（道路与铁道工程专业论文）高速重载线路钢轨打磨方法优化研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着铁路高速重载趋势的发展，钢轨的波形磨耗和因接触疲劳而产生片状 剥落、开裂等病害呈上升趋势。钢轨打磨作为解决钢轨表面缺陷、控制轮轨接 触位置和控制钢轨外形的手段，应用越来越广泛。不管是对于除去钢轨表面缺 陷还是保持钢轨合适的外形轮廓、保证行车稳定性来说，钢轨打磨都是经济和 实用的技术。 本文通过对钢轨打磨的原理、作用、打磨策略、限值、打磨设备、打磨工 艺、质量控制标准等方面进行了一定的研究和总结，其中重点是对现行的打磨 工艺从打磨设备的合理使用和打磨工艺的完善和改进的角度进行了一定的分析 和研究。 打磨设备方面，对国内使用的打磨设备，主要是对沈阳局使用的p g m 4 8 型钢轨打磨列车在总体性能、基本技术条件、系统原理及打磨参数控制等方面 作了简要介绍，重点介绍了钢轨打磨车的打磨工艺的实现过程，以期从设备使 用角度更加完善钢轨打磨工艺。 参照国内外在预防性打磨的经验针对国内的高速重载线路的打磨现状进行 了分析，针对沈阳局实践提出了具有实际应用意义的打磨策略和切实可行的打 磨工艺的实施方案，重点介绍了打磨的速度选择与具体施工天窗的匹配、打磨 功率与打磨表面质量的关系以及打磨头角度分布与钢轨受力及外形轮廓的影 响，力图形成比较完整和优化的一个有关钢轨打磨的指导经验，对现场钢轨打 磨实践有所帮助。 本文还对线路维修中应用钢轨打磨的经济性作了初步估算。 关键词：预防性打磨修复性打磨打磨设备打磨工艺打磨质量标准 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t hm ed e v e l o p m e n to fm eh i 曲s p e e da n dh e a v yh a u lr a i l w a y ，r a i lc o n t a c t d e f 撕1 ts u c ha sc o m i g a t i o na 1 1 dp e e l 血go f fo c c u rm o r ea 1 1 dm o r e r a i lg r i n d i n gh a s b e c o m ei n c r e a s i n g l y p o p u l a ra sam e a l l so f c o r r e c t i n gs u r f a c ed 锄a g et or a i l s ， a n d a l s oc o n t r 0 1 1 i n gw h e e lc o n t a c tp o s i t i o n ( s ) a n dr a i l h e a dp r o f i l e r a i lg r i n d i r 培i sa p r a c t i c a la n de c o n o m i c a lt e c m q u ef o rn o to n l yr e m o v i n gs u r f a c ed e f 色c t sb u ta l s o m a i n t a i n i n gf 打o r a b l er a i lp r o f i l e s h l l i sp 印e r ，i ti sm a i n l yt os t u d yo nt h ep 血c i p l e ，劬c t i o n ，s 订a t e g y ， l i m i t ，p r o c e s sa n dq u a l i t yo ft h er a i l 曲d i n 吕i ti si n l p o r t a l l tt oa n a l y z eo n 血er a i l g r i n d i n gp r o c e s sa n dt h ef i l l l ya n dr e a s o n a b l eu s eo ft 1 1 e 鲥n d i l l gm a c h 血ei n p r a c t i c a l t r a l l s i ts y s t e m t 0m ee q u i p m e n to fr a j l 鲥n d i n g ，i tm a i n l yi n t r o d u c ep e r f o n i l a i l c eo fm e p g m 一4 8 鲥n d i i l gm a c t l i n eu s e di ns h e i l y a i l gr a i l w a y sa n dt l l ec o m o l l i n go fm e p r o c e s s a c c o r d i n g a st h ep r e v e n t i v er a i l 鲥n d i n ge x p 甜e n c eo f n r co fc a i l a d a ，i ta l s o m e st op r e s e n tar a i lg m d i n gs 仃a t e g ya n dp r o c e s sf o rp r a c 廿c a lu s ei ns h e n y a n g r a i l w a y s ht h i