（机械设计及理论专业论文）基于轮轨几何特征的钢轨打磨应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 自改革开放以来我国经济迅猛发展，物流事业的腾飞，以及国家春运的要求，各 地区间的交流变得更加频繁。正是在这样的大的社会背景下，我国铁路正向着安全、高 效快速、长编组重载方向发展。在长期的运营过程中，钢轨材质的磨耗和退化的自然过 程，随着其不断的发展，可能导致钢轨的迅速失效。当外加的接触应力和钢材本身的屈 服强度不平衡时，钢轨的成本就会增加，因此钢轨打磨技术逐渐成为一种对于处理钢轨 接触疲劳和塑性流动过程加以控制的维修技术。 本文研究工作就是在这样的社会背景下，初步分析讨论了轨道交通中经常遇到的 接触疲劳问题和异常磨耗问题。通过建立车辆轨道耦合动力学模型和基于几何参数的型 面设计模型，设计了高速客运专线的小半径曲线、中等半径曲线以及直线段的钢轨打磨 型面，并经过了车辆动力学的验证，对比了钢轨打磨前后的设计型面对轮对横移量、轮 轨垂向力、横向力、脱轨系数等影响。同时也根据基于几何参数型面设计经验法，设计 了地铁轨道小半径曲线型面，并对其进行了动力学验证，设计的非对称型面在小半径曲 线上，可以有效增大滚动圆半径差，使轮对产生自导向能力，增强车辆的曲线通过性能， 减小轮对横移量。本文的具体工作及取得成果如下： 1 、本文提出了一种基于轮轨接触几何特征的型面设计方法，并设计了高速客运专 线的直线段、小半径圆曲线、中等半径圆曲线的钢轨轨打磨型面，分析比较了 打磨前后钢轨型面的接触几何特性及对车辆动力学性能的影响，结果表明打磨 后的钢轨型面能够有效降低轮轨间的接触压力，改善接触状态，提高车辆曲线 自导向能力。 2 、本文根据轮轨接触几何特征型面设计方法设计了地铁轨道小半径曲线打磨型 面，并对比分析了打磨前后的车辆动力学性能，结果表明打磨后的钢轨型面能 够显著降低轮对横移量、轮轨垂向力、脱轨系数等，提高了车辆的曲线通过性 能。根据对打磨周期内不同速度条件下车辆曲线通过性能进行动力学仿真，得 出了关于不同型面在不同速度和激扰条件下最大轮轨垂向力之间的关系，仿真 结果与现场观测相一致。 3 、本文提出了一种可以综合考虑打磨列车等设备折旧成本、打磨成本、停车成本、 检测成本、风险成本、置换成本在内的钢轨打磨成本现值计算模型。为了优化 钢轨打磨提供数据基础。 关键词：钢轨打磨；型面设计；接触疲劳；动力学；经济学模型 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 t h ee c o n o m yo fc h i n ah a sg r o w nr a p i d l ys i n c et h ee c o n o m i cr e f o r ma n dt h eo p e n i n g u po ft h en a t i o n t om e e tt h en e e d so ft h ef a s td e v e l o p m e n to fl o g i s t i c sa n dt h et r a v e l i n g n e a rt h et r a d i t i o n a lc h i n e s en e wy e a r , t h et r a n s p o r t a t i o na m o n gd i f f e r e n tr e g i o n sb e c o m e m u c hh e a v i e r u n d e rs u c hb a c k g r o u n d , t h ec h i n e s e r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n i sa l s o d e v e l o p i n gf a s tt o w a r d se f f i c i e n c y , s a f e t y , h i g hs p e e d ，a n dm u l 邱l em a r s h a l l i n gh e a v yh a u l d u r i n gal o n gs e r v i c el i f eo ft h er a i l ，t h en a t u r a lp r o c e s s e so fw e a ra n dd e t e r i o r a t i o no fr a i l s t e e lc a nr e s u l ti nar a p i dc o n d e m n a t i o no fr a i l t h er a i le c o n o m ya l s os u f f e r sf r o mt h e u n b a l a n c ei nt h ea