吳 強(qiáng)

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司, 上海 201103)

城市軌道交通的建設(shè)和發(fā)展在緩解城市交通擁堵方面的作用愈發(fā)凸顯,同時(shí)線路狀況和運(yùn)營(yíng)條件也愈發(fā)復(fù)雜,如大坡道、小半徑曲線眾多,列車啟停頻繁、荷載作用惡劣的區(qū)段,其病害和傷損越來越嚴(yán)重,特別是在小半徑曲線段上,鋼軌會(huì)出現(xiàn)表面疲勞裂紋、剝落掉塊、焊縫鞍形磨耗、肥邊、擦傷等傷損[1],嚴(yán)重影響行車安全性.

當(dāng)前,鋼軌打磨是減緩和抑制上述表面病害和傷損的有效措施[2-3].鋼軌打磨方式分為兩種:一是修復(fù)性打磨,打磨量一般為0.5～1.5 mm;二是預(yù)防性打磨,打磨量在0.5 mm以下[4].國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)鋼軌打磨措施做了大量研究工作,有學(xué)者認(rèn)為德國(guó)對(duì)高速鐵路鋼軌打磨是延長(zhǎng)鋼軌使用壽命和降低噪聲的有效手段[5];還有學(xué)者研究認(rèn)為日本高速鐵路經(jīng)過鋼軌打磨后鋼軌表面的病害和傷損呈降低趨勢(shì)[6];而北美[7-8]和澳大利亞[9-10]的重載鐵路經(jīng)歷從修復(fù)性打磨到預(yù)防性打磨的策略,在鋼軌傷損控制方面取得較好效果.我國(guó)自引進(jìn)瑞士斯彼諾(Speno)公司生產(chǎn)的鋼軌打磨列車后開展鐵路鋼軌打磨技術(shù),逐漸形成一套特有的打磨方式.王文健等[11]通過對(duì)既有鋼軌打磨廓形研究,提出一種改變輪軌接觸點(diǎn)位置,避免裂紋產(chǎn)生的鋼軌廓形,并應(yīng)用在廣深線鋼軌打磨中;金學(xué)松等[12]歸納幾種打磨技術(shù)與其他影響因素模型;周清躍等[13-14]通過對(duì)輪軌形面匹配關(guān)系研究,給出鋼軌預(yù)打磨廓形,并應(yīng)用于實(shí)踐.

我國(guó)城市軌道交通鋼軌打磨工作還處在摸索階段,地鐵鋼軌打磨工藝還沒有一套成熟技術(shù)和工藝標(biāo)準(zhǔn)[15-17].本文現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研鋼軌傷損情況、考察當(dāng)前城市軌道交通鋼軌打磨技術(shù)和裝備,以上海軌道交通9號(hào)線某區(qū)段為例,通過實(shí)踐和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),分析城市軌道交通鋼軌修復(fù)打磨工藝和效果,從而為城市軌道交通鋼軌修復(fù)打磨提供參考.

1 現(xiàn)場(chǎng)鋼軌傷損和病害特征

上海軌道交通9號(hào)線下行線大半徑曲線區(qū)段(半徑R=1 000 m)出現(xiàn)列車振動(dòng)、噪聲大等現(xiàn)象,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該區(qū)段鋼軌進(jìn)行調(diào)研.

1.1 鋼軌表面狀態(tài)

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),該區(qū)段鋼軌主要是外軌發(fā)生少量垂直磨耗和側(cè)面磨耗,軌頂光帶較寬,約60 mm,基本覆蓋整個(gè)軌頭;軌距角和頂面有疲勞裂紋,表面裂紋長(zhǎng)度在10～15 mm,嚴(yán)重位置出現(xiàn)剝離掉塊和壓陷;內(nèi)軌主要發(fā)生頂面垂直磨耗,光帶寬度約40～50 mm,軌面有明顯的接觸疲勞裂紋以及輕微波磨,如圖1所示.兩軌均有焊接接頭光帶不平順現(xiàn)象,說明該區(qū)段輪軌關(guān)系較差.

1.2 鋼軌廓形測(cè)量和對(duì)比

采用鋼軌廓形測(cè)量?jī)x對(duì)該區(qū)段鋼軌廓形進(jìn)行測(cè)量,將其與標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌(簡(jiǎn)稱60軌,下同)廓形對(duì)比發(fā)現(xiàn),外軌存在少量垂直磨耗以及側(cè)面磨耗,外側(cè)角有一定肥邊;內(nèi)軌發(fā)生少量頂面磨耗,軌距角和外側(cè)角均出現(xiàn)肥邊,廓形變成“方形”.進(jìn)一步將該區(qū)段各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)鋼軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)軌廓形進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算軌頭不同角度的徑向距離,其中正值為實(shí)測(cè)廓形在該徑向角度方向上高于標(biāo)準(zhǔn)60軌廓形,負(fù)值為實(shí)測(cè)廓形在該徑向角度方向上低于標(biāo)準(zhǔn)60軌廓形,即受到磨耗,如圖2所示.