sp a p e r ，i ti si m p o r t a n tt oe n 巾h a s i z e 也er c l a t i o n sb e t w e e ng 豳m n gs p e e da n dt h ew i i l d o wt i m eo nm es p o t ，b e 鲰r e e nt h eg r i n d i n gp o w e ra n dt h eg r i n d i n g q u a l i t y ，b e 觚e e nt h em o t o ra n 9 1 ea 1 1 dt h er o u g i l n e s so f t h es u r f a c e ( m ef o r c ee f f e c to n t l l er a i l ) l o o kf 0 1 w a r dt h e s ee x p e r i e n c et oh a v eb e n e f i tt or a i l 掣i n d i n go nt l l e s p o t s na l s oe s t i m a t em ee c o n o m i ce f 南r to fr a i l 豇n d i n gr e f b r r i n gt od o m e s t i ca n d f o r c i g ne x p e r i e n c e k e yw o r d s ：c o r r e c t i v eg r i n d j n g ；p r e v e t i v e 嘶n d i r 喀；鲥i l d i n gp r o c e s s ；g r i 池g q u a l i t y ；笋i n d i n ge q u i p m e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪言 钢轨打磨的产生主要是从消除波磨发展而来，在具体实践中发现，钢轨打 磨对于消除缺陷、减小接触应力、控制伤损、改善导向、控制噪声、提高乘坐 舒适性等有着重要意义，从修复性打磨到预防性打磨，钢轨打磨的应用上了一 个新的台阶。 1 1 打磨的发展过程 1 1 1 国外钢轨打磨技术的出现和发展 钢轨打磨工艺的提出最先是为了控制钢轨波磨，钢轨波磨现象破坏在1 9 世纪6 0 年代和7 0 年代最为严重。钢轨打磨的目的在于消除钢轨的波形磨耗和 控制钢轨的接触疲劳，防止因接触疲劳而产生片状剥落、开裂等病害。随着打 磨设备和技术的不断改进，以及优质钢材和先进润滑技术的应用，已经基本上 能够消除钢轨的波形磨耗，有效地控制剥落现象，大幅度提高钢轨寿命。 在钢轨打磨的早期发展阶段，主要对钢轨采用修复性打磨，而目前，较多 地采用预防性打磨，各个国家也总结了相当丰富的经验，在钢轨打磨的工艺、 要求的外形轮廓、质量标准方面形成了一系列的规范的制度和施工措施。而且 能够达成的共识是钢轨打磨是实现最佳轮轨相互作用的关键，几乎所有的铁路 公司都把钢轨打磨看作解决钢轨波形磨耗、剥落、开裂问题的有效方法。城市 高速运输系统尤其把钢轨打磨看作改进车辆动力学、乘车舒适度和控制噪声的 有效途径。采用预防性打磨，对于减少线路上钢轨伤损，提高钢轨寿命成效显 著。俄罗斯、日本、法国和德国的国家铁路上，钢轨打磨也被认为是延长钢轨 使用寿命和降低噪声的最有效手段之一。 1 1 2 我国钢轨打磨技术的应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 我国从1 9 8 9 年开始在工务维修中使用钢轨打磨列车。随着铁路提速战略的 实施和全国大中城市轨道交通的兴起，钢轨不平顺、剥落、接触疲劳和噪声等 病害成为目前所面临的一个重要问题。同时，由于轮轨磨损，需要频繁地旋修 轮对和更换钢轨，造成了大量的能源浪费。根据国内应用单位的实践经验，钢 轨打磨既可以延长钢轨使用寿命，节约钢轨费用，又可以消除钢轨伤损，确保 铁路提速的实施。但是，目前国内的钢轨打磨大多只停留在修复性打磨阶段， 对预防性打磨的认识和工作的开展还远远不够，还没有形成一整套合理的钢轨 打磨施工作业组织程序。从工务维修的长远利益来看，应该积极发展钢轨打磨 技术。铁道部在“铁路九五计划和2 0 1 0 年发展规划”中己明确提出了“加 速实现养路机械化，完成繁忙干线装备大型养路机械的目标，特殊地区发展专 用养路机械，使大型高效养路机械的大修覆盖面达到正线的1 2 ，使线路面貌 有较大改善”战略目标，对于发展钢轨打磨，提高我国线路维护水平有着重要 的指导意义。 1 2 钢轨打磨的意义 1 2 1 消除波磨 钢轨波形磨耗是重载线路上常见的钢轨病害之一。现有波磨成因理论大致 可分为两类。第一类称为动力类成因理论，第二类称为非动力类成因理论。从 轮轨系统振动分析角度解释波磨发生是因为轮对发生粘滑振动，轮轨间磨耗功 发生剧烈波动，造成钢轨的不均匀磨损或压溃 4 。 波磨会加剧列车振动和噪声污染，对铁路沿线居民带来很大的危害，这种 噪声和产生的振动也影响乘客的舒适感。同时由于钢轨表面的不平顺，引起轮 轨作用力急剧增大，使机车车辆和轨道产生剧烈振动，促使轨道和机车车辆相 关部件伤损的产生和发展，从而增加维修费用。如果钢轨波磨严重，车辆振动 加大，容易引起列车减载脱轨，也容易引起钢轨和车轴的断裂，影响行车安全。