p p l i e dc o n t a c ts t r e s s e sa n dt h eu n b a l a n c e dy i e l ds t r e n g t ho ft h es t e e li t s e l f g r i n d i n go fr a i l sh a sb e c o m eam a i n t e n a n c et e c h n i q u et h a tc o n t r o l st h er a i ls u r f a c ef a t i g u e a n dp l a s t i cf l o w u n d e rs u c hb a c k g r o u n d ，t h i st h e s i sc o n d u c t sad i s c u s s i o no nc o n t a c tf a t i g u ea n dt h e a b n o r m a lw e a ro ft h er a i l ，w h i c ha l eo f t e ns e e ni n r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n u s i n gt h e v e h i c l e t r a c kc o u p l i n gd y n a m i c sm o d e la n dt h er a i l p r o f i l ed e s i g nm o d e lb a s e do nt h e r a i l w h e e lg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i st h e s i sd e v e l o p e dr a i lg r i n d i n gp r o f i l e sf o r t h es h a r p c u r v e s ，m i l dc u r v e s ，a n dt a n g e n tl i n e so ft h et r a c kf o rp a s s e n g e rr a i l w a yl i n e s t h e c o m p a r i s o nw a sa l s om a d ef o r t h el a t e r a ly i e l 也v e r t i c a lf o r c e ，1 a t e r a lf o r c ea n dt h ed e r a i l m e n t c o e f f i c i e n tb e f o r ea n da f t e rr a i lg r i n d i n g b a s e dt h ee m p i r i c a lr a i lp r o f i l ed e s i g nm e t h o d b a s eo nt h ec o n t a c tg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c s ，r a i l 舒n a i n gp r o f i l e sf o rs h a r pc u r v ei nt h e m e t r ow a sd e s i g n e di nt h i st h e s i s t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g n e dp r o f i l e sw a s t e s t e d i ti sf o u n dt h a tt h ed e s i g n e dp r o f i l e si m p r o v e st h ew h e e l s e t sa b i l i t yo fs t e e r i n gb y m a k i n gt h ew h e e l sr o l l i n g a td i f f e r e n tr a d i i ，t h e r e f o r e ，i m p r o v e st h ev e h i c l e s c u r v i n g p e r f o r m a n c ew i t hl e s sl a t e r a ly i e l d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n si nt h e p r e s e n tt h e s i sa r e a sf o l l o w s ： 1 ad e s i g nm e t h o do fr a i lp r o f i l ei sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h ec o n t a c t g e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c s g r i n d i n gp r o f i l e sa r ed e s i g n e df o rt h es h a r pc u r v e s ，m i l dc u r v e s ， a n dt a n g e n tl i n e so ft h et r a c kf o rh i g hs p e e dp a s s e n g e rr a i l w a yl i n e s c o m p a r i s o n sa r em a d e f o rr a i lc o n t a c tg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dv e h i c l ed y n a m i c sb e f o r ea n da f t e rr a i lg r i n d i n g t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dr a i lg r i n d i n gp r o f i l e sc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v e sw h e e l - r a i l c o n t a c tb yr e d u c i n gc o n t a c ts t r e s sa n di m p r o v e sv e h i c l ec u r v i n gp e r f o r m a n c e 2 b a s e do nt h eg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fw h e e l - r a i lc o n t a c ts u r f a c ed e s i g nm e t h o d s ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 鼍曼曼曼鼍i 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼! 量曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼曼鼍曼曼皇曼曼曼曼曼曼鼍曼蔓曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇璺曼曼蔓曼寡曼曼曼曼曼 g r i n d i n gp r o f i l e s f o rs h a r pe u l w e si nm e t r ol i n e sa r ed e s i g n e d d y n a m i ca n a l y s i si s p e r f o r m e dt oc o m p a r et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l eb e f o r ea n da f t e rg r i n d i n g 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h eg r i n d i n gp r o f i l e ss i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ea m o u n to fs l i d i n g ，t h e w h e e l r a i lv e r t i c a lf o r c e ，t h ed e r a i l m e n tc o e f f i c i e n ta n di m p r o v et h ec u r v i n gp e r f o r m a n c eo f t h ev e h i c l e 3 an e we c o n o m i cm o d e lf o rr a i lm a i n t e n a n c ec o s t si sp r o p o s e d t h en e wm o d e l c o m b i n e st h ec o s t sf o rr a i l g r i n d i n g ，r a i l d e f e c ti n s p e c t i o n , s e r v i c ed o w nt i m e , r a i l r e p l a c e m e n t , l u b r i c a t i o n , r i s ka n dd e p r e c i a t i o n t h em o d e lo f f e r sap l a t f o r mf o ro p t i m i z i n g r a i lg r i n d i n g k e y w o r d s ：r a i lg n n d i n g ；p r o f i l ed e s i g n ；r o l l i n gc o n t a c tf a t i g u e ；v e h i c l e - t r a c kc o u p l i n g d y n a m i c ；e c o n o m i cm o d e l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及工程意义 第一章绪论 在现今的中国经济高速发展的时代，铁路一直保持着国民经济大动脉的角色，同 时在国家中长期科学和技术发展规划纲要中，也明确把高速轨道交通系统等列为科技优 先发展的主题。相对于世界铁路发展而言，我国铁路建设起步较晚，1 8 8 1 年清政府修 建第一条中国铁路一唐胥铁路，但是由于后来的种种原因，我国铁路发展较为缓慢， 直到2 0 世纪9 0 年代，以兰新复线、京九线等为代表的铁路项目建设的展开，使得我国 铁路建设进入一个快速发展的新阶段【1 】。当2 0 0 4 年1 月国务院审议通过了国家中长 期铁路网规划，明确提出：到2 0 2 0 年，全国铁路运营里程将达到l o 万公里以上，现 有运营线路电气化覆盖率达到5 0 以上，我国将建设1 2 0 0 0 k m 的准高速铁路和高速客 运专线，设计速度为2 5 0 3 8 0 k m h 。随着京津城际铁路在2 0 0 8 年8 月正式通车运营， 标志着我国第一条高速铁路正式投入运营，同时也意味着我国铁路建设发展，进入了一 个高速发展的新阶段。 为了加快高速铁路建设，适应高速铁路发展的需求，我国于2 0 0 8 年1 1 月将原国 务院审计通过的中长期铁路网规划做了调整：到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程将要 达到1 2 万千米以上；电气化覆盖率达到6 0 以上，复线率达到5 0 以上，进一步扩大 铁路网规模，提高电气化铁路比重：客运专线建设达到1 6 万公里；在国内主要繁忙的 铁路营运干线实行客货分线，全国铁路基本形成一个衔接顺畅、功能完善的四横四纵网 络结构，不但使铁路运输能力满足社会和经济发展的需要，还要使主要铁道技术装备达 到国际先进水平【2 】。 铁路运输以其运量大、速度快、安全性高、准确性高、舒适度高、耗能少、占地 少、工程投资低、效益好，相对于航空、公路运输而言污染小，不受自然气候条件的严 重制约等突出特点，对推动社会和经济的向前发展起到极其重要的作用，在世界运输业 中具有其他行业所不可代替的地位 3 】。因此世界各国都在积极发展铁路运输事业，如高 速客运专线，货运重载线路以及城市轨道交通项目等。 在铁路运输的大系统中，轮轨滚动摩擦副是铁路运输移动设备和固定设备的结合 部位，也是关键部位，列车的启动、运行和制动以及传递运输重量要靠轮轨滚动接触作 用得以实现。自从轮轨铁路诞生以来，轮轨材料和几何参数以及相应的技术虽然在不断 改进，但轮轨运营过程中造成的一系列问题至今未能得到很好地解决，如轮轨滚动接触 疲劳伤损、轮轨噪声、脱轨等问题的机理，人们还未深刻地了解它们和解决它们，这些 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 问题不仅使铁路运输业的成本居高不下，而且影响到行车安全，在某种程度上限制了轮 轨交通的发展，使铁路运输在与其它运输业的竞争中不占优势，在某些发达国家( 如美 国) 轮轨交通运输已成了夕阳产业，甚至被淘汰，这主要是取决于钢轨的使用寿命，钢 轨的使用寿命主要取决于钢轨的非正常磨耗和滚动接触疲劳。而随着铁路运输速度的日 益提高及运量的不断增加，对铁路系统的要求越来越高。高速重载线路投入运营后，钢 轨出现了各种表面伤损( 如钢轨波浪形磨耗、轨面擦伤、轨面剥离、轨侧严重磨损、裂 纹和轨头压溃等【4 】，如图1 1 所示) ，且发展速度较快，影响了铁路运输能力和经济效 益的提高。要延长钢轨的使用寿命，就必须定期对钢轨进行维护，防止损伤的产生以及 进步恶化，从而保证行车的安全性和舒适性。 ( a ) 钢轨轨面擦伤 ( c ) 钢轨侧面磨损 飞、攀鬈罐懑薰蚕蓼嚣囊瞧霪募疆 ( b ) 钢轨波浪形磨损f 波磨) ( g ) 钢轨轨头压溃 图1 1钢轨主要的磨损和滚动接触疲劳形式 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 要延长钢轨使用寿命，需要考虑到钢轨的制造和养护维修两个重要的方面。