由圖2可知,外軌各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)廓形與標(biāo)準(zhǔn)60軌廓形的徑向距離為-2.5～1.0 mm.其中,外軌范圍為-10°～60°,即軌距角及踏面位置受到磨耗明顯,在10°～30°時(shí)受到磨耗最深,如圖2(a)所示.內(nèi)軌各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)廓形與標(biāo)準(zhǔn)60軌廓形的徑向距離為 -2.0～2.0 mm.其中,內(nèi)軌磨耗主要范圍為-10°～15°,即軌頂面受到磨耗明顯,而軌頭兩側(cè)實(shí)測(cè)廓形要比標(biāo)準(zhǔn)60軌廓形高.這是由于輪軌接觸在內(nèi)軌軌頂面,造成內(nèi)軌軌頂面磨耗而兩側(cè)輕微肥邊,如圖2(b)所示.圖中:ZH為鋼軌曲線段的直緩點(diǎn);HY為緩圓點(diǎn);Q1為緩圓點(diǎn)與曲線段中點(diǎn)的中點(diǎn);QZ為曲線段中點(diǎn);Q2為曲線段中點(diǎn)與圓緩點(diǎn)的中點(diǎn);YH為圓緩點(diǎn);HZ為緩直點(diǎn).

圖2 各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)廓形與標(biāo)準(zhǔn)60軌廓形的徑向距離Fig.2 Radial distance between measured profile of each measuring point and standard 60 rail profile

1.3 輪軌關(guān)系分析

根據(jù)實(shí)測(cè)得到的鋼軌廓形,與LM車輪型面進(jìn)行輪軌關(guān)系分析,可以得到輪對(duì)滾動(dòng)圓半徑差曲線,如圖3所示.

圖3 目標(biāo)滾動(dòng)圓半徑差曲線Fig.3 Radius difference curve of target rolling circle

從圖中可以看出,橫移量為0～6.3 mm時(shí),打磨前車輪滾動(dòng)圓半徑差接近于0;橫移量>6.3 mm時(shí),車輪滾動(dòng)圓半徑差>0;當(dāng)橫移量達(dá)到12.5 mm時(shí),車輪滾動(dòng)圓半徑差快速增大.因此,當(dāng)車輛通過該區(qū)段時(shí),輪對(duì)橫移量<12.5 mm,兩輪滾動(dòng)圓半徑差變化非常平緩,不是良好的曲線通過關(guān)系.

圖4為實(shí)測(cè)鋼軌廓形與LM車輪型面匹配得到的輪軌接觸點(diǎn)分布.從圖中可以看出,外軌輪軌接觸點(diǎn)分別落在軌肩與軌距角,這導(dǎo)致該處鋼軌表面發(fā)生垂直磨耗、側(cè)磨和疲勞損傷,表明外軌的輪軌匹配較差,而內(nèi)軌輪軌接觸點(diǎn)大多分布在較窄區(qū)域,因此輪軌頂面的磨耗較明顯.當(dāng)車輛經(jīng)過曲線段時(shí),為提高車輛導(dǎo)向力,外軌橫移量漸漸增大,輪緣最終與鋼軌側(cè)面貼在一起,增大外軌側(cè)向磨損;為改善外軌和內(nèi)軌滾動(dòng)圓半徑差,每走一段距離需要對(duì)車輪進(jìn)行調(diào)整(車輪在鋼軌上不正常地滑動(dòng)),從而造成內(nèi)軌波磨.

2 鋼軌打磨技術(shù)和裝備

現(xiàn)場(chǎng)采用適用于國(guó)內(nèi)城市軌道交通鋼軌打磨的DGMC-16S雙動(dòng)力鋼軌打磨列車,打磨列車由兩節(jié)車構(gòu)成,1節(jié)動(dòng)力車+1節(jié)打磨車.在動(dòng)力方面,該車采用內(nèi)燃機(jī)和電傳動(dòng)相結(jié)合,可解決地鐵隧道內(nèi)由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣不足引起的高溫甚至停機(jī)等安全和運(yùn)營(yíng)問題.在打磨方面,采用直徑為254 mm的打磨砂輪,作業(yè)速度最高可達(dá)16 km/h,在實(shí)際運(yùn)用中可匹配功率大、切削量大;全車配備16個(gè)打磨電機(jī),針對(duì)不同的鋼軌病害通過調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)對(duì)鋼軌快速打磨,解決鋼軌不平順、軌頭表面缺陷等,使軌頭輪廓恢復(fù)到設(shè)計(jì)要求,進(jìn)而提高乘客舒適度、降低輪軌噪聲、減少鋼軌磨損.

