1、打磨技術在地鐵軌道養護中的實踐探討        摘要:本文主要介紹了打磨技術,并結合其在廣州地鐵的應用,分析了地鐵軌道養護中進行打磨的必要性、打磨方法等,并就打磨標準進行初步探索等。關鍵詞:打磨;蠕滑;鏇輪;輪轂;波磨;非對稱打磨 1 概述      據國外鐵路記載,鐵路上最早發現鋼軌有波浪磨耗缺陷,是在本世紀20年代,但數量很少,未被引起注意,50年代后隨著世界各國的迅速,貨運量大幅增加,鋼軌的波浪型磨耗也隨之增加,造成鐵路軌道和機車車輛受損。60年代

2、,公司制成了第一列打磨車,帶來了很好的效益,隨之公司也相繼制成。美國、加拿大、澳大利亞及西歐等一些國家分別購置這類列車,對鋼軌進行定期打磨。       我國鐵路最早發現軌頂波磨在1960年前后,此后若干年內,國家大量科研人員從軌道結構、線路平縱斷面、機車車輛的構造和軸重以及振動、鋼軌的成分及強度、鋼軌冶煉和鋼軌的扎制工藝、鋼軌的矯直工藝以及鋼軌內的殘余應力等方面進行探討,但效果均不理想。由于波浪型磨耗則日益增多,鐵道部于1989年引進了第一列打磨車,起到了很好的效果,隨后各鐵路局先后引進了打磨車?，F在打磨技術日趨成熟,已經從最初單純

3、的消除波磨發展成為多功能的鐵路保養的技術。2 地鐵鋼軌打磨的必要性2.1 對地鐵新建線路進行打磨的必要性      對地鐵新建線路進行打磨,可以修正鋼軌制造公差和施工誤差,改善輪軌接觸。地鐵軌道工程,普遍采用的是掛枕架軌法施工的整體道床,雖然鐵墊板已經加工了相應的軌底坡,但由于各個軌枕是相對獨立的短軌枕和施工中支撐的變形以及鋼軌軌枕的制造公差等原因,使竣工后的軌底坡無法得到保證。每一塊短軌枕處鋼軌的軌底坡都略有差異,由于整體道床可調性差等原因,很難進行軌底坡的精確調整。地下鐵道工程施工及驗收規范規定,軌底坡的誤差允許為1/501/30,1/50

4、1/30的軌底坡對應的傾斜角度為1°845"1°5433",根據實際的輪對踏面錐度,采用合適的打磨模式,正確的選擇磨頭的偏轉角度和功率,可以在很大程度上消除這種施工誤差,使軌面得到一個相對不變的鋼軌傾斜度,從而改善輪軌軌接觸關系。      對地鐵新建線路的打磨,可以縮短輪軌磨合期,延長輪軌使用壽命。根據廣州地鐵一號線的運營情況來看,對于地鐵新建線路,鋼軌和輪對有一定的磨合期,在此磨合期內,輪軌磨耗較為嚴重,通過磨合,輪軌逐漸吻合,鋼軌光帶逐漸穩定成型,磨耗相對均勻。根據廣州地鐵二號線首通段的運營實踐,其

5、磨合期通常為45個月,二號線全線開通前,對全線進行了打磨,經過打磨后的軌道,其磨合期為12周,打磨后的軌道光帶穩定,軌面均勻無瑕疵,磨合期大大縮短,減少了磨合期內輪軌的異常磨耗,延長了輪軌壽命。      對新線進行打磨,可以消除新軌軌面毛刺、銹跡等表面瑕疵,提高鋼軌作用面的光潔度,完善新軌軌面,改善輪軌關系,減少列車運行噪音、提高乘客舒適度,延緩鋼軌病害的發生。1991年,法國國家鐵路()決定,每條線路按規定在鋼軌更換后進行系統打磨,以預防潛在的夾雜物和改善軌道狀態、焊縫及走行部分的狀態。2.2 對既有線進行打磨的必要性  

6、;    地鐵既有線上的軌道,經過長期的運營,部分區段會出現剝落掉塊、焊縫鞍形磨耗、肥邊、擦傷、軌頭表面由于冷作硬化出現軌道表面金屬的破壞等缺陷,特別是曲線地段還會出現波磨。地鐵運營采用的是駕駛模式,車輛類型單一,軸重一致,同一區段行車速度一致等,行車密度大、軌道在同一種工況下反復作用,整體道床彈性差等特點,因此軌道一旦出現病害,同一種病害發展速度非常快。這些病害的發展,特別是波磨地段,列車高頻率的顛簸,對車輛轉向架裂紋、隧道道床病害、鋼軌扣件的病害等起到了促進作用。廣州地鐵一號線部分區段換軌的主要原因就是波磨嚴重,最大的波磨深度達到1,此地段列車運行噪音大,顛簸