具体 的措施包括发展新的轮轨材料生产高质量的钢轨和车轮，进行有效的润滑轮轨界面控制 接触面的摩擦系数，和对钢轨断面进行科学的打磨( 钢轨打磨技术) 。钢轨打磨是线路 养护维修中的重要手段 5 1 ，加拿大、美国、澳大利亚、瑞典、印度等国的铁路维护实践 证吲删j ，采用打磨的方法来预防钢轨波磨、控制滚动接触疲劳、裂纹扩展和异常磨耗 有较好的效果，并取得了巨大的经济利益【4 】，如 ( 1 ) 可以有效的消除了轨道的不平顺，降低或减少了轮轨间的振动，提高车辆及 轨道的稳定性，降低了线路与机车车辆的维修成本。 ( 2 ) 与钢轨涂油相结合，可延长钢轨寿命5 0 - 3 0 0 t m 】。 ( 3 ) 改善轮轨粘着，减小滚动阻力，提高了行车安全，节约了能源。 ( 4 ) 降低了噪声与振动，提高了旅客的舒适度。 钢轨的磨耗和疲劳是难以避免的材料自然破坏过程，随其不断发展，将导致钢轨 失效。当接触应力和钢轨材料强度不匹配时，出现磨耗或是疲劳，导致运营成本的提高。 因此，钢轨打磨逐渐成为一种对轨面疲劳和塑性流动过程加以控制的维修方法。1 9 9 3 年，j c o o p e r i l l 将钢轨打磨技术分为预备型、预防性和修复性。贺振中【1 2 】将打磨分为矫 正性打磨、维护性打磨和预防性打磨。牛道安掣1 3 】将打磨分为预防性打磨和病害性打 磨。郭福安等【l4 】将打磨分为预打磨、预防性打磨、保养性( 轮廓性) 打磨和校正性( 修 理性) 打磨。金学松1 1 5 j 等根据打磨作用区域不同可以分为表面打磨和外形打磨；根据 作用的目的不同分为校正性( 修理性) 打磨、保养性( 轮廓性) 打磨和预防性打磨。表 面打磨是要控制和清除钢轨表面已有的缺陷，例如：波磨、轨头塌陷、轨头不平顺、塑 性变形、高低不平顺等。外形打磨是指将轨头打磨成各种目标形状以改善轮轨接触状态 以达到控制钢轨伤损的形成和发展、改善车辆轨道动力学行为的打磨。外形打磨可以控 制钢轨侧磨和轮轨横向作用力、钢轨疲劳和波磨、提高车辆的临界速度和曲线通过性能。 这种打磨行动往往在新钢轨铺设完后就辅助实施，以达到降低轮轨接触应力目的。 校正性打磨主要是通过打磨消除钢轨表面已经产生的病害，如波形磨耗、车轮擦 伤、轨头裂纹以及接头的马鞍形磨损，尽可能的恢复轨头的原有轮廓，校正性打磨主要 是当钢轨表面的滚动接触疲劳发展到一定的程度是，不进行校正打磨就不能保证车辆运 行的安全性和舒适性的时候所采用的一种打磨方式。校正性打磨是打磨列车以较低速度 通过病害区域，对轨头进行往复的打磨，且校正性打磨的一次磨削量较大【1 6 1 。 保养性打磨是采用一次通过性打磨方式，以较高的打磨速度把钢轨断面打磨成最 佳轮轨接触几何形状，将许多再生轨面接触疲劳消除在萌芽状态，以减缓波磨和其它疲 劳伤损的产生，并有减少侧磨的作用，以改善钢轨的受力和减缓曲线段的磨耗，同时也 能维持车辆具有较高的动力学性能。实施保养性打磨方式，打磨列车以较高的打磨速度 一次性通过病害区域，去除较少的轨头金属，保证良好的轮轨接触几何特征，通常与校 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 正性打磨配套使用。 预防性打磨是控制钢轨接触疲劳的一种技术，力图在钢轨轨头裂纹开始扩展前就 把处于萌生阶段的裂纹打磨掉，控制钢轨表面接触疲劳的扩展，要求定期打磨。预防性 打磨的深度很小，通常需要去除钢轨表面o 1 5 - 0 4i l l l t i 的疲劳金属材料和表面微小裂 纹。虽然实践发现表面裂纹具有减弱钢轨变形流动的能力，但同时发现在较大的重轴载 荷或较差的接触几何条件下( 如液体的注入) 会加速扩展，所以，所有打磨方式都将涉 及到对疲劳表面的修正。这些液体可能是水、润滑油或者是油水混合物，这种润滑对钢 轨寿命的影响主要体现在降低曲线的磨耗，从而改善列车曲线通过性能、稳定性和安全 性。然而，液体润滑剂会降低裂纹表面的摩擦和增加裂纹的扩展应力( 如图1 2 所示) 。 在车轮碾压前，裂纹中存在着部分的润滑液( 如图1 - 2 左侧所示) ，当车轮经过时，进 入裂纹的润滑液在裂纹口处形成“进液加压 ，形成部分空间允许润滑液进入，使裂纹 表面受到垂直压力阻止裂纹闭合，加速裂纹扩展( 图1 2 右侧所示) 。这种影响已经得 到了有限元数值仿真证实 1 7 , 1 8 】。车轮上的裂纹的相同机理也得到了有限元的数值验证 u 卅。为了有效的进行预防性打磨，打磨必须定期进行，曲线上运量大约达到1 2 0 0 万吨 后要进行一次打磨，这取决于钢轨类型，轨道曲率半径，打磨设备，轴重和轮轨型面的 相关条件。 车辆行进方向 图l ，2 ：裂纹进 车辆行进方向 钢轨打磨技术最初是在工务中进行修复短波钢轨波浪形轨面不平顺的一种维修办 法，对短波不平顺进行打磨，减小列车通过时车辆走形部件与轨道之间的振动，提高车 辆的平稳性、安全性和舒适性。