3 打磨方案

3.1 打磨方案設(shè)計(jì)

為有效提高車輛通過曲線區(qū)段時(shí)的滾動(dòng)圓半徑差并盡量減小工作量,考慮曲線內(nèi)、外軌的廓形情況,設(shè)計(jì)非對(duì)稱打磨計(jì)劃,如圖5所示.打磨對(duì)象為外軌軌距角的疲勞裂紋、剝離掉塊和內(nèi)軌波磨,因?yàn)楣ぷ髁枯^大,所以設(shè)置打磨量范圍為0.30～2.00 mm.設(shè)計(jì)變量即圖5中打磨位置可動(dòng)點(diǎn)的垂向坐標(biāo),在不同打磨角度下,打磨量有所區(qū)別,具體數(shù)據(jù)見表1.

圖4 實(shí)測(cè)鋼軌廓形與LM車輪踏面匹配時(shí)的輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布Fig.4 Distribution of wheel rail contact points when measured rail profile matching LM wheel tread

圖5 鋼軌修復(fù)性打磨廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)變量Fig.5 The optimal design variables of rail repairing grinding profile

表1 各角度預(yù)計(jì)打磨量Table 1 Estimated grinding amount of each angle

針對(duì)鋼軌病害情況同時(shí)為充分發(fā)揮雙動(dòng)力鋼軌打磨列車的長(zhǎng)處,制定相應(yīng)的打磨工藝.

1) 打磨目標(biāo)

鋼軌打磨是解決現(xiàn)有病害,修正接觸光帶(內(nèi)軌居中靠外,外軌居中靠?jī)?nèi))的重要措施.打磨可改善車輪在內(nèi)外軌的滾動(dòng)圓半徑差,消除內(nèi)外側(cè)不良接觸,控制病害發(fā)展,延長(zhǎng)鋼軌壽命.

2) 打磨策略

內(nèi)軌:軌距角打磨1.5 mm,去除表面疲勞損傷,調(diào)整光帶居中靠外;外側(cè)打磨0.7 mm,修正光帶,防止外側(cè)不良接觸;頂部打磨0.5 mm,去除波磨.

外軌:軌距角打磨1.5 mm,去除內(nèi)側(cè)魚鱗傷、剝離掉塊,使外軌內(nèi)側(cè)45°到內(nèi)側(cè)20°不再產(chǎn)生不正常接觸,控制內(nèi)側(cè)魚鱗傷發(fā)展,防止斷軌;外側(cè)打磨0.3 mm,去除表面氧化層,修正光帶居中靠?jī)?nèi),防止外側(cè)不良接觸;頂部打磨0.5 mm,消除個(gè)別地段剝離掉塊及鋼軌低接頭.

3.2 打磨實(shí)施

對(duì)目標(biāo)曲線鋼軌實(shí)施上述打磨方案時(shí),采用17遍打磨方式進(jìn)行修復(fù)性打磨.

1) 內(nèi)軌

軌距角(R80)處肥邊為主要打磨區(qū)域,主要分布在軌頭8°～30°范圍,修正輪軌關(guān)系,讓光帶居中靠外,設(shè)計(jì)打磨9遍.

外側(cè)角處可能接觸車輪踏面,要對(duì)其有所重視,又因?yàn)橥鈧?cè)非車輪主接觸部分,因此準(zhǔn)備8個(gè)磨頭處理-15°～-3°,設(shè)計(jì)打磨4遍.

軌頂R300處,安排打磨4遍,解決頂面波磨.

2) 外軌

軌距角(R80)處剝離掉塊問題,打磨角度為20°～30°,磨面過渡是不可忽視的重要因素,因此在8°～21°范圍少磨,形成一個(gè)過渡段.在20°～30°范圍內(nèi)著重處理,計(jì)劃打磨5遍,以達(dá)到控制內(nèi)側(cè)非正常接觸,防止剝離掉快繼續(xù)加重的目的,確保修正后輪軌接觸光帶居中靠?jī)?nèi).

外側(cè)角處接觸車輪踏面,打磨時(shí)為解決內(nèi)外軌車輪滾動(dòng)圓半徑差問題,對(duì)-15°～-3°范圍安排打磨2遍,使上股接觸光帶靠?jī)?nèi).

軌頂R300處,安排打磨2遍,解決頂面疲勞損傷.

