城市軌道交通曲線鋼軌病害及打磨對策研究

摘 要：隨著國內軌道交通的高速發(fā)展和居民出行方式的變化，大客流運輸和高密度行車已成為軌道交通的常態(tài)，高質量、高標準的乘車體驗也越來越受到大家的關注。本文主要探討了曲線鋼軌產生的病害類型、萌生機理、影響因素和對乘車體驗的影響，并進一步探討了鋼軌病害的主要處理手段即鋼軌打（銑）磨，通過從打磨的作用、產生的效益、機具的種類、效果的對比和策略的選擇等方面進行了打磨措施的研究分析。

關鍵詞：曲線 鋼軌病害 剝離掉塊 波磨 魚鱗紋 打磨 銑磨

城市軌道交通因受周邊地理環(huán)境的制約和線路走向的需要，通常采用很多曲線設計，而曲線因為軌道、車輛的特殊結構和輪軌相互作用的影響，常常會出現(xiàn)很多鋼軌病害，曲線地段的鋼軌病害主要分為兩類：一類為曲線外軌的側磨和魚鱗紋、疲勞掉塊等；另一類為曲線內軌的波磨、壓潰掉塊等。（見圖1）這些鋼軌病害的頻繁復發(fā)，不僅降低了鋼軌的使用壽命，增加了輪軌維修成本，而且進一步促使輪軌振動引起其它部件傷損，甚至引起鋼軌斷裂，影響行車安全。另外，鋼軌病害也會產生異常振動、噪音，降低車內乘車舒適度。

1 鋼軌病害的研究分析

1.1 鋼軌病害主要原因

鋼軌是軌道交通電客車的直接載體，主要起承載、導向、傳力的作用。在電客車動態(tài)荷載的反復沖擊作用下，軌面產生滾動接觸疲勞塑性流動，隨著高頻次、高密度的輪軌接觸，裂紋在接觸疲勞層加劇擴展，外加曲線粘滑振動、加減速、雜散電流腐蝕等因素的共同作用下，導致鋼軌踏面陸續(xù)出現(xiàn)疲勞斜裂紋、波浪形磨耗、壓潰裂損、剝離掉塊、肥邊等諸多損傷病害，并不斷劣化、破壞鋼軌斷面形狀及表面質量，惡化鋼軌與車輪接觸關系，加劇病害程度和范圍。

1.2 鋼軌病害主要類型

1.2.1 魚鱗紋伴隨剝離掉塊

鋼軌魚鱗紋傷損是指在車輪滾動與蠕滑交變應力作用下，軌面內部產生的最大剪切應力大于鋼軌材料的屈服強度極限，致使表層塑性變形并逐漸擴展，隨著不斷地高頻次輪軌切向力和法向力的交變作用，塑性流動發(fā)展為不可逆，當其達到鋼材的變形極限，作用邊便出現(xiàn)細微的斜裂紋，并向下擴展、相互貫通出現(xiàn)零星掉塊，若不及時修整，進一步發(fā)展為鋼軌踏面、軌距角的大面積剝離掉塊。

1.2.2 波磨伴隨剝離掉塊

鋼軌波磨的萌生、發(fā)展較為復雜，目前還未形成統(tǒng)一定論，主要原因大致為輪軌間的蠕滑和法向力的波動引起了粘滑振動的產生，粘滑振動進一步引起鋼軌踏面塑性變形，最終產生波磨。由于內股鋼軌的荷載較小，更易引起粘滑振動，所以波磨更多地出現(xiàn)在內軌。部分特定波長的波磨是由軌道、車輛系統(tǒng)的共振等動力特性引起，市面上一些鋼軌調頻阻尼產品便是基于此機理避開或改變軌道結構相關主頻來減緩波磨的產生、發(fā)展。

1.3 鋼軌病害影響因素

影響鋼軌病害發(fā)展的因素較多，下面主要從線路的設計構造和后期的養(yǎng)護維修進行分析。影響鋼軌魚鱗紋傷損的發(fā)展主要與鋼軌材質、曲線半徑、軌面介質、線路整修有關，影響鋼軌波磨的發(fā)展主要與曲線半徑、軌道剛度及阻尼、軌道幾何參數(shù)有關。

