俞 喆，張 金，張訓(xùn)全，高 凡，田常海

(1.中國(guó)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.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081)

鋼軌打磨技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展已經(jīng)成為高速和重載鐵路一項(xiàng)重要的鋼軌修理技術(shù)。采用鋼軌打磨技術(shù)可有效治理和控制鋼軌表面病害，改善行車平穩(wěn)性和安全性，延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命，因而在世界各國(guó)鐵路都得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。

為了規(guī)范高速鐵路鋼軌打磨作業(yè)，在中國(guó)鐵路總公司的組織下，鐵科院金化所起草了《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》(鐵總運(yùn)〔2014〕357號(hào))，對(duì)我國(guó)高速鐵路鋼軌打磨作業(yè)質(zhì)量驗(yàn)收作了詳細(xì)規(guī)定。鋼軌廓形作為衡量高速鐵路鋼軌打磨質(zhì)量的關(guān)鍵因素，在《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》中只有評(píng)定其是否合格的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，卻沒有反映打磨前后鋼軌廓形改善程度的指標(biāo)。國(guó)外已提出采用鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)[4-5](Grinding Quality Index，GQI)對(duì)打磨質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估的方法，國(guó)內(nèi)劉月明等[6]研究并使用GQI對(duì)現(xiàn)場(chǎng)打磨作業(yè)進(jìn)行了評(píng)估。目前，國(guó)內(nèi)外計(jì)算GQI的方式相似，均為GQI=n/N×100%(其中GQI為GQI的計(jì)算值，n為鋼軌廓形中符合要求的測(cè)點(diǎn)數(shù)量，N為鋼軌廓形的總測(cè)點(diǎn)數(shù)量)，這種計(jì)算方法可以直觀反映打磨前后鋼軌廓形的改善情況，但未對(duì)鋼軌各區(qū)域廓形質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)加以區(qū)分，也不能結(jié)合國(guó)內(nèi)相應(yīng)打磨標(biāo)準(zhǔn)給出打磨后鋼軌廓形是否合格，對(duì)國(guó)內(nèi)高速鐵路鋼軌廓形打磨質(zhì)量評(píng)估及驗(yàn)收針對(duì)性不強(qiáng)。

本文在借鑒國(guó)外鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》中的廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，提出了基于鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)和廓形偏差曲線的評(píng)估方法，給出了鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)的控制范圍和打磨建議，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 評(píng)估方法

1.1 鋼軌廓形打磨區(qū)域劃分及權(quán)重

隨著高速鐵路輪軌關(guān)系的深化研究，越來(lái)越多的證據(jù)表明鋼軌廓形打磨到位與否直接關(guān)系著動(dòng)車組的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)鋼軌各區(qū)域廓形對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的影響大不相同?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)：當(dāng)鋼軌軌距角(R80及R13區(qū)域)打磨不夠，即軌距角處鋼軌廓形較打磨目標(biāo)廓形(60D或60N)凸出較多時(shí)，易引起動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度報(bào)警或抖車；當(dāng)鋼軌軌距角打磨過(guò)多，即軌距角處鋼軌廓形較打磨目標(biāo)廓形(60D或60N)凹陷較多時(shí)，易引起動(dòng)車組低頻晃車[7]。

基于前期的理論研究，結(jié)合以往對(duì)動(dòng)車組報(bào)警、抖車及晃車的治理經(jīng)驗(yàn)，立足打磨實(shí)際，將鋼軌按照打磨角度劃分為A，B，C及D這4個(gè)區(qū)域(各區(qū)域分別對(duì)應(yīng)不同的砂輪打磨角度，見表1和圖1)，同時(shí)引入各區(qū)域的廓形權(quán)重系數(shù)綜合評(píng)定鋼軌廓形打磨質(zhì)量。

表1 鋼軌廓形打磨區(qū)域與砂輪打磨角度對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖1 鋼軌廓形打磨區(qū)域劃分

對(duì)于鋼軌打磨而言，不同區(qū)域的廓形權(quán)重系數(shù)代表了該區(qū)域在鋼軌打磨中的重要性，以wA，wB，wC和wD分別表示A，B，C和D這4個(gè)不同區(qū)域的廓形權(quán)重系數(shù)，滿足

wA+wB+wC+wD=1

wA,wB,wC,wD∈(0,1)

(1)

