高速铁路钢轨预打磨技术探讨

■ 何元勋

随着我国铁路客运的高速化，武广、合武、石武、郑西、汉宜、哈大、龙漳、杭深等高速铁路相继开通运营。其行车密度大、运营速度高、乘车舒适度好，不仅对轨道几何尺寸提出了很高要求，同时对轨面状态和钢轨轮廓也提出了极高要求。但由于钢轨在制造、运输、铺设、焊接等环节均存在难以避免的缺陷和病害，新轨铺设后难以完全适应动车组高速平稳运行要求，轴向加速度、减载率、动力学指标均无法有效控制，人体感觉有晃车、抖动等现象，严重影响运行品质，甚至威胁行车安全。钢轨预打磨作为高速线路开通运营前消除钢轨轨面病害、优化钢轨廓形、改善列车轮轨接触关系、消除晃车的有效维修手段之一，尤其在高速铁路开通前得到广泛应用。

1 高速铁路钢轨病害分析

2011年9月—2012年6月，在分别对石武客专郑武段及汉宜线开通前的预打磨施工调查发现，除钢轨顶面靠外侧R 300与R 80圆弧过渡区域存在轮轨接触光带外，同时在内侧R 80圆弧处也存在接触光带，形成轮轨在同一钢轨断面的两处接触，即为“双光带”（见图1），钢轨顶面同时存在2条光带。该钢轨廓形几何尺寸较标准廓形出现中间低两侧高，呈现出轻微的“马鞍形”钢轨断面，表明钢轨母材在制造过程中产生了一定范围的几何尺寸误差，即钢轨母材顶面凹陷。这种“双光带”现象表现形式为或连续、或间断、或单股、或双股，在石武及汉宜高速铁路普遍存在。同时，2012年9月在南昌铁路局龙漳线及杭深线的打磨施工调查中也发现同样普遍存在“双光带”现象，是造成动车晃车的重要原因。

我国高速铁路设计轨底坡为1∶40，与1∶20设计轨底坡相比，减少了钢轨内倾幅度，钢轨内侧圆弧角相对抬高0.9 mm，必然导致轮轨间的不良接触。但改变其设计轨底坡，相对于我国已开通的近万公里高速铁路来说影响巨大。且即便改为1∶20轨底坡，也同时有可能导致钢轨外侧相对偏高，光带外移，不能保证轮轨的最佳接触关系。因此，保留1∶40轨底坡不变，但高速铁路开通前必须进行钢轨预打磨，优化钢轨轮廓，消除轮轨接触病害，实现轮轨良好接触关系。

此外，钢轨制造过程中会产生表面缺陷，如线纹、结疤、压痕、划伤和脱碳层，运输、铺设及焊接等环节均无法避免断面轮廓尺寸误差、轨面不平顺、轨头扭曲变形，尤其是焊接接头对轨错牙、扭曲等产生的局部不平顺和前后相邻轨顶面连续性不良，均在不同程度上加剧影响了动车组运行品质，表现为列车运行人体感觉晃车、抖动，水平加速度及垂向加速度等动态指标不佳，需要通过钢轨预打磨来消除或缓解。

2 高速铁路钢轨预打磨策略

2.1 高速铁路钢轨预打磨廓形优化

高速铁路钢轨预打磨廓形优化原则：（1）消除钢轨表面病害缺陷及其初始形成条件，去除钢轨表面0.3～0.4 m m脱碳层及细小裂纹，提高钢轨表面平顺度，提供较好的行车动态指标，提高列车运行舒适度。（2）轮轨接触光带集中且居中，宽度不能过宽或过窄。实践证明轮轨接触光带宽度应在20～30 mm，会降低轮轨间接触应力，提供良好的轮轨接触关系，消除动车蛇形运动。如图2所示，钢轨预打磨后轮轨接触区域应均匀集中在钢轨顶面a点附近。（3）钢轨预打磨深度（σ）：在非工作边侧σ≥0.4 mm，钢轨顶面轮轨主接触面σ≥0.3 mm，工作边侧应为1 mm≤σ≤1.8 mm。（4）修正及优化钢轨轮廓廓形应尽可能减少钢轨金属切削量，减少打磨工作量，延长钢轨使用寿命。（5）打磨痕迹最大磨削面宽度通常应为：轨距角区域（45°～15°）≤5 m m，轨距角与轨冠间的过渡区（15°～6°）≤7 mm，轨冠部位（6°～-20°）≤10 mm。