（1）鋼軌材質。鋼軌的金相組織穩(wěn)定性越差，疲勞強度便越低，其傷損的萌生、發(fā)展概率也更快，如U71Mn差于U75V鋼軌。（2）曲線半徑。曲線半徑越小，內外滾動半徑差越大，輪軌的側向剪切力、蠕滑效應隨之更大，鋼軌磨耗、疲勞加劇。通過分析蘭州1號線的鋼軌病害，其中R≤450m小半徑曲線占全部剝離掉塊67.8%；占全部波磨44.7%，占全部魚鱗傷34.7%。（3）軌道剛度。減小垂向軌道剛度，加大軌道彈性，有利于減小對鋼軌的沖擊，減緩病害的發(fā)展。（4）軌道幾何形位。設計、施工或養(yǎng)護導致的過（欠）超高、軌距、軌底坡的不同偏差也對鋼軌病害產生不同差異的影響。（5）軌面介質。主要是露天地段雨水或鋼軌涂油器油脂滲入初期的魚鱗紋，在列車的擠壓下產生油楔效應，加劇微裂紋的快速擴展。（6）減振道床。隨著軌道交通周邊環(huán)境對減振效果的高需求，較多的減振結構因能量守恒原理出現(xiàn)了更多的內部損傷，通過分析蘭州1號線鋼軌踏面病害，減振道床段病害占全部鋼軌剝離掉塊73.7%，占全部鋼軌踏面波磨82.3%，占全部鋼軌魚鱗傷87.5%。（7）線路整修。主要從曲線的圓順度整治和初期疲勞損傷的預防性打磨，使輪軌保持良好的接觸關系，減小輪軌接觸應力。

另外，鋼軌病害還與軌道存在反向曲線、夾直線過短、豎緩重疊、大坡道等線路設計要素有關，這些因素導致輪軌受力更加復雜，促使鋼軌病害加劇發(fā)展。

1.4 鋼軌病害處理方式

為了消除鋼軌病害，滿足地鐵安全、舒適的要求，除了優(yōu)化線路幾何尺寸來改善輪軌關系、減緩病害發(fā)展外，行業(yè)內消除病害的主要做法有鋼軌打（銑）磨、更換鋼軌兩種方式。

1.4.1 鋼軌打（銑）磨

可去除鋼軌病害，恢復鋼軌廓形，改善輪軌接觸狀態(tài)，延長鋼軌服役壽命，由于其作業(yè)高效性、明顯的經濟效益和社會效益，受到行業(yè)內各大地鐵的廣泛應用，也被確定為鋼軌病害的優(yōu)先處理措施。

1.4.2 更換鋼軌

因其流程復雜、風險較大，而且成段鋼軌的提前下線，不僅大大增加了軌道運營成本，也造成了不必要的資源浪費。因此只有在鋼軌多次養(yǎng)修達到容限標準或鋼軌缺陷發(fā)展到無法通過打磨修正時才更換。

2 鋼軌打（銑）磨對策研究分析

2.1 鋼軌打（銑）磨作用

鋼軌打（銑）磨總體來說是為了修正鋼軌斷面形狀，改善鋼軌表面的質量、廓形，減少或消除軌面的疲勞裂紋、塑性變形和剝離掉塊等缺陷，改善輪軌接觸關系，減少輪軌接觸應力，滿足輪軌接觸特性，提高鋼軌的表面平順度和對列車高速平穩(wěn)運行的導向能力，降低車輛及軌道部件的惡化率，減小鋼軌、車輪的損傷風險，降低對鋼軌探傷等的影響。

2.2 打（銑）磨社會經濟效益

鋼軌打（銑）磨，雖然成本較貴，但其產生的社會經濟效益也很明顯：顯著降低運營養(yǎng)修成本，延長鋼軌至少一倍使用壽命；降低鋼軌、扣件及車輪的損傷、失效風險，減少運營行車隱患；降低車內噪音，提高乘車體驗，降低傳遞至地表附屬建筑物的振動，減少沿線居民投訴。

2.3 軌道交通行業(yè)內現(xiàn)狀

2.3.1 打（銑）磨設備類型

目前行業(yè)內主流打（銑）磨機具為小型的鋼軌打磨機和大型的鋼軌打磨車、鋼軌銑磨車三類。

2.3.2 行業(yè)內設備情況

考慮鋼軌病害的危害性和打磨的高效性、高效益，目前軌道交通行業(yè)內基本都購置了鋼軌打磨車，更有部分一線地鐵購置更昂貴的鋼軌銑磨車來全面、徹底地修正鋼軌問題；部分地鐵嘗試更靈活、更具性價比的方式即租賃鋼軌打（銑）磨服務，部分網(wǎng)絡化運營地鐵在已有打磨車的基礎上，為了精細化、精益化、精準化的養(yǎng)修，也在探索租賃方式，用鋼軌銑磨服務來處理中度及以上鋼軌病害、用快速打磨服務進行全線范圍的預打磨。鋼軌打磨機，因為單個打磨單元，手持操作，打磨效率低、修復精度差，可處理的病害深度有限，加之近距離產生的顆粒物對人體肺部影響大，基本只用來修復打磨車無法打磨的病害。