4 打磨效果分析

4.1 打磨后鋼軌廓形

對(duì)鋼軌打磨前后廓形進(jìn)行觀測(cè)和測(cè)量.鋼軌打磨后通過1 d運(yùn)營(yíng),軌面情況如圖6所示.

從圖中可以看出,打磨后鋼軌表面光帶寬度為20～30 mm;外軌光帶居中靠近軌距角;內(nèi)軌光帶居中略靠外;外軌軌距角的較淺裂紋已經(jīng)被打磨掉,較深裂紋的程度得到控制.圖7為打磨完成后鋼軌實(shí)測(cè)廓形與標(biāo)準(zhǔn)60軌對(duì)比情況.

從圖中可以看出,打磨后內(nèi)軌和外軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)60軌相比呈非對(duì)稱形態(tài),其中外軌軌距角的廓形降低明顯,內(nèi)軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)60軌廓形接近.

4.2 輪軌關(guān)系分析

圖8為打磨后鋼軌廓形與LM車輪的輪對(duì)滾動(dòng)圓半徑差曲線對(duì)比.在橫移量為0～15 mm時(shí),打磨后的輪對(duì)滾動(dòng)圓半徑差明顯大于打磨前.

圖9為鋼軌打磨后的廓形以及輪軌接觸點(diǎn)的分布情況(輪對(duì)朝向外軌橫移量為0～15 mm).從圖中可以明顯地看出,修復(fù)完成后曲線內(nèi)軌的接觸點(diǎn)分布有明顯的擴(kuò)散趨勢(shì),列車處于兩鋼軌中央時(shí)的接觸點(diǎn)位移量較大,方向?yàn)檐夗斨行?跟打磨之前相 比,曲線外、內(nèi)軌的接觸點(diǎn)分布愈發(fā)均勻,經(jīng)過打磨能減少輪軌接觸應(yīng)力集中、磨耗不均勻和輪軌沖擊等現(xiàn)象的出現(xiàn).

圖6 打磨后鋼軌軌面光帶情況Fig.6 Smooth strip condition of rail surface after grinding

圖7 打磨后實(shí)測(cè)廓形與標(biāo)準(zhǔn)60軌廓形對(duì)比Fig.7 Comparison between measured profile after grinding and standard 60 rail profile

圖8 鋼軌修復(fù)性打磨前后滾動(dòng)圓半徑差曲線對(duì)比Fig.8 Comparison of radius difference curve of rolling circle before and after rail repairing grinding

圖9 鋼軌打磨后廓形與LM車輪型面匹配時(shí)的輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布Fig.9 Distribution of wheel rail contact points when the profile of rail after grinding matches the profile of LM wheel

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)修復(fù)的打磨方案,可達(dá)到車輛在曲線區(qū)段運(yùn)行時(shí)提高乘客舒適度、增大內(nèi)外軌滾動(dòng)圓半徑差等修復(fù)目的,改善了輪軌接觸關(guān)系.

1) 城市軌道交通的曲線鋼軌主要有外軌垂直磨耗和側(cè)面磨耗,軌頂光帶較寬甚至覆蓋整個(gè)軌頭,軌距角和頂面有疲勞裂紋,嚴(yán)重時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)剝離掉塊和壓陷;內(nèi)軌主要為頂面垂直磨耗,光帶也較寬甚至覆蓋整個(gè)軌頭,軌面有明顯的接觸疲勞裂紋以及波磨,且兩軌均有焊接接頭光帶不平順現(xiàn)象.

2) 城市軌道交通鋼軌修復(fù)性打磨的目標(biāo)是解決現(xiàn)有鋼軌表面病害和傷損,修正接觸光帶,使得光帶內(nèi)軌居中靠外、外軌居中靠?jī)?nèi),消除內(nèi)外側(cè)不良接觸,延長(zhǎng)鋼軌壽命.

3) 城市軌道交通鋼軌修復(fù)性打磨時(shí)可采用方法為:曲線內(nèi)軌軌距角打磨1.5 mm,外側(cè)打磨0.7 mm,頂部打磨0.5 mm;外軌軌距角打磨1.5 mm,外側(cè)打磨0.3 mm,頂部打磨0.5 mm.其中,內(nèi)軌軌距角打磨9遍,外側(cè)角和頂面各打磨4遍;外軌軌距角打磨5遍,外側(cè)角和軌頂面各打磨2遍,可有效改善輪軌接觸關(guān)系,保證行車安全.

4) 本文主要針對(duì)上海地鐵9號(hào)線鋼軌進(jìn)行打磨與分析,為獲得更有效的打磨方案,需進(jìn)一步對(duì)不同曲線半徑與傷損類型的鋼軌進(jìn)行打磨試驗(yàn),以期為城市軌道交通的養(yǎng)護(hù)維修提供技術(shù)保障.