7、嚴重,根據德國西門子公司對廣州地鐵一號線長壽路至陳家祠地段地鐵車輛的振動檢測表明,其垂向震動加速度最大值約為37/2,無波磨地段最大約15/2。2002年對該段波磨嚴重的地段更換了鋼軌,2003年,對此區段進行了打磨,打磨完全消除了新出現的頂面波磨,經過打磨后,該段列車運營平穩性得到了很大的提高、噪音也與直線段基本相同,該段的車輛電機運轉的聲音流暢了很多。國內外一致認為打磨鋼軌是目前最有效的消除波磨的措施。鋼軌的定期打磨,可以消除和延緩波磨的發展、消除鋼軌表面的接觸疲勞層防止剝離掉塊、對斷面打磨還可以改善輪軌接觸條件,降低接觸應力。3 打磨方式和打磨標準的探索   

8、;   對于軌道維護中的打磨,可以分為預防性打磨、修復性打磨和鋼軌斷面廓形打磨。      (1)預防性打磨,這種打磨方式主要運用于消除鋼軌表面缺陷、曲線地段和容易出現鋼軌接觸疲勞紋的地段。掉塊、焊縫鞍形磨耗、肥邊、擦傷、軌頭表面由于冷作硬化出現軌道表面金屬的破壞等缺陷地段,預防性打磨可以起到良好的效果。曲線地段,由于內外軌長度不一樣,輪軌間產生"粘著-滑移"效應等原因,導致外軌出現了波磨。周期性的打磨,將會大大減緩波磨的發展速度,通常情況下預防性打磨,控制在0.2的范圍內較為適宜。預防性打磨也是預防和消

9、除鋼軌表面疲勞紋的有效方式,其打磨周期短,在鋼軌表面裂紋萌生時就予以消除。由于這些裂紋極淺,打磨深度一般為0.050.075,對外軌的內緣和內軌的外側打磨深度一般為0.10.15,以防止由于鋼軌塑性流動而使鋼軌斷面產生累積變形。預防性打磨與修復性打磨相比,打磨頻率高,但對鋼軌打磨的總量小,能夠延長鋼軌的使用壽命。聯邦德國鐵路()經預防性打磨過的鋼軌,其進行修理性打磨的臨界值,比沒有進行預防性打磨的鋼軌增加60百萬噸()的通過總重,此外,一項由英國鐵路研究所()在英格蘭的所進行的長達7年(19761984)的研究表明,由于預防性打磨鋼軌的波浪型磨耗被推遲至少5年,因此,對于鋼軌的打磨,應該在病害

10、消除后由修復性打磨轉向預防性打磨。      (2)修復性打磨。地鐵軌道的修復性打磨主要運用在小半徑曲線波磨較為嚴重的地段,修復性打磨對鋼軌的磨削量大。由于打磨本身也是對鋼軌進行磨削,對曲線地段的鋼軌打磨,需要嚴格控制打磨量,打磨少了,起不到打磨的作用,打磨多了,將會大大降低鋼軌的使用壽命,因此采用合理的打磨參數是很重要的。美國有關專家推薦采用指數來衡量波磨的嚴重程度,并用于控制打磨量,打磨量的多少和波磨的長度、深度、所需長度和該區段上出現抑制次數等有關,指數公式如下:其中:-波磨深度(抑制深度,以毫米為單位)   

11、;    -波磨長度(抑制長度,以毫米為單位)       -區段長度(計算所需長度,=5米)       -區段上出現抑制次數      計算法則為:計算一個增量為1米的5米距離內的一個值,對于所測得的一段距離的每一米長度,都要計算的值。該公式說明在一定深度()前提下,波磨波長()越長,波磨問題越不嚴重(與成反比),該公式用于計算波磨波長保持在30300的范圍內,最小值為120微米的情況下有效。

12、1               根據美國的打磨經驗結合廣州地鐵在波磨最為嚴重的陳家祠至長壽路和西至體育中心兩段半徑為300,長度超過500的曲線打磨來看,對于僅僅是修復軌道消除波磨而言,波磨指數<250即可,如果要使進一步減小,將會大大增加對鋼軌的打磨量,縮短鋼軌的使用壽命。國內也有研究表明:波長在250以下,波深在0.8以下的易于消除,波深大于0.8的消除就比較困難,往往有0.10.3的殘留量,波深消除到一定程度,再繼續打磨時,其殘余波深值無明顯變化。美國某

