高速铁路的钢轨打磨对于我国来说是一个新的课题.doc

高速铁路的钢轨打磨对于我国来说是一个新的课题，研究高速铁路的钢轨打磨技术对我国高速铁路的建设和开通运营后的线路养护维修具有重大意义。

    钢轨打磨最早是在重载铁路上为了延长钢轨使用寿命为目的发展起来的，钢轨打磨形式也从最初的修理性打磨到保养性打磨发展到现在特别流行的“频繁、快速、轻度”的预防性打磨。同样高速铁路也施行养护维修性的钢轨打磨。而中高速铁路新铺轨后实施的初次钢轨打磨为新轨打磨，是属于另一种打磨类型，叫做“钢轨预打磨”即预备性打磨，它完全不同于运营过程中的预防性钢轨打磨。

    轨道不平顺所引起的轮轨动力，对行车安全、平稳和乘车舒适性的影响随行车速度的提高而显著增大。对于高速铁路，一些轨面不平顺不要说使列车舒适度降低，甚至可能导致轨道和车辆的破坏甚至行车事故的发生，因而必须严格控制。所以，国外高速铁路对钢轨打磨极其重视。对于新铺钢轨，原苏联曾规定速度大于120km/h的铁路，必须在铺设钢轨后立即进行新轨打磨；现在日本、法国、德国、意大利以及西班牙建设的高速铁路，都要求新线铺轨或大修换轨后进行一次轨面打磨。在高速铁路运营管理中的钢轨打磨，日本、法国和德国的打磨技术已经成熟，钢轨打磨作业已经被列入线路的常规维修作业中，这些对我国的高速铁路的钢轨打磨具有重要的借鉴作用。

钢轨打磨—延长钢轨寿命的有效方法（1）
中国铁路 2007-04-14 09:39:47 阅读72 评论0 字号：大中小
钢轨是轨道交通的主要部件，钢轨与列车的车轮直接接触，其质量的好坏直接影响到行车的安全性和平稳性。轨道交通开通运营之后，钢轨就长期处于恶劣的环境中，由于列车的动力作用、自然环境和钢轨本身质量等原因，钢轨经常会发生伤损情况，如裂纹、磨耗等现象，造成了钢轨寿命减少、养护工作量增加、养护成本增加，甚至严重影响行车安全。
　　因此，就必须及时对钢轨伤损进行消除或修复，以避免影响轨道交通运行的安全。这些修复措施如钢轨涂油、钢轨打磨等，其中钢轨打磨由于其高效性受到世界各国铁路的广泛应用。
　　钢轨打磨主要是通过打磨机械或打磨列车对钢轨头部滚动表面的打磨，以消除钢轨表面不平顺、轨头表面缺陷及将轨头轮廓恢复到原始设计要求，从而实现减缓钢轨表面缺陷的发展、提高钢轨表面平滑度，进一步达到改善旅客乘车舒适度、降低轮/轨噪音、延长钢轨使用寿命的目的。本文主要分析了钢轨打磨的目的和类型，并分析最新的国外铁路钢轨打磨技术，以期对我国铁路及城市轨道交通的钢轨养护维修有所借鉴。
　　1  钢轨打磨的目的
　　钢轨打磨技术的最初应用是为了控制波磨的发展（图1），以及改善钢轨头部断面形状，满足轮/轨接触特性（即所谓的最佳断面），从而减少钢轨及车轮的磨耗率。
　　随着钢轨打磨技术的发展和推广，越来越多的高速铁路、重载铁路和城市轨道交通都采用该项技术来延长钢轨寿命。总的来说，钢轨打磨的目的如下：
　　1）通过修正钢轨断面形状，改善轮/轨接触关系，从而减少轮/轨接触应力和磨耗；
　　2）修正/控制钢轨波磨以及低接头。这些缺陷会增加轮轨噪音、加快车辆部件和轨道部件的恶化率，甚至造成列车限速；
　　3）修正/控制滚动接触疲劳缺陷。这些缺陷会增加钢轨损伤的风险，甚至降低超声波钢轨探伤的效果；
　　4）修正/控制其他钢轨缺陷（如车轮滚伤、压溃、轨头垂向及纵向裂纹）；
　　5）减少车轮和转向架运动的不利影响，这种情况下，会加剧钢轨磨耗和缺陷的恶化；
　　6）减少噪音和振动，减少普通接头和焊接接头的垂向不平顺，控制钢轨波磨；
　　7）缓和大轴重车轮作用的不利影响，改善轮/轨接触条件；
　　8）减少车辆横向不稳定性（蛇行运动）。
　　打磨的目标对打磨的策略和工序有很大的影响。
　　2  钢轨打磨的策略
　　钢轨打磨是一项相对昂贵的作业手段，其应用必须跟预期获得的经济效益挂钩。钢轨打磨应用的效果如下：
　　1）增加钢轨50%-100%的使用寿命；
　　2）减少钢轨失效的风险；
　　3）减少车轮、轨道部件以及轨道几何形位的恶化率；
　　4）允许列车以较高的速度运行；
　　5）降低轮轨噪音。