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 而且由于波磨轨面的不平顺，导致轮轨粘着不良，相应地增加了轮轨运行阻力。 另外由于轮轨系统振动加剧，大量增加机车牵引能耗。 波磨的减缓措施可以从减小轨道不平顺、加大轨道弹性、提高轨道阻尼、 适当降低曲线地段上股钢轨超高、提高钢轨材质强度及耐磨性能和控制涂油润 滑和钢轨打磨等多方面考虑，实践经验证明钢轨打磨是解决钢轨波磨得非常有 效的手段之一。 1 2 2 增加轮轨寿命 国内外实践证明通过以下途经可以达到轮轨寿命最大化的目的。 2 3 a 钢轨材质改良 钢轨寿命很大程度上依靠钢轨的纯净度、合金成分和内部组织通过淬火提 高钢轨硬度。减少轨头内部夹杂缺陷的数量和尺寸就减少了钢轨的横断面缺陷 例如横向断裂的倾向。组织结构优化也会增加钢轨硬度和耐磨性能。 b 轮轨轮廓合理搭配 轮轨轮廓形状对轮轨间作用力有重要影响，而且哪怕是一个微小的变化。 车轮踏面磨亏过度会导致滚动阻力的增长并由此增加燃料消耗和钢轨磨损，侧 向力和脱轨倾向增加，这些都会导致对轨道部件明显的破坏。 确定合理的轮轨轮廓形状目标是使轮轨横断面半径相互作用带的接触应力 低于一个破坏极限水平，而且使应力分布在一定范围内。接触应力是磨损、运 行阻力和疲劳损坏的预告者，所以通过使轮轨接触应力低于极限水平可以将轮 轨间的磨损降至最低，设置合理的轮廓配合将全面减小轮轨间应力状态、控制 应力分布，从而延长两者的使用寿命。 c 进行钢轨润滑 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 轮轨间的磨损随着交界面间的摩擦力增加而增加。因此两部件间通过润滑 而减少了磨损而且大量的实验也证明了这一点。在经济效益上，润滑显示出减 少磨损在十位数的数量级上。 润滑强调的是控制在下股钢轨和车轮间的摩擦系数。 在美国的f a s t 试验曲线的实验证明 2 4 ，在无润滑条件下，钢轨主要由磨 耗控制，其寿命约为8 0 1 0 0 m t ( 重载运输，货车重1 0 0 t ) 。在充分润滑的条件下， 钢轨磨耗速率下降1 0 倍。这样在同样的运输条件下，钢轨的预计磨耗寿命就可 达1 0 0 0 m t 。然而，实际情况是在远低于磨耗寿命时，钢轨已经发生了疲劳破坏， 为什么呢? 因为这时钢轨疲劳破坏成为控制因素。从破坏机理上看，是由磨耗 控制转为疲劳控制。因此，采用一般换轨标准，实际上钢轨润滑的寿命只能从 8 0 1 0 0 m t 提高到1 8 卟仳左右。 由此可见，钢轨打磨是提高钢轨使用寿命中除了润滑以外的一个非常必要 和有效的措旎。 d 钢轨打磨 钢轨打磨是一个非常有效的钢轨维护的方法。它可以带来许多好处，包括 去除波磨和表面缺陷( 通过改进的超声波探伤) ，减少内部损伤，而且改进的轮 廓也可以给车辆提供良好的导向作用，这些益处都转变为延长钢轨使用寿命。 美国伊利诺斯中心报告说由于采用了协调一致的钢轨打磨策略，标准钢轨的平 均寿命在大半径曲线上从2 0 0 m t 增加到8 0 0 m t ，在直线段甚至超过了 1 0 0 0 m t 【2 6 。 e 改进车辆悬挂系统 当车轮在钢轨上运行时一般总是有一个轮轨间的滑动( 蠕滑) 。由于有摩擦 力，蠕滑力越大磨损就越大。增加轮轨使用寿命的另外一种途径就是设计车辆 改善其在曲线地段的导向能力来降低蠕滑力。应用改进的车辆悬挂系统，要求 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 改良组件的曲线通过性能提升。 1 2 3 打磨的意义 钢轨打磨的意义是在钢轨打磨中逐渐认识的。实践中发现打磨可以消除缺 陷、减小接触应力、控制伤损、改善导向、控制噪声、提高乘坐舒适性等各方 面都有很好的作用。 在铁路运营系统中，轮轨部件的投资巨大，钢轨本身价值高，所以延长钢 轨使用寿命经济效益明显，意义重大。尤其是高速重载的条件下，更加加剧了 轮轨间磨损和缺陷发生的速率，轮轨寿命的最大化对投资效益最大化意义重大。 以沈阳铁路局为例，沈阳局0 5 年线路大修6 8 亿元投资中，钢轨新购、焊运卸 投资3 亿多元，钢轨的投资就会达到4 5 左右。 随着既有线路的逐步提速和新建高速客运专线的投入运行，冲击和通过总 重的增加对线路的破坏越来越明显。沈阳局长大线2 0 0 4 年通过总重最高达到 1 5 0 m t ，线路上疲劳裂纹伤损出现越来越频繁，每公里的重伤钢轨数量有所增 加，程度越来越重，可见加强钢轨预防性打磨等各种维护手段对于延长钢轨使 用寿命来说越来越显示出其重要性。 1 3 本文的主要研究内容 本文拟对高速重载铁路钢轨打磨的原理、必要性和打磨设备的合理、充分 使用，对钢轨打磨的策略、限值、打磨设备、打磨工艺、质量控制标准等方面 进行广泛的调查和研究总结，主要就打磨原理、p g m 4 8 钢轨打磨车及具体打 磨工艺质量及在铁路部门的应用等作比较详尽的研究和总结，重点对北美等铁 路在预防性打磨方面的相关经验作重点调研，结合国内实际，对钢轨打磨列车 在总体性能、基本技术条件、系统原理及打磨参数控制等方面作的分析，尤其是 钢轨打磨车的打磨工艺的实现过程的分析，以期从设备使用角度更加完善钢轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 打磨工艺，对现行的打磨工艺从打磨设备的合理使用和打磨工艺的完善和改进 的角度进行一定的分析和研究，力图形成比较完整的一个有关钢轨打磨的指导 方案，应用于国内现场作业当中。 