限率降為1%，其余10～30 mm、30～100 mm、300～1 000 mm波長段超限率均降至0。

（2）對右軌進行分析：打磨前，100～300 mm波長段超限率為7%，300～1 000 mm波長段超限率達到16%；打磨后，100～300 mm、300～1 000 mm波長段鋼軌超限率均降低至1%，10～30 mm、30～100 mm波長段鋼軌超限率均降低至0。

（3）通過4段不同波長范圍內左、右雙軌打磨前后軌面峰峰值移動平均值超限分析可知，鋼軌打磨大大降低了各個波長段鋼軌表面峰峰值移動平均值的超限率，鋼軌打磨效果顯著。

4結語

鋼軌預打磨是解決城市軌道交通新鋪設鋼軌初始不平順及鋼軌波磨等病害的有效方法。本文通過分析城市軌道交通新軌預打磨之后軌面光帶變化、鋼軌打磨前后不平順及軌面峰峰值移動平均值超限比例，可以得出如下結論：

（1）鋼軌預打磨不僅可以優化鋼軌表面廓形，且能修正光帶的位置，有效改善輪軌接觸關系。

（2）鋼軌預打磨可以消除軌頂脫碳層，同時對于運營階段造成的缺陷也有顯著的修復效果。

（3）鋼軌預打磨可以顯著緩解軌面不平順及軌面峰峰值超限率，有助于延長鋼軌波磨維修周期。

綜合以上優點，應加大新軌預打磨技術在城市軌道交通中的應用，并對預打磨的廓形設計、預打磨的質量管理做進一步研究。

參考文獻［1］翟婉明，涂貴軍，高建敏.地鐵線路鋼軌焊接區輪軌動力學問題［J］.振動.測試與診斷，2012，32（5）：701-708，858.

［2］何元勛.高速鐵路鋼軌預打磨技術探討［J］.鐵路技術創新，2013（1）：17-20.

［3］馬躍偉.高速鐵路鋼軌損傷分析與預打磨型面優化分析［D］.大連：大連理工大學，2012.

［4］李志強，劉蘭華，李耀增，等.高速鐵路鋼軌預打磨對噪聲影響研究［J］.鐵路技術創新，2021（3）：100-104.

［5］金學松，杜星，郭俊.鋼軌打磨技術研究進展［J］.西南交通大學學報，2010，45（1）：1-11.

［6］王慶方，許玉德，周宇.高鐵鋼軌預打磨效果及軌面不平順分析［J］.華東交通大學學報，2012，29（2）：1-5.

［7］張聰聰，周宇，黃旭煒，等.高速鐵路鋼軌預打磨策略及傷損發展特征［J］.華東交通大學學報，2019，36（2）：33-40.

［8］吳宗臻，王文斌.城市軌道交通鋼軌波磨評價指標及打磨驗收標準探討［J］.鐵道建筑，2018，58（1）：141-145.

［9］郭旺旺，易思蓉，王宙.160 km/h市域快速軌道交通最小豎曲線半徑的動力學分析［J］.鐵道建筑，2019，59（7）：134-136，150.

［10］李克飛，王進，黑勇進，等.城市軌道交通鋼軌預打磨技術要求及驗收標準［J］.鐵道建筑，2019，59（12）：147-150.

［11］王華川，王仲林.打磨技術在地鐵軌道養護中的實踐探討［J］.甘肅科技，2006（1）：51-53.

［12］熊衛東，周清躍，穆恩生.高速鐵路鋼軌的平順性［J］.中國鐵道科學，2000，21（3）：78-85.

作者簡介：王項（1992—），碩士，工程師，研究方向：軌道交通。