為了使廓形權(quán)重系數(shù)更具科學(xué)性、可行性和針對(duì)性，采用德爾菲法(也稱專家咨詢法)，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查鋼軌打磨領(lǐng)域相關(guān)專家和技術(shù)人員并分析處理反饋結(jié)果，得到各區(qū)域廓形權(quán)重系數(shù)wA=0.223，wB=0.409，wC=0.195，wD=0.173。從鋼軌各區(qū)域權(quán)重系數(shù)可見，其規(guī)律與前期研究[8]得出的結(jié)論一致。

1.2 鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)計(jì)算公式

鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮鋼軌各區(qū)域廓形對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的影響權(quán)重，計(jì)算結(jié)果能判定鋼軌打磨廓形是否合格且量化廓形合格與否的具體程度，同時(shí)還需具有數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便、計(jì)算結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)。基于上述原則，根據(jù)鋼軌廓形與目標(biāo)廓形的偏差將GQI值的計(jì)算公式分為2種工況。

工況1：當(dāng)鋼軌廓形偏差數(shù)據(jù)均在《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求范圍內(nèi)，即鋼軌廓形打磨質(zhì)量合格時(shí)，GQI值為

GQI=80+20(1-X)

(2)

其中，

可是如果沒有直角∠POQ呢，或點(diǎn)M不是中點(diǎn)呢，上述方法便不再有效.動(dòng)點(diǎn)M受到點(diǎn)P、Q的共同影響而變化，該如何分析？我們不妨借助向量的知識(shí)究其本質(zhì).

X=

式中：nA，nB，nC，nD分別為A，B，C，D這4個(gè)不同區(qū)域的砂輪打磨角度數(shù)量；σi為鋼軌廓形i角度下的實(shí)際偏差；σi標(biāo)為i角度下《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求的正負(fù)偏差限值，當(dāng)σi為正偏差時(shí)，σi標(biāo)為對(duì)應(yīng)角度下《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求的正偏差限值，當(dāng)σi為負(fù)偏差時(shí)，σi標(biāo)為對(duì)應(yīng)角度下《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求的負(fù)偏差限值。

工況2：當(dāng)鋼軌廓形在個(gè)別區(qū)域偏差超出《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求范圍時(shí)，即鋼軌廓形打磨質(zhì)量不合格時(shí)，GQI值為

GQI=80-20Y

(3)

其中，

Y=

從式(2)和式(3)可見，當(dāng)GQI值≥80時(shí)，鋼軌打磨質(zhì)量合格，且分?jǐn)?shù)越高，實(shí)測(cè)廓形和目標(biāo)廓形越接近；當(dāng)GQI值<80時(shí)，則鋼軌打磨質(zhì)量不合格，分?jǐn)?shù)越低，實(shí)測(cè)廓形和目標(biāo)廓形偏離程度越大。

1.3 鋼軌廓形偏差曲線

圖2 GQI值為40.6時(shí)廓形偏差曲線

圖3 GQI值為40.8時(shí)廓形偏差曲線

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

使用該評(píng)估方法分別對(duì)出現(xiàn)動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度超限報(bào)警及車體低頻晃車的典型線路進(jìn)行了分析，鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)計(jì)算中目標(biāo)廓形為設(shè)計(jì)廓形60D[9]。

2.1 動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度超限報(bào)警

以鄭徐高鐵及京滬高鐵為例，對(duì)報(bào)警區(qū)段及未報(bào)警區(qū)段鋼軌GQI值和偏差曲線進(jìn)行了分析，GQI值結(jié)果見表2，典型鋼軌廓形偏差曲線如圖4和圖5所示。由表2及圖4和圖5可見：與設(shè)計(jì)廓形60D相比，出現(xiàn)報(bào)警區(qū)段的廓形偏差曲線均超出標(biāo)準(zhǔn)要求正偏差限值，同時(shí)其GQI值較低，鄭徐高鐵報(bào)警區(qū)段左股GQI值為52～60、右股GQI值為64～87，其中GQI值低于60的占50%、低于70的占80%；京滬高鐵報(bào)警區(qū)段左股GQI值為48～68、右股GQI值為50～65，其中GQI值低于60的占80%、低于70的占100%；在未出現(xiàn)報(bào)警區(qū)段的同一行別線路上，不管是鄭徐高鐵還是京滬高鐵，其廓形偏差曲線大部分都在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，GQI值在70以上的占100%，其中高于75的占90%。

表2 同一線路不同區(qū)段鋼軌GQI值

圖4 報(bào)警區(qū)段典型鋼軌廓形偏差曲線

圖5 未報(bào)警區(qū)段典型鋼軌廓形偏差趨勢(shì)