本文拟根据国内外经验，对线路维修中应用钢轨打磨所能够达到的经济效 益方面作出初步估算。 本文重点就钢轨的预防性打磨有关问题展开研究和讨论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章钢轨打磨的原理和作用 2 1 钢轨打磨原理和分类 钢轨打磨主要针对不同的线路维护方法和维护需要，按照采用的方法和欲 达到的目的可分为“修复性打磨( 表面打磨) ”和“预防性打磨( 外形打磨) ”两 类【7 ( 有的文献【8 】将其分为：钢轨预打磨、维护性打磨、预防性打磨、矫正性 打磨与钢轨不对称打磨5 种类型) 。 2 1 1 修复性打磨( 表面打磨) 修复性打磨是要控制和清除钢轨表面己有的缺陷。轨面缺陷包括：波磨、 轨头低塌、焊接不平顺、磨耗、钢轨塑陛变形、高低不平，接头错位等。轨面 缺陷直接与轮轨竖向动力作用有关，控制表面缺陷可减小竖向振动、竖向冲击 力和噪声。 修复性打磨通常是在钢轨表面形成缺陷以后才进行。打磨列车以较低的速 度反复对钢轨进行打磨，打磨掉钢轨表面的缺陷，消除轨面病害。一般情况下， 修复性打磨周期较预防性打磨长，根据国外公司经验【3 ，在小半径曲线及其缓 和曲线地段，打磨周期为4 0 6 4 m c ( 4 0 百万英吨总重，l 英吨约台1 0 1 6 吨) ；在 直线和大半径曲线地段，打磨周期为8 12 8m t 。 2 1 2 预防性打磨( 外形打磨) 预防性打磨是通过对轨头打磨成各种形状以改善轮轨接触状态而达到控制 病害发生和发展的目的。传统的表面打磨只是简单地将轨头磨平，如图2 1 f a ) 所示。外形打磨则是根据需要将轨头打磨成一特殊形状，如图2 1 ( b ) ，而不是 简单地恢复到原来的外形。 简单地恢复到原来的外形。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 1表面打磨与外形打磨 对具有表面缺陷或发生塑性变形的钢轨而言，预防性打磨一般要经过清除 钢轨表面已有的缺陷、将变形的轨头整形和将轨头打磨成所要求的形状三个过 程。由于预防性打磨具有维护性质，是经常性的措施，因此表面缺陷通常没有 足够的时间形成，预防性打磨常简化成一道工序。 预防性打磨的打磨速度一般为1 0 虹汕左右。同样根据国外经验，一般情 况下，预防性打磨在小半径曲线地段的打磨周期为1 0 1 6 1 5 2 4 m t ，在缓和曲 线地段的打磨周期为2 0 3 2 3 0 4 8 m t ，在直线地段的打磨周期为3 0 4 8 4 5 7 2 m t 。与前修复性打磨相比，预防性打磨更能够大幅度地提高钢轨寿命和改 善轮轨相互作用。国外研究实践证明：经过预防性打磨，在小半径由线地段， 钢轨的寿命最大可能达到1 叭6 ，0 5 m t ；在缓和曲线地段，钢轨的寿命最大可能 达到2 0 3 2 1 0 m t 。 2 2 钢轨打磨的原理及作用 修复性打磨与预防性打磨都是为了改善钢轨使用性能和延长使用寿命。一 般来说，钢轨打磨可以做到控制侧磨、疲劳、波磨、减缓竖向冲击力和延长钢 轨寿命的目的。与钢轨涂油过程结合，经过细致规划的打磨过程可以延长钢轨 寿命5 0 到3 0 0 2 6 。 2 2 1 改善轮轨接触，控制磨损 钢轨打磨的基本原理是把钢轨轮廓修成理想形状，改善轮轨横向耦合断面 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 接触，改善轮轨接触纵向平顺性，把接触应力减至最小化以减小磨损。 2 2 1 1 改善轮轨横向耦合断面接触确定合理的轮轨轮廓形状 我国铁路的车辆车轮沿用的车轮踏面有两种，一种是t b 4 4 9 7 6 车辆车轮 踏面( 简称t b 型踏面车轮) ，另一种是l m 型磨耗型踏面。 t b 4 4 9 7 6 车辆车轮踏面形状如下图2 2 所示，车轮踏面轮缘内侧4 8 m m 至 1 0 0 m m 范围内由一段斜度为l ：2 0 的宜线段组成，继续向外一段斜度为1 ：1 0 的 直线段，最后与车轮外侧的r _ 6 i 砌的圆弧相切。车轮轮缘由r _ 2 3 m m ， r = 1 6 m m ，r j l 6 n l i n 和r - 4 8 m m 四段圆弧组成。t b 型踏面的形状是与5 0 k 窖标 准钢轨的截面相配合设计使用的。5 0 k g 标准钢轨截面轨顶一侧是由r = 1 3 m m ， r = 3 0 0 i m 两段圆弧组成，轨头宽7 0 m m ，轨头两侧面与轨底相垂直。由于车轮 踏面有1 ：2 0 的斜度，为了使轮轨间相互作用的法向力通过钢轨的中心线，钢 轨底面与轨枕水平面之间安装带有一定坡度的轨枕垫板，垫板的坡度称为轨底 坡。一般轨底坡为1 ：2 0 ，但也一有些线路的轨底坡为l ：4 0 。 怖州培博 图2 2 车轮和钢轨踏面形状 一，钱|碌，黼”z 二 肛 r r 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 t b 型踏面新车轮在线路上经长期运用后，踏面和轮缘逐渐磨损，如果把 磨耗的车轮经过机械加工使其恢复原形，需要旋削去大量金属材料，而旋削后 的车轮再经过一段时间使用后又将成为磨耗形状。