有4种类型的钢轨打磨策略：
　　1）矫正性打磨（缺陷打磨）（图2

该打磨策略的主要目的是消除或减少在线钢轨的缺陷，一般采用积极打磨的工序，预先设计好打磨量（0.5mm到4-6mm之间），并且，作业间隔相对较长，通常由缺陷的严重程度来决定。
　　矫正性打磨并不是非常经济，主要是因为需要除去钢轨表面的大量金属，还要求使用大量的打磨过程，减少了钢轨的潜在使用寿命。但是，为了确保钢轨不会在短期内失效，矫正性打磨是非常必要的，特别是在更换钢轨的预算较为紧张的时期。不过这种条件的钢轨可能会导致列车限速。
　　2）过渡性打磨（图3）
　　该打磨策略是钢轨长期使用策略（3~6年），目的是将矫正性打磨制度转变成预防性或者周期性的打磨制度。这种策略需要经历数次打磨周期，特别是钢轨不是很规范地养护的时候。然而，从预防性打磨或周期性打磨策略的成本效果来看，过渡性打磨是一个较好的选择，可以保证有限资源的合理利用。

过渡性打磨策略的作用必须具有：
　　a)减少某种钢轨伤损的严重性，如钢轨波磨和滚动接触疲劳；
　　b)实现预期的钢轨断面形状，从而减少伤损的发展率；
　　c)逐步实现最佳的钢轨断面形状。
　　过渡性打磨移除的钢轨金属量要少于矫正性打磨，例如，打磨量在0.3mm~1.0mm之间，且每个打磨周期的钢轨打磨量均逐步减少。
　　3）预防性打磨或周期性打磨（图4）
　　由于主要的钢轨表面缺陷已经被矫正性打磨或过渡性打磨所消除，接下来，就可以执行预防性打磨。这种打磨策略的目的是消除或控制钢轨表面缺陷、保证钢轨表面状态和良好的外形。通常需要移除少量金属（0.2~0.3mm），且打磨时期更为频繁或可控。

预防性打磨非常经济，特别是只需要去除少量金属，减少了打磨工具的使用量，最大化地延长了钢轨的使用寿命。
　　打磨周期依靠影响钢轨恶化率的因素：
　　a)通过吨数；
　　b)主要列车类型及货物类型，即静轮载和动轮载；
　　c)钢轨类型；
　　d)轨道特征，特别是曲线曲率、超高、钢轨支承条件；
　　e)运营特征，特别是运行速度。
　　4）特殊性打磨
　　这种打磨策略是为实现上述三种目的之外的某种特殊目的而进行的打磨。例如：
　　a)实现特殊的钢轨断面形状，通过打磨量超过钢轨头部允许磨耗限度，从而延长钢轨短期使用寿命。例如，当轮/轨接触区接近20~30mm宽时，接触区过于集中，可以采用这种打磨策略移除车轮和钢轨的相应金属量，并打磨钢轨轨距内侧面。钢轨打磨量必须与通过线路的主要列车车轮断面相配合。
　　b)实现特殊的钢轨断面形状从而减少车轮悬空的概率。经过这种打磨策略，为了将钢轨接触区沿车轮踏面横移，可以沿着轨道线路的方向将钢轨断面形状进行变化。如轮轨接触区宽度为20~30mm，经过数公里后，轮轨接触区可能从钢轨头部中间移至靠近轨距内侧面。
　　c)实现一个非常平滑的钢轨接触表面，从而减少轮轨接触区噪音的发生。这种打磨策略在高速线路和城市轨道交通线路上的应用越来越普遍。经过特殊打磨工序，钢轨表面的粗糙度少于12.5μmRA，但最好的钢轨表面粗糙度是4~6μmRA，这时的最大钢轨打磨宽度为4~6mm。这种作业情况下，钢轨类型尤为重要，因为对于低硬度的钢轨，打磨的效果很快会被车轮所清除，而高硬度的钢轨，打磨效果会保持相当长的一段时间。