根据钢轨预打磨廓形优化原则，设计出高速铁路预打磨目标廓形（见图3）。目标廓形工作边侧（图3中ab段）区域，磨削深度应为1 m m≤σ≤1.8 m m；轮轨接触光带（图3中b c段）区域，磨削深度σ≥0.3 m m，且宽度在20～30 m m；非工作边侧（图3中c d段）区域，磨削深度σ≥0.4 mm。

2.2 高速铁路钢轨预打磨作业方案

2.2.1 预打磨方案制定

钢轨预打磨前，首先应对线路进行检测和调查，对钢轨存在的病害状况及廓形尺寸进行测量，然后根据调查得出的钢轨状况调查表制定相应的打磨方案。线路调查中，通常采用美国EZ-3型便携式钢轨断面测量仪对钢轨断面廓形进行测量、分析。根据EZ-3型便携式钢轨断面测量仪对钢轨轮廓的测量分析原理，将60 kg/m钢轨73 mm宽度的踏面分为7个区域（见图4）。

根据近年来在石武、汉宜、龙漳、杭深等高速线路钢轨预打磨前的调查结果（见表1、表2），作用边45°～X30区域及X50～X60区域多为偏高（负值为目标廓形高于标准廓形），钢轨母材顶面X30～X40区域存在凹陷，表现为或连续、或间断、或单股、或双股，致使车轮与钢轨存在两点接触，产生双光带。

根据前期调查分析，需要消除钢轨顶面0.3～0.4 m m脱碳层，同时还需坚固内、外侧磨削量，达到设计的目标廓形。因此，GM C-96x型钢轨打磨车采取了三遍打磨方案。第一遍作业时，为消除“凸点”，采取内外模式，并在X10～X20及X50区域增加双倍打磨电机，重点消除“凸点”，便于第二遍钢轨顶面脱碳层的消除。若第一遍采取了全断面打磨，则会出现磨石在打磨顶面时被“凸点”架空，顶面磨削不到，起不到消除脱碳层的效果。砂轮打磨过程中，由于“凸点”的存在，分布在钢轨顶面轮轨主接触区域的砂轮处于悬空状态，无法磨削到该区域（见图5）。

2.2.2 钢轨预打磨模式

针对高速铁路钢轨预打磨前的调查及病害分析，为了更好地优化钢轨轮廓，针对性地制定了三遍打磨模式。具体打磨模式：

（1）1号模式：即56°～2°、-3°～-9°，速度14 km/h，电机功率77％，分布至46个砂轮（余下2个为临时补缺）。针对钢轨情况，在钢轨剖面X10～X20及X50区域分布有连续的重复角度（见图6），打磨区域为蓝色区域（图6中ab和cd段），主要消除钢轨X10～X20及X50两处凸点，以及轨距角至R 300圆弧过渡区和外侧R 80圆弧区域的不平顺、细裂纹等病害，修正钢轨内、外侧廓形尺寸。

（2） 2号模式：即48°～-7°，速度15 km/h，电机功率77％，分布至48个砂轮，其中在X50区域设有补强角度。打磨区域为绿色区域（图6中eg段），主要是全断面修正钢轨廓形和消除轨冠区域脱碳层等病害。

（3）3号模式：即44°～-3°，速度15 km/h，电机功率68％，分布至46个砂轮（余下2个为临时补缺），进行钢轨断面的圆顺过渡抛光及重点区域的补强打磨，其中在X10～X20区域设有重复角度。打磨区域为红色区域（图6中ch段）。主要是使钢轨磨削面的粗糙度控制在10 μm以下，保证钢轨磨削面圆滑过渡，进一步优化轮廓尺寸，同时防止列车运行一段时间后产生副光带。

图6中黑色区域（c f段）为轮轨接触光带形成区域，即5°～-3°，约为20～30 mm。

3 高速铁路钢轨预打磨效果分析

根据目标廓形设计原则，按照三遍打磨方案，武汉大型养路机械运用检修段（简称武汉大机段）在石武、汉宜等高速铁路均能实现将钢轨非工作边侧（X45～X60）磨削深度σ控制在0.4～0.6 m m，钢轨顶面轮轨主接触面（X25～X45）磨削深度σ控制在0.3～0.4 mm，工作边侧（45°～X25）磨削深度σ控制在1～1.8 mm（见表3）。