因此不少国家铁路便把磨耗 后的车轮踏面和钢轨形状定为标准形，从而减轻轮轨磨耗。这种磨耗形车轮可 以减少金属旋削量并能延长轮轨使用寿命。我国铁路的车轮磨耗型踏面即l m 型踏面，其外形见图2 2 。l m 型踏面由两段r = l o o i r 皿及r j 5 0 0 m m 正圆弧和 一段r = 2 2 0 m m 的反圆弧和一段l ：8 的直线相切而成。在轮缘顶部以上1 5 r r l i i l 处的轮缘厚度仍保持为3 2 m m ，轮缘与踏面之间有一段r = 1 4 m m 的过渡圆弧。 6 0 蚝标准钢轨的截面是按照磨耗型原则设计的。6 0 蚝标准钢轨截面轨顶一 侧是由r = 1 3 r 眦，r = 8 0 m m ，r = 3 0 0 衄三段圆弧组成，轨头宽7 3 m m ，轨头两 侧面与钢轨中心垂直线呈1 ：2 0 斜度。 有研究证明 1 l m 型磨耗型踏面相对于t b 型踏面车轮来说，由于轮轨接 触点在踏面和轨顶面的变化范围较宽，在无摇头角的情况下轮轨间的两点接触 不大显著，因此轮轨的磨耗比较均匀，而且【m 型磨耗型踏面的两点接触之间 的横向和垂向距离较小，有利于减轻轮缘磨耗。实践也证明磨耗形车轮踏面使 用寿命较长。 国外有关钢轨外形轮廓的研究证明 2 4 ：轨头半径值较大时，磨耗寿命会 相应增加。轨头半径取2 0 英寸( 5 0 0 r n m ) 时，同样磨耗下的使用寿命在未经打 磨状态下就比1 4 英寸( 3 5 5 m m ) 的寿命加倍。 以国外三种钢轨外形轮廓为例，经研究证明 3 2 ，r e l 3 6 ，u i c 6 0 ，r e l 4 1 轨廓的正常应力比较，由于u i c 6 0 轨距侧半径相对较小( 1 3 r n m ) ，尽管三种 外形轮廓间的绝对差异是微小的，但是相对于同样的车轮轮廓，r e l 3 6 ，u i c 6 0 ， r e l 4 1 轨廓的正常应力三者中u i c 6 0 应力值相对又大得多，可见钢轨与车轮的 轮廓对轮轨间接触影响很大。r e l 3 6 ，u i c 6 0 ，r e l 4 1 轨头轮廓如下图2 3 所示， 其接触应力分布如图2 4 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 r e l 3 6 1o r e l 4 l 图2 3r e l 3 6 、u i c 6 0 和r e l 4 1 的钢轨轮廓 r e l 3 6 - 1 0 ， r e l 4 1 图2 4r e l 3 6 、c 6 0 和r e l 4 1 的接触应力值分布示意图 一点接触、两点接触及其优缺点 车轮和钢轨间的接触状态从接触点来说可能有两种，即一点接触和两点接 触。 轮对相对钢轨的横移量不大时，一般出现车轮踏面和钢轨顶面相接触，称 为“一点接触”，当轮对相对轨道的横移或摇头角位移量超过一定范围时，根 据不同的轮轨形状特点引起车轮踏面和轮缘同时与钢轨顶面和侧面接触，即所 谓“两点接触”。 一点或者两点接触在实际轮轨接触中可以分为完全密贴、密贴和不密贴几 种状态，这里最大间隙分别为s 或d o 1 ，o 1 o 4 m m 密贴 o 1n l n l s 或d o 4 n 】l i l 完全密贴s 或d 7 0 ( 2 5 0 m ) h 4h 2( 1 3 m ml 2 曲线3 5 0 到7 0 ( 5 0 0 _ 2 5 0 m ) h 4h 2 1 3 m ml l 曲线1 5 0 到3 5 0 ( 1 2 0 0 5 0 0 m ) h 3h 1 1 3 m m t t 曲线 1 5 0 p 1 2 0 0 m ) h 2t t 所有 t t 奁线 r rt t 由于不同程度的钢轨去除量使得这套模板应用范围十分广泛，包括宽轨距、 钢轨动力转向和不同钢轨硬度条件下的多种线路特性。这套模板成为北美铁路 实际应用的标准。b c r 和c p r 的应用又进了一步，对n r c 的直线模板形状重 新进行了修正。最新的北美铁路钢轨的标准形状，a r e m a1 4 1 a b ，采取了对 n r c1 4 1 磅( 约6 4 蚝) 直线重型钢轨形状经过稍微修正的外型。加拿大太平洋 铁路c p r 的数据显示即使是优质钢轨，在小半径曲线上通过总重达到1 5m t 时轨距转角也会出现裂纹。 n r c 的轨廓优化模型口i m m e l ) 应用了一个准静态导向模型 2 2 】【2 6 】，参考 了许多( 上千个) 磨耗车轮轮廓，分析了接触应力分布、疲劳伤损、稳定性和 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 2 页 曲线通过性能等参数特性。进行这个模型研究的目的就是要减少轮载在钢轨表 面集中以及而且不增加导向力和增加磨损。通过反复的过程，这一模型用来对 钢轨轮廓进行设计来优化线路( 不管是直线还是曲线) 中轮轨接触。例如，加 拿大太平洋铁路公司就把主要精力集中在“踏面变形”的磨耗形式，直线段钢 轨寿命显著增加到1 2 亿吨。 尽管缺陷最初是出现在轨距转角处，显然比较直接的方式就是打磨掉轨距 转角来防止裂纹的进一步发展，这样就扩展到了钢轨轨距外侧。钢轨轮廓上应 该从轨距侧稍微的取出一部分，把接触应力分布到外侧来广泛减少应力水平。 理想的轨廓形状是用p 1 7 m m e l 分析系统来分析得到的。 