2.2 動(dòng)車組車體低頻晃車

以滬蓉線和杭深線為例，對(duì)出現(xiàn)晃車區(qū)段和未出現(xiàn)晃車區(qū)段鋼軌的GQI值和偏差曲線進(jìn)行了分析，GQI值結(jié)果見表3，典型鋼軌廓形偏差曲線如圖6和圖7所示。由表2和表3及圖4—圖7可見：晃車區(qū)段鋼軌GQI值和廓形偏差規(guī)律與報(bào)警區(qū)段相差較大，報(bào)警區(qū)段左右股鋼軌廓形偏差曲線均超出標(biāo)準(zhǔn)要求正偏差限值，而晃車區(qū)段以左右股廓形偏差曲線同時(shí)超出負(fù)偏差限值為主，但也存在一股超出正偏差限值、另一股超出負(fù)偏差限值的情況(即2股鋼軌廓形明顯不對(duì)稱)；晃車區(qū)段GQI 值變化幅度較大，滬蓉線實(shí)測(cè)鋼軌GQI值為26～76，GQI 值低于70的占70%、低于60的占50%；杭深線實(shí)測(cè)鋼軌GQI為39～75，GQI值低于70的占90%、低于60的占50%；杭深線未出現(xiàn)晃車的杭甬段及滬蓉線晃車區(qū)段打磨后(晃車消失)的鋼軌GQI值在70以上的占比100%，高于75 的占比也達(dá)到了100%，且GQI值的變化范圍較小。

表3 同一線路不同區(qū)段鋼軌GQI值

圖6 晃車區(qū)段打磨前典型鋼軌廓形偏差曲線

圖7 晃車區(qū)段打磨后典型鋼軌廓形偏差曲線

2.3 綜合分析

從上述對(duì)動(dòng)車組構(gòu)架報(bào)警和晃車的分析可見，當(dāng)鋼軌廓形偏差曲線超出正偏差限值且GQI值大部分低于60時(shí)，容易導(dǎo)致動(dòng)車組出現(xiàn)構(gòu)架報(bào)警；而當(dāng)鋼軌偏差曲線超出負(fù)偏差限值且GQI值大部分低于70或鋼軌GQI值小于80且左右股鋼軌GQI差值大于20時(shí)，容易導(dǎo)致動(dòng)車組出現(xiàn)晃車。所以，保證線路鋼軌GQI值大于70且GQI變化范圍較小，可以有效減輕或消除動(dòng)車組構(gòu)架報(bào)警、晃車等異常振動(dòng)，提高動(dòng)車組的運(yùn)行品質(zhì)。

3 鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)控制

除上述典型線路的分析數(shù)據(jù)外，還對(duì)大量實(shí)測(cè)鋼軌廓形進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)估，基于上述評(píng)估數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，結(jié)合前期對(duì)動(dòng)車組晃車、報(bào)警及抖車等異常振動(dòng)的研究，初步提出鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)分級(jí)及打磨建議見表4，其中鋼軌廓形打磨質(zhì)量評(píng)判以《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》為基準(zhǔn)。

表4 鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)分級(jí)及打磨建議

4 結(jié) 論

(1)提出的GQI值計(jì)算公式考慮了鋼軌各區(qū)域廓形對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的影響權(quán)重，計(jì)算結(jié)果不僅能評(píng)判鋼軌打磨廓形是否達(dá)到《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求，而且可以量化表征打磨后鋼軌廓形與目標(biāo)廓形偏離或者吻合的程度。

(2)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明，鋼軌廓形偏差曲線超出正偏差限值且GQI值大部分低于60時(shí)，容易導(dǎo)致動(dòng)車組出現(xiàn)構(gòu)架報(bào)警；鋼軌廓形偏差曲線超出負(fù)偏差限值且GQI值大部分低于70或者GQI值小于80且左右股鋼軌GQI差值大于20時(shí)，容易導(dǎo)致動(dòng)車組出現(xiàn)晃車；保證GQI值大于70且GQI變化范圍較小，可以有效減輕或消除動(dòng)車組構(gòu)架報(bào)警、晃車等異常振動(dòng)，提高動(dòng)車組的運(yùn)行品質(zhì)。

(3)采用鋼軌廓形偏差曲線并結(jié)合鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)的評(píng)估方法，不僅可以對(duì)鋼軌打磨質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，而且可以對(duì)鋼軌廓形狀態(tài)是否會(huì)導(dǎo)致動(dòng)車組異常振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而給出合理的鋼軌打磨建議。