2.3.3 主流打（銑）磨設備對比

主流打（銑）磨設備對比及主要參數(shù)見表2。

2.3.4 行業(yè)內打（銑）磨經驗

根據(jù)地鐵病害處理效果、經驗，考慮設備的處理能力和經濟效益，不同程度的病害，往往采用不同的打（銑）磨設備更具性價比，以下為可借鑒的處理方式。（表３）

2.4 行業(yè)內打磨策略

2.4.1 預打磨

主要用于在建新線鋼軌的處理，通常在開通前進行預打磨，消除踏面在軋制過程中產生的脫碳層、缺陷及施工原因造成的砸傷、劃傷、銹蝕等造成的初始不平順，以提升軌道的縱向平順性。隨著國內日益增長的高標準乘車需求，越來越多地鐵重視鋼軌預打磨，一般通過租賃快速打磨服務對全線預打磨。

2.4.2 預防性打磨

主要用于鋼軌病害擴展深度不超過0.3 mm時進行周期性打磨，減緩滾動接觸疲勞裂紋的發(fā)展，預防進一步產生剝離、掉塊、壓潰、肥邊等病害。這是根據(jù)鋼軌表面疲勞損傷的產生機理和發(fā)展規(guī)律，也是防止鋼軌加劇磨耗、裂損、惡化的最佳時機。

預防性打磨可降低鋼軌病害惡化的概率，因其去除量小，相比修復性打磨可更好地延長鋼軌壽命，延長軌道的中大修時間，拉大線路的換軌周期，具有更好的經濟性，已被各大地鐵重視，最大化利用自有打磨車開展預防性打磨。如某地鐵對R≤800m曲線預防性打磨1遍次/年，對R＞800m曲線預防性打磨1遍次/3年。

2.4.3 修復性打（銑）磨

主要用于消除軌道交通運營中一些曲線上產生的嚴重波磨、剝離掉塊、疲勞魚鱗傷、壓潰、肥邊和局部點蝕等損傷，由于病害深、范圍廣、破壞大，需采用打（銑）磨深度更大的措施去修復斷面、廓形。

此種措施因磨削或銑削量大，在多次修復性處理后達到鋼軌垂磨限值（11mm）后便要換軌，其經濟性相對較差，會縮短鋼軌服役期，但在實際養(yǎng)護中，由于鋼軌病害較多，動車次數(shù)有限，不得不采取修復性打磨策略。

2.4.4 輪軌噪聲打磨

在高頻次輪軌激擾作用下，部分曲線輪軌接觸條件劣化導致噪聲異常，行業(yè)內通常也采取鋼軌打磨來改善輪軌關系，從而降低異常噪聲，提升服務質量。

3 結語

城市軌道交通線路，因小半徑曲線多、行車密度大、啟停及加減速頻次高、減振形式多樣、平縱斷面復雜等原因，導致鋼軌病害點多、面廣、頻發(fā)，主要類型為外軌的疲勞魚鱗紋伴隨掉塊、內軌的波磨伴隨掉塊。軌道幾何尺寸的精細化養(yǎng)修只能起到有限的減緩作用，更多的處理方式為鋼軌的預防性打磨和修理性打磨。考慮最佳的經濟、社會效益，局部的點狀病害可由小型機具靈活打磨；針對一定范圍鋼軌魚鱗紋、掉塊或波磨深度不超過0.3mm的鋼軌病害，采取靈活性的預防性打磨措施，防止病害進一步惡化、發(fā)展，也是打磨經濟性最好的時機；針對大范圍出現(xiàn)中度病害或剝離掉塊時，采取鋼軌銑磨則是一種效果較好、成本較低、效率較高的可選方式。因此，實際整治中應采用多樣化的打（銑）磨策略，以全方位應對運營中出現(xiàn)的鋼軌病害，進而延長鋼軌及車輪使用壽命，改善輪軌關系，消除行車隱患，提高乘車舒適度和服務質量。

參考文獻：

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