n r c 目前应用的仅有4 个模板，这是和最初的8 个屺的模板是对应的。 其中应用在上股钢轨上的模板只有一个，下股钢轨上也只有一个，另外两个模 板应用在直线段线路上。 5 2 沈阳铁路局的钢轨打磨实践 沈阳局利用p g m 一4 8 型钢轨打磨列车进行打磨以来，已经针对各种线路病 害摸索出一系列的打磨模式，常用的有针对直线地段新轨的预打磨和预防性打 磨模式、曲线地段轨距转角打磨模式、曲线上股外侧飞边打磨去除模式、曲线 上股内侧擦伤打磨模式、调整轮轨接触带位置打磨模式等等，这些打磨模式在 预防性打磨和曲线地段的修正性打磨中起到了非常重要的作用。 高速、重载的预防性打磨原则如前所述：在客运专线和重载线路直线地段 上一般采用一点密贴接触的形式，对于重载线路的曲线地段，要采用两点接触， 同时应尽量减少两接触点间的垂向距离。 5 2 1 直线地段预防性打磨 沈阳局针对客运专线和重载线路的钢轨预防性打磨工艺直线地段主要针对 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 3 页 钢轨踏面进行成形打磨，打磨速度1 2 公里j 、时，磨头功率l o k 、，打磨量为 o 2 删“遍，打磨工艺中砂轮分布如下图5 3 、表5 3 所示： 表5 3 砂轮角度分布表 图3 3 砂轮分布图 1 车2 车3 车 打磨电机# 角度( 。) 打磨电机#角度( 。)打磨电机# 角度( 。) 1 23 51 7 1 81 23 3 3 47 3 43 21 9 & 2 01 03 5 3 66 5 63 02 l & 2 28 3 7 3 8。5 7 82 62 3 2 4 5 53 9 4 0 4 9 & 1 02 42 5 2 64 54 1 4 23 1 1 1 22 02 7 & 2 83 54 3 4 42 1 3 1 41 82 9 3 02 54 5 4 61 1 5 & 1 61 43 1 & 3 21 54 7 4 80 5 2 2 曲线两点接触地段的打磨 重载线路曲线地段的钢轨预防性打磨尽量能形成密贴的两点接触，随着曲 线半径的逐渐减小，打磨量和打磨次数有所增加。 对于曲线地段的预防性打磨，可以根据曲线半径的大小可以选用l 1 、h 1 或者l 2 、h 2 。此时打磨工艺中砂轮分布角度如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 4 页 表5 4 砂轮角度分布表 图5 4 砂轮分布图 1 车2 车3 车 打磨电机#角度( 。)打磨电机#角度( 。)打磨电机#角度( 。) l 25 01 7 1 82 93 3 3 41 3 3 44 71 9 2 02 73 5 3 6l l 5 64 42 1 2 22 53 7 & 3 8 9 7 & 84 12 3 2 42 33 9 & 4 08 9 1 03 82 5 & 2 62 l4 1 4 27 1 1 1 23 62 7 & 2 81 94 3 4 46 1 3 1 43 32 9 & 3 01 74 5 4 65 1 5 & 1 6 3 l3 1 3 21 54 7 & 4 8 4 在实际打磨中，针对现场实际情况，应合理调整砂轮的分布角度，或者在 每遍打磨中选用不同的打磨工艺，进行组合打磨后包络出理想的钢轨外形轮廓。 5 2 3 打磨外观质量 秦沈客运专线按照图5 3 、表5 3 所示工艺打磨后外观如图5 5 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 5 页 图5 5 打磨后外观质量图 打磨后测量的结果如图5 6 、5 7 、5 8 、5 9 所示，从图示上可以看出，第 三次打磨后的表面粗糙度能达到第一次打磨的5 0 左右。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 6 页 图5 - 61 8 。角位置打磨一遍后的测量结果 图5 71 8 。角位置打磨三遍后的测量结果 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 7 页 图5 83 3 。角位置打磨一遍后的测量结果 图5 93 3 。角位置打磨三遍后的测量结果 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 8 页 5 3 建议国内线路打磨工艺参数 具体线路打磨参数除了钢轨打磨周期、打磨量的控制、设计钢轨轮廓以外， 其他考虑因素还有打磨长度、打磨车速度、磨头角度、磨头压力、打磨量、遍 数、作业前后轨温要求、间隔、砂轮材质及使用寿命等、钢轨打磨质量标准等。 这要在一定的施工天窗时间内综合考虑，各个现场情形有所不同。 5 3 1 重载线路打磨 钢轨打磨周期 n r c 的预防性打磨背景是大轴重、软基础，轴重在2 5 吨左右，标准碳素 轨，道钉木枕，根据n r c 钢轨打磨实践推荐的预防性打磨周期在8 1 2 m t ( 2 8 0 一 3 0 0 b h n 的普通炭素轨) 和1 2 2 5 m t ( 3 6 0 一3 8 0 b h n 高强轨) ，淬火轨地段的打磨 间隔的上限初步确定在2 5 m t 左右 3 2 。