钢轨打磨—延长钢轨寿命的有效方法（2）
中国铁路 2007-04-14 10:54:43 阅读128 评论0 字号：大中小
3  国外钢轨打磨技术进展
　　3.1  日本铁路
　　东日本铁路公司在东北新干线（TOHOKU）和上越新干线（JOETSU）开通运营之初，就采用了预防性钢轨打磨策略，主要目的是：
　　1)减少噪音和振动。（如居民区和商业区沿线轮轨噪音超过110分贝的地区、其他噪音超过110分贝的地区、特别需要降低噪音的地区，如隧道等都进行预防性钢轨打磨策略）；
　　2)降低钢轨表面疲劳，减缓钢轨伤损。（发生钢轨轨头剥壳的地段及积累通过运量超过3千万吨的地段都进行预防性钢轨打磨策略）。
　　东日本铁路公司的打磨设备包括：新型SPENO 32磨石打磨列车、2台SPENO 16磨石打磨机（RR 16M）、2台SPENO 48磨石打磨机（2x RR 24M）以及2台日本制6磨石打磨机。这些机械可以实现大约1500km/年的钢轨打磨量。
　　东日本铁路公司研究出了考虑钢轨打磨目标的打磨工序（钢轨打磨次数和打磨模式）制定方法，即钢轨打磨的目标是减少振动和噪音还是消除钢轨表面疲劳。
　　1）以减少振动和噪音为目的的钢轨打磨次数和打磨模式
　　该方法如下图5所示。

① 打磨次数
　　表1是16磨石打磨机对钢轨焊接接头打磨的例子，其中打磨次数是考虑如下因素来制定：打磨机的金属移除能力、每次打磨的金属移除量、打磨范围（图6）。

（D为打磨区域的长度，d为打磨深度）
焊缝深度（d）（mm）
为获得平滑钢轨表面而进行的校正性打磨次数
低速，打磨长度D=6000×d的打磨次数
高速，打磨长度D=10000×d的打磨次数
0.0≤d<0.2
8
12
0.2≤d<0.3
10
14
0.3≤d<0.4
12
16
0.4≤d
16
20
　　② 打磨模式
　　钢轨打磨模式的制定要考虑主要轨道线型的因素，如直线轨道、曲线轨道或伸缩接头。打磨模式由轨道线型情况和打磨次数联合决定。打磨模式分如下几类：
　　（1）轮/轨接触区打磨
　　a) 侧边打磨：首先，把磨石放置于钢轨轨距边角和外侧边角的位置，使钢轨头部保持“凸”形，相应也增加了磨石的接触面积、提高了打磨效率（图7的A和B图）；
　　b) 钢轨头部打磨：为了移除轮轨接触区的波磨，将磨石放置到钢轨头部中心位置进行打磨（图7的C图）；
　　c) 形成钢轨新的外形：打磨钢轨的滚动表面，恢复钢轨头部表面的理论外形或原始外形（图7的D图）。

（2）轨距边角打磨
　　根据轨道线型如曲线、直线或伸缩接头来布置磨石的位置，如下：
　　a) 曲线半径在2000m~4000m（图8的A图）：根据磨耗的范围，在钢轨断面倾斜的角上布置磨石（最大为70度）。
　　b) 切线或直线地段（图8的B图）：当线路为半径大于4000m的曲线、轨距边角磨耗较少；或半径小于2000m的曲线、移除钢轨头部波磨比打磨轨距边角更重要的情况下，在钢轨顶面相对小的角度位置布置磨石（-40度），并在钢轨头部布置磨石。
　　c) 伸缩接头地段：为了不影响伸缩接头的其他部件，磨石布置到于轨距边角相对较小的角度位置。