13、專門的打磨車制造公司進行的鋼軌打磨測試數據也證明了一點:在未打磨時波長為355,波深為1.27,經過第一邊打磨之后波長變為483,殘留波深為0.64,磨削量為0.13,經過第四遍打磨后,波長為914,殘留波深為0.46,磨削量為0.05,從上述試驗數據可以看出,隨著打磨遍數的增加,波長加大,磨削量逐次降低,從最初的0.38降至0.05,所以,長波打磨之后的殘留波磨是不可避免的。      (3)鋼軌斷面廓形打磨。加拿大太平洋鐵路的經驗表明,直線地段對軌距角少許打磨,可以提高列車的臨界擺動速度。由于地鐵軌道為整體道床為主,由于施工條件的影響及鋼軌

14、、軌枕、鐵墊板等施工條件的影響,軌道竣工后的狀態難以完全符合設計,而地鐵軌道的可調性較差,經過一段時間的運營,可以發現有的地方光帶或寬或窄,或偏向一側等不正常情況。有效的方法是根據光帶的實際情況,選擇合適的打磨模式,對軌道進行非對稱打磨,適當的改變軌道的廓形,可以很大程度上彌補上述原因造成的誤差。曲線地段的鋼軌,由于輪軌關系復雜,輪軌磨耗都很嚴重,它與輪軌的材質及機械性能、轉向架的結構(如定位方式、定位剛度、軸距等)、線路狀態(如曲線半徑、坡度等)、軸重、運行速度、輪軌斷面的幾何形狀、潤滑方式等有關,其動力學因素分析如下。      

15、 列車在運行過程中,車輪在支承列車重量的同時,還要在鋼軌上滾動,當列車通過曲線時,由于離心力的作用,使得輪對外輪的輪緣和外軌的頂面和內側面接觸,因錐形踏面在輪緣貼靠鋼軌時,踏面與鋼軌的接觸面為圖一所示的整個面,這種接觸,輪轂和軌頭凹凸部分在互相咬合的狀態下,由于滑動摩擦力的作用,使得這些微小的凹凸部分在咬合和分離反復進行的過程中產生疲勞現象,最終造成破壞和磨耗,使輪轂和鋼軌磨耗嚴重,成為鏇輪的主要原因,這也是新線開通后磨合期內磨合的重點內容之一,同時,由于"粘著-滑移"效應等原因,使得頂面靠近內側,即圖一中點產生嚴重的波磨,這種情況在廣州地鐵一號線小半徑的長大曲線上普遍存在

16、。      借鑒國外的經驗,根據地鐵軌道的實際情況,分析理想的軌道狀況為:(1)、對軌道而言,下股軌道光帶外靠,以使錐形踏面的小半徑部分與內軌接觸,減小內軌的行走距離,上股軌道光帶盡量內靠,使錐形踏面的大半徑作用在外軌上,以盡量平衡上下股之間的長度差,進而減少外股作用車輪的滑動,理論上如果內外軌的滾動半徑差引起的內外軌行走距離差略大于內外軌的長度差時,外側輪緣與軌道不接觸,完全由輪軌蠕滑力導向,從而防止或減緩波磨和側磨的產生;(2)、對輪對而言,為減小由于輪轂的磨耗引起的鏇輪,可以適當的打磨外股軌頭內側的圓弧,即點,經過打磨成型后的軌道如圖二

17、所示,此時軌道接觸的點和點,即兩點接觸,可以避免輪轂和軌頭凹凸部分在互相咬合的狀態下,由于滑動摩擦力的作用,使得這些微小的凹凸部分在咬合和分離反復進行的過程中產生疲勞現象而出現的磨耗掉塊等,此時點為承載點,為導向點,以點為瞬時中心而滾動,以點為導向點滑動,通過打磨。改善輪軌作用后,點以輪軌的蠕滑力導向,即可以大大減緩側面磨耗,也可以減緩頂面波磨的發生。       對鋼軌的斷面廓形進行非對稱打磨,顯著降低了輪軌橫向力和沖角,在減緩鋼軌側磨、延長鋼軌使用壽命方面取得了很大效果,國外應用經驗表明:將這種技術用于重載鐵路,橫向力可以減少50%90%,

18、延長曲線地段鋼軌使用壽命50%以上。其他地鐵的應用也表明,兩點接觸和非對稱打磨是預防鋼軌疲勞紋的措施之一。      通過以上分析可知,采取合適的打磨方法,可以使外軌的滾動半徑增加,內軌的滾動半徑減小,增大內外軌的滾動半徑差,以補償內外軌的長度差,從而減小導向輪緣力、沖角以及輪對在曲線上的滑動,達到減磨的目的,同時,通過非對稱打磨,還可以減緩輪轂的磨耗引起的鏇輪等,節約運營成本。4 結束語      打磨技術的應用,能夠有效地的改善輪軌關系,減少由于輪軌關系的惡化而引起的換軌、鏇輪、轉向架維修等大量費用,同時還可以改善列車行車