比照国内线路运营条件，一般为碎石道 床，砼枕，标准轴载2 1 吨左右，应该说钢轨受力条件有一定改善，重载线路以 长大线( 开原虎石台) 上行线为例，该线年通过总重为1 5 0 m t ，曲线半径 较小地段可以2 0 一2 5 m t 为周期，每年约进行预防性打磨6 次，大半径曲线和缓 和曲线地段可以加倍，可以4 0 一5 0 m t 为周期为周期，直线地段可以4 倍左右， 可以8 0 1 0 0 m t 为周期为周期，即一年一次到两次左右。 打磨量的控制 考虑到国内钢轨在硬度标准与国外基本相当，打磨量应基本比照n r c 标 准。 设计钢轨轮廓 在目前打磨经验欠缺的实际情况下，建议先期采取n r c 的四模板形式， 在实际应用中再逐步积累经验，再提出切合国内线路和车辆实际的打磨钢轨轮 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 9 页 廓。 对于我国目前客货混跑的提速重载线路，一般来说，直线地段采用踏面一 点接触形式，曲线地段采用密贴的两点接触，按照o 5 m m 的步进量对轨距转角 的打磨，同时注意轨距转角处的半径值，尽量避免形成一点的密贴接触，以减 轻对轨距转角的磨损。 5 3 _ 2 高速客运专线打磨 钢轨打磨周期 就国内外有关研究显示，高速铁路的钢轨病害一般主要集中在焊缝伤损、 踏面疲劳和一部分出现波磨上【1 5 【1 6 ，所以高速客运专线的钢轨打磨采用预防 性打磨是可行的。 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。 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。 对于开行列车为1 0 0 对的客运专线来说，年通过总重约为4 0 m t 左右，由于 客车轴重轻，对钢轨冲击小，打磨周期还要相对长一些。 秦沈客运专线0 5 年通过总重约为5 m t 左右，相对较小，初期伤损集中在 铝热焊缝处的焊接缺陷引起的核伤等缺陷，疲劳不明显，所以打磨周期有待于 观察伤损等缺陷发展情况后再确定，建议打磨周期在8 0 1 0 0 m t 左右。 钢轨预打磨 中高速铁路新铺轨后实施的初次钢轨打磨为新轨打磨，叫做“钢轨预打磨”， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 0 页 它不同于运营过程中的预防性钢轨打磨。对于新铺钢轨，原苏联曾规定速度大 于1 2 0 虹沛的铁路，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。 打磨量的控制 由于客车轴重轻，对钢轨冲击小，打磨周期还要相对长一些，宜采用单遍 快速打磨的方式，打磨量o 2 m m 左右。 设计钢轨轮廓 也建议先期采取n r c 的四模板形式，由于高速铁路曲线半径较大，基本是 两个直线模板形式，采用踏面一点接触形式，特殊叫小半径曲线地段采用密贴 的两点接触，也可以按照0 5 m m 的步进量对轨距转角的打磨，同时注意轨距转 角处的半径值，尽量避免形成一点的密贴接触，以减轻对轨距转角的磨损。 5 4 打磨工艺参数的优选 打磨参数主要包括打磨列车的作业走行速度，打磨压力( 即打磨电机电流) ， 打磨砂轮角度的分布。p g m 4 8 型钢轨打磨列车的打磨工艺具体如下： 5 4 1 作业走行速度 p g m 一4 8 型打磨车的打磨速度1 6 1 6 虹l 1 1 ，最高打磨速度2 4 k m m 。 在沈阳局，由于采用比较长的周期进行预防性打磨，一般设定在打磨三遍， 打磨速度为1 0 1 2h 油，按照一个施工天窗为三个小时，对于区间长度在8 1 c y k m 的小区间，基本满足每区间一个旋工天窗，对于1 5 2 0 公里的大区间，也能满 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 1 页 足两个施工天窗的打磨工作量。 由于打磨速度相对较低，打磨后外形尺寸基本能够保证在o 2 m m m 左右， 完全满足铁路线路维修规则的要求。 5 4 2 打磨压力( 打磨电机功率) 打磨车的打磨压力是通过两个液压油缸对打磨电机施加向下的力而产生 的，其压力是通过功率显示的。北京局的经验是根据打磨列车电机性能要求， 应用正交试验法，确定了在保证打磨质量的前提下，尽可能提高打磨电机的设 定电流，其最佳电流值为2 0 a 。电流过小，打磨效率下降：电流过大，钢轨表 面出现严重发蓝现象。在长大单线隧道内，打磨电机电流降至1 8 a 。经试验， 效果良好。 沈阳局p c m 一4 8 3 型打磨车的打磨功率范围设定在1 0 2 2 k w 之间，打磨 后表面粗糙度第一遍将近1 0 0 “m ，第三遍后能够达到5 0 m 左右，满足钢轨表 面对于粗糙度的要求。 5 4 1 3 打磨砂轮角度布置 打磨砂轮角度布置主要是依据钢轨磨耗状况和要求达到的轨形来制定。一 般来说，打磨砂轮的角度布置出于两方面的考虑，一个是从打磨砂轮在钢轨上 的布置位置和钢轨受力的角度考虑，另外就是从打磨后打磨面宽度和打磨粗糙 度的角度考虑。 从打磨砂轮在钢轨上的布置位置和钢轨受力的角度考虑，一般考虑在一个 打磨模式中若是钢轨内外侧同时打磨则要求打磨电机的布置顺序不能从+ 5 0 。 到- 4 0 。的顺序布置，则是应该按照表5 5 所示，在另一侧方向在钢轨上反向布 置，使钢轨上作用的打磨压力的内外侧最大受力两点尽量靠近，以避免钢轨受 到的扭曲力过大，影响打磨的平顺性。