表1 石武高速铁路预打磨前钢轨廓形调查表序45º X10 X20 X30 X40 X50 X60 测量点号 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 里程 备注1 -0.6 -0.3 -0.2 -0.5 -0.1 -0.5 -0.1 -0.2 0 0 -0.1 -0.10 0.1 0.05 K977+500 2 -0.5 -0.4 -0.1 -0.4 -0.1 -0.3 0 -0.2 0 0 -0.1 -0.10 0.1 0.05 K978+000 3 -0.6 -0.1 -0.2 -0.3 -0.1 -0.3 -0.1 -0.1 0 0 0 -0.10 -0.1 0 K976+200攀钢4 -0.7 -0.3 -0.4 -0.2 -0.3 -0.2 -0.1 -0.2 0 0 -0.1 0 -0.1 0.15 K976+000 5 -0.5 -0.1 -0.3 -0.1 -0.2 -0.3 0 -0.1 0 0 -0.2 0.05 0 0.05 K973+200 6 -0.4 -0.1 -0.2 -0.1 -0.2 -0.3 -0.1 -0.2 0 0 -0.1 -0.10 0.05 0 K972+700表2 石武高速铁路预打磨前钢轨廓形调查表序45° X10 X20 X30 X40 X50 X60 测量点号 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 里程1 0.1 0.5 -0.2 0 -0.1 -0.20 0 0.10 0 0 -0.2 -0.2 -0.2 -0.30 K900+500 2 0.1 0.3 -0.2 0.5 -0.2 0.35 0 0 0 0 0 0.1 0.1 0.10 K901+000 3 0.1 0.2 -0.1 0 -0.1 0 0 0 0 0 0 -0.2 0.1 0 K901+500 4 -0.1 -0.2 -0.4 -0.4 -0.5 -0.20 -0.2 0 0 0 -0.1 -0.1 0 0 K902+000 5 0.1 0.2 -0.2 -0.1 -0.3 0 -0.3 0.05 0 0 -0.1 -0.3 -0.2 -0.15 K902+500 6 0.1 0.1 -0.2 -0.3 -0.2 0 -0.1 0 0 0 -0.2 -0.2 -0.3 -0.20 K903+200

钢轨磨削表面粗糙度Ramax≤10 μm（用数字式粗糙度检测仪测量），钢轨表面无连续发蓝带。打磨后经列车一段时间碾压后，钢轨轮轨接触光带均匀居中（X36.5为中心），宽度在18～25 m m，符合目标廓形的设计要求（如图7）。

经过2008年、2009年在武广及合武高速铁路上的不断摸索，逐渐成熟的高铁预打磨技术在石武、汉宜、龙漳、杭深线得到深入发展和应用，并取得良好效果。

石武、汉宜、龙漳等高速铁路通过预打磨开通运营后，动检车检测结果及动车组运营效果显示，钢轨预打磨后，轨道动力学指标明显改善，轴向加速度、减载率峰值明显下降；钢轨横向振幅均大幅减少，列车轮轨接触关系及高速通过时的平稳性明显改善，噪声远小于未打磨前；同时，钢轨预打磨后，人体感觉晃车、抖动等不良现象均大幅较少，动车组高速运行品质明显提升。

表3 石武客专预打磨后钢轨廓形验收表序45° X10 X20 X30 X40 X50 X60 测量点号 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 左股 右股 里程1 1.4 1.3 1.70 1.60 0.90 1.00 0.40 0.30 0.35 0.3 0.55 0.50 0.50 0.45 K935+500 2 1.3 1.2 1.40 1.50 1.00 0.95 0.45 0.35 0.30 0.35 0.45 0.60 0.45 0.50 K936+000 3 1.5 1.3 1.60 1.75 0.95 0.80 0.30 0.40 0.40 0.35 0.40 0.45 0.50 0.50 K936+500 4 1.2 1.3 1.50 1.45 0.95 1.00 0.40 0.35 0.30 0.30 0.50 0.55 0.60 0.55 K937+000 5 1.3 1.1 1.65 1.45 1.05 1.00 0.30 0.30 0.35 0.40 0.50 0.40 0.50 0.50 K937+200 6 1.0 1.2 1.55 1.70 0.90 0.95 0.35 0.40 0.25 0.30 0.45 0.50 0.45 0.60 K937+400

4 高速铁路钢轨预打磨技术新要求

随着铁路高速化进程的推进和在建高速铁路的相继开通运营，铁路对安全标准和舒适性提出了更高要求，不仅对线路钢轨轮廓几何尺寸要求高，也对钢轨平顺性要求很高。为了使高速铁路更安全、更舒适、更平稳，提高和控制高速铁路钢轨预打磨质量尤为重要。如何进一步提高钢轨预打磨技术水平，依然是未来很长一段时间需要不断总结和摸索的课题。

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