① 打磨次数
　　为消除钢轨表面疲劳的预防性打磨次数由打磨机械每次打磨的金属移除率来决定，同时为了避免当通过吨数超过3千万吨时的钢轨表面疲劳缺陷的发生，要保证移除0.05~0.1mm的波磨，如表2所示。
表2  为消除钢轨表面疲劳的预防性打磨次数
打磨机械类型
16磨石
24磨石
32磨石
48磨石
打磨次数
6
4
4
2-4
　　② 打磨模式
　　由于曲线轨道和直线轨道的钢轨磨耗形状不尽相同，打磨模式也不相同，同表2所示。打磨磨石的放置角度为0~6度。
　　东日本铁路公司同时开发使用了打磨计划支持系统“TRAMS21”（Track Maintenance System 21），该系统采用了上述的钢轨打磨次数和打磨磨石制定策略。使用这个计算机辅助决策系统，结合轮轨关系、通过吨数、接触区面积分级、钢轨条件（如横向外形、波磨、钢轨头部磨耗、SPENO打磨车上次打磨的记录）等因素引起的噪音水平，钢轨打磨计划就可以制定出来。
　　3.2  澳大利亚铁路
　　在澳大利亚，共有4种类型的打磨策略来适应不同的线路要求，即矫正性打磨、过渡性打磨、预防性打磨和特殊性打磨。为了应用最有效的钢轨打磨策略，轨道下部基础所有者必须首先确认钢轨打磨短期和长期的要求。然后，建立最合适的打磨策略和标准，考虑最佳作业时间、断面目标、允许公差和打磨周期，并考虑长期的发展及预算。这些可以和钢轨打磨作业方进行协商和讨论，后者可以提供最有效的打磨工序，主要包括如下内容：
　　１）磨石的类型和数量；
　　２）磨石的打磨压力；
　　３）磨石的打磨方式；
　　４）打磨速度；
　　５）打磨次数。
　　除此之外，有效的打磨时间是实现预期目标的保证。
　　经过数次打磨周期后，就需要回顾这些打磨策略，并做必要的修改，从而进一步提高钢轨打磨的经济效益。表3列举了澳大利亚预防性打磨周期的例子：
表3  预防性打磨周期
曲线半径
（m）
打磨周期（MGT）
运煤线路
一般货运线路
客运线路
标准钢轨
头部硬化钢轨
标准钢轨
头部硬化钢轨
标准钢轨
头部硬化钢轨
≤450
5
10
10
15
10
20
>450 to 650
10
20
10
25
15
25
>650 to 1000
10
20
15
25
15
30
>1000 to 4000
15
30
15
35
20
35
>4000
20
40
25
45
25
50
　　3.3  印度铁路
　　印度铁路在一条市郊铁路线和一条运输铁矿石的曲线干线上进行了钢轨打磨测试，结果证明，钢轨打磨减少了轮/轨接触力，降低了钢轨失效的几率，延长了钢轨的使用寿命。印度铁路对延长钢轨寿命的最初措施主要停留在钢轨轨距边润滑、曲线钢轨调边、车轮疤痕再修复等范围内。
　　为了获得钢轨打磨的效果，印度铁路从美国Loram公司购买了一台配备16块磨石SX-11打磨车，并配置到东南铁路线的Howrah-Kharagpur市郊线上，负责短波波磨的处理。该线路的短波波磨引起滚动噪声，增加养护工作量，并影响了乘客乘车舒适度，如图10所示。

该段线路的波磨是由于列车突然的加速和制动造成的，打磨策略是将磨石以钢轨中心线向左右（即钢轨轨距边和钢轨外边）各旋转20度固定，每打磨20次移除0.5mm金属。这样的情况下，显著改善了乘车舒适度、减少了养护工作量、消除了噪音。
　　然而，6个月后，钢轨波磨和轮轨噪音又重新出现。分析表明市郊铁路的运营特征和轨道结构是关键：列车突然的加速和制动，结合硬度较软的钢轨（72UTS MM），再结合板结的道床和轨道的记忆性。
　　印度铁路之后将打磨车配置到465km长的Kottavalsa-Kirandul线路上，该线路为山区线路，有许多小半径曲线（最小曲线半径达到217m）。下行方向主要通过铁矿石货运列车。困难的地形和列车引起的较大接触应力，经常引起列车脱轨和钢轨伤损。为缓解这种状况，必须改进钢轨和车轮的断面形状。根据平均车轮磨耗断面形状，确定了磨耗型列车车轮；根据线路不同地段的钢轨断面数据获得平均钢轨断面形状。然后，采用钢轨打磨策略来实现期望的钢轨断面。
　　钢轨打磨策略如下：对曲线外轨的打磨，移除钢轨头部轨距边角（gauge corner，钢轨头部轨距侧的边角）的部分金属，从而避免车轮与轨距边角接触，并将轮轨接触点向钢轨中心线方向移动。之后，最小限度地移除钢轨头部外侧边角（field corner）的金属，避免轮缘接触带来的过高应力。这项措施会减少车轮滚动半径，但不会影响列车的可操作性；对曲线内轨的打磨，由于没有轮缘的影响而有所不同，轨距边角的金属移除量尽可能的小，而外侧边角要移除足够量的金属，从而避免轮缘顶部的轮轨，同时保证轮轨接触点向钢轨中心移动。
　　打磨磨石的角度和打磨次数根据钢轨所处的位置来决定。经过钢轨打磨，线路的安全性得到改善，钢轨失效减缓。钢轨的打磨还使得车轮加工次数减少。此外，经过钢轨打磨，还有效地减少了车轮滚动阻力，减少了能源消耗。
　　4  结论
　　钢轨打磨技术经过多年的应用发展，已经广泛应用于高速铁路、重载铁路和城市轨道交通的钢轨养护维修中，有效地延长了钢轨的使用寿命。在应用过程中，需要注意以下几点：
　　1)钢轨打磨的要求（钢轨短期寿命还是钢轨长期寿命）；
　　2)钢轨打磨采用的目的（降低噪音或是减少磨耗和伤损）；
　　3)钢轨打磨采用的策略（打磨策略、打磨次数、打磨模式等）；
　　4)不同的打磨目的，就要采用不同的打磨策略，同时钢轨打磨的效果需要长时间观测。
经过预防性打磨的钢轨和道岔，可延长钢轨的使用寿命３至５年。不仅提高了线路设备质量、降低运输成本，而且大大提高了旅客列车运行的平稳性，使旅客乘坐火车更加舒适。