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 2 页 打麝小车 量完一删警却点 黻舯i 勘点 调整后竹晴 受力位置 砸 钢轨踏面 图5 1 0 砂轮布局对于钢轨受力的影响示意图 从打磨后打磨面宽度和打磨粗糙度的角度考虑，打磨砂轮角度布置与钢轨 打磨面宽度也是息息相关的。传统的考虑是在钢轨打磨区域内避免打磨面宽度 过大。打磨面宽度过大会导致由于应力峰值过大导致局部的塑性流动，增加磨 损和轮轨噪声。 典型重载线路打磨面宽度应避免轨距转角处宽度大于5 m m 和轨头处大于 8 m m 。在高速线路中要求更为严格宽度一般轨距转角处宽度小于3 m m 和轨 头处小于5 m m 以避免增强噪声。因为对于打磨面宽度上没有一个经过科学分析 的标准，要求的数值也是人们根据实践所总结出的经验值。 通过几何计算可知，在给定的半径下，打磨面宽度与打磨后轮廓在钢轨理 论弧线上波动值对应关系见表5 5 。 表5 5 给定弧半径下的最大打磨面宽度 弧半径r 最大波动值n n ( 以理论钢轨面为基准) 0 0 10 0 2o 0 4 理论打磨面宽度w 限值( “n ) 1 0 o 8 91 2 6 17 9 2 51 4 12 0 02 8 3 5 02 o o2 8 34 o o 1 0 02 8 34 o o5 6 6 2 0 0 4 o o5 6 68 0 0 4 0 0 5 6 68 o o1 1 f 3 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 3 页 0 图5 1 1 表面粗糙度与打磨面宽度关系 根据图5 1 1 所示，打磨后表面粗糙度可以由公式 a b = ( r 2 + 矿) 1 佗一r 或者 a b = r ( s e c ( n 2 ) 一1 ) 计算得出，其中a = 2 a r c t a n ( w 2 r ) 。 在重载线路中，以6 0 轨为例，半径3 0 0 m m 的踏面按照5 0 1 1 1 l l l 宽计算，要求踏 面打磨面宽度为不大于8 i l l r i l 时踏面应该分为7 份左右，此时w 取8 m m ，相邻打磨 电机夹角a 应该小于1 5 。，打磨面在理论弧线上允许波动值即表面粗糙度a b 为o 0 2 7 n l i n 。同样，高速线路要求踏面打磨面宽度为5 姐时踏面应该分为1 0 份 左右，此时相邻打磨电机夹角应该小于1 0 ，打磨面在理论弧线上允许波动值即 表面粗糙度a b 为0 0 1 m m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 4 页 第6 章钢轨打磨质量评定与打磨经济性分析 在轮轨接触实验中，钢轨踏面的精确形状对轨头和车轮踏面的磨损以及表 面疲劳的分布和数量有着明显的影响。 6 1 钢轨打磨的精度 钢轨打磨打磨设备能够达到的外形尺寸精度为o 2m m m 【3 0 】，满足宏观上 线路维修技术条件的要求。 在铁路的具体环境下提出如此精度是否真的起作用也是合理的，比如说在 预防性打磨条件下，钢轨原始状态较好，打磨量相对较小，打磨精度就容易达 到，在修正性打磨条件下，钢轨本身尺寸精度差，加上打磨量又较大，而且考 虑一些其他因素具体如线路波动、轨距变化、钢轨的化学成分、钢轨润滑的进 行程度以及打磨本身投入的费用的多少等，打磨精度就受一定的影响。 6 2 打磨后表面粗糙度 钢轨打磨的表面结束状态是一个有很多观点但是相对缺少理论证据支持的 课题。传统的做法，北美铁路详细规定了打磨结束后的钢轨表面粗糙度，重载 线路的打磨工艺表面粗糙度的标准一般是9 0 m ( 波峰到波谷) 3 0 】，而且也要求 打磨后打磨标记在通过列车碾压以后不互相重叠导致新的裂纹产生即可。 一般来说，比较高的打磨效率下打磨表面更加粗糙。这在北美铁路来说就 不是太大的问题，因为金相分析表明打磨后的印记中粗糙凸起的部分是马氏体 组织，有了一定的通过总重后就被剪切掉了，表面粗糙度就迅速恢复到了一个 稳定值，图6 1 表明经过打磨后的立即测量的钢轨纵向表面和经过3 天通行后 的钢轨纵向表面。由于下股钢轨翻转脱轨和打磨量较大后马上出现的表面现存 的高摩擦系数间的联系使得现在的打磨实践中应用了打磨后马上恢复摩擦系数 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 5 页 的产品来恢复摩擦环境来避免侧向力过大，比如说钢轨润滑。 在欧洲，钢轨表面打磨结束后问题较大，由于钢轨的粗糙表面与轮轨噪音 增加有很大的关系。但是英国最近的实践证明较大量的打磨后的轮轨噪音可以 通过细化打磨方式( 打磨电机角度和打磨压力) 和提高打磨速度来解决。这种 经验提出缩窄轮轨接触区域的打磨面宽度。 尽管打磨后轮轨噪音是有所增加，但是运行一段时间就会返回到原来正常 的水平。 总而言之，在一般重载线路上，对打磨后质量要求不是十分严格，相对而 言，对于高速线路而言，对于打磨后表面粗糙度要求相对较高些。因为列车速 度越快，对于表面粗糙度越敏感，所以打磨后如何控制侧向力应该引起重视。 v i 4 嘲徽米 ( a ) 图6 一l轨顶表面状态：( a ) 新打磨钢轨轨面( b ) o 1m t 后的轨道表面 6 3 线路维修中应用钢轨打磨的经