同时实施科学有效的钢轨打磨技术，可以在以下几个方 面取得较好的效果： ( 1 ) 修复钢轨短波波磨等轨面不平顺，从而提高车辆运行的平稳性、安全性和 舒适性，对车辆和轨道起到减振降噪的作用，从而延长车辆及轨道各部件 的使用寿命。 ( 2 ) 可以有效的去除钢轨表面由于不良的接触状态而产生的接触疲劳，如轨头 项面剥离、轨头轨角裂纹、减少钢轨顶面的点蚀等，从而减缓轨面病害的 产生和发展速率，延长钢轨的使用寿命。 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i _ i i 一_ t_i i 皇ii i 宣i i i i i ；i 置昌 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 3 ) 通过预防性打磨可以有效地消除由于钢轨在生产中所形成的表面脱碳层、 原始不平顺和钢轨残余应力等，这种打磨方式可以有效的控制钢轨波浪形 磨损的产生和其他滚动接触疲劳的产生及发展速率。 ( 4 ) 针对轨道的不同的曲线半径、车辆类型及运行条件，将钢轨型面打磨成不 同的形状，可以有效的改善车辆在曲线段的接触状态，提供较大的滚动圆 半径差，提供较好的车辆曲线通过性能，同时也可以有效的防止出现较高 的接触应力，减少因轮轨接触不良造成的轨头塑性形变等病害。 ( 5 ) 较好的钢轨打磨策略可以有效的控制钢轨的磨耗，使得钢轨磨耗和滚动接 触疲劳处于一种动态的平衡状态，这就是e r i cm e g e l 在文献 2 0 提出的“最 佳磨损点”。钢轨的正常磨耗与滚动接触疲劳之间的平衡关系对钢轨的使用 寿命的影响如下图1 3 所示： 磨损量 图1 3 ：最佳磨损量与滚动接触疲劳对钢轨使用寿命的影响 随着我国高速铁路运营速度不断提高，行车密度的不断加大，作为直接承受车辆 载荷的轨道结构承受的载荷也越来越复杂，钢轨作为轨道结构的主体，不仅是列车运行 的直接载体，更对列车运行起着导向的作用，同时由于其相对于重载线路而言，具有列 车轴重较轻，运行速度较快、轮轨接触应力较小等特点，所以钢轨磨耗不是很严重，则 高速客运专线上主要的病害表现为滚动接触疲劳，从而影响行车的安全性和舒适性。 由此可见，钢轨的滚动接触疲劳不但增加了线路运营维修的成本，更严重影响列 车的运行安全，2 0 0 0 年l o 月1 7 日，英国一列高速列车以每小时1 8 5 公里的速度从伦 敦的k i n g sc r o s s 开往l e e d s 途中，在曲线行驶时发生出轨事故，这趟列车总共1 1 节 车厢，就有8 节车厢脱轨，一节客车和餐车厢损坏严重，两节车厢完全倾覆，车上共有 1 2 8 人，4 人死亡，7 0 人受伤。事故原因是曲线外侧钢轨由于接触疲劳而产生的断裂引 起( 如图1 - 4 所示) 【z 1 1 。所以，如何保证高速铁路钢轨的安全性且延长钢轨的使用寿命 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 已成为当今铁路工程技术研究人员的重要任务。开展作为工务部门延长钢轨使用寿命的 主要手段钢轨打磨技术的研究，降低钢轨磨耗速率和减少轨道部件的损伤，延长钢 轨的使用寿命，从整体上提高铁路运输的经济效益具有较深层次的影响。 图1 _ 4 ：2 0 0 0 1 1 1 7 英国h a t f i e l d 脱轨后钢轨碎裂现场 1 2 钢轨打磨技术应用研究现状 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 响着行车的安全性和平稳性。轨道交通开通运行后，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的质量等原因，钢轨经常会出现伤损情况，如 裂纹、磨耗等现象，使轮轨接触状态进一步恶化，造成钢轨的使用寿命的减少，工务养 护工作量的增加，养护成本的增加，甚至出现严重的行车安全。特别是在行车密度较大 的重载铁路上，轮轨的磨损和疲劳受到铁路运营者的特别关注。轮轨磨损分为轻度磨损、 重度磨损和灾害性磨损3 种形式圈。滚动接触疲劳经常发生在重载荷条件下的轨道上， 其最大的特征为轨顶塌陷、剥离和轨头裂纹。在曲线和道岔段钢轨内侧角接触区上，接 触斑较小且滑动量较大，从而增大了接触压力促使疲劳和磨损形成【2 3 1 。钢轨打磨可以 有效控制和消除疲劳裂纹、优化钢轨型面，改善轮轨关系，减少由于轮轨关系恶化而引 起的换轨、捣固、镟轮、转向架维修的那个大量费用，同时还可以有效的改善行车条件， 减小振动噪声，增加乘客乘坐的舒适度，但过度频繁地对钢轨打磨会增加钢轨的维修费 用。 2 1 2 1 国外钢轨打磨技术应用现状 在国外，钢轨打磨技术已有5 0 多年的历史，到目前已经达到较为完善阶段。钢轨 打磨的最初目的在于消除钢轨的波浪形磨耗和控制钢轨接触疲劳，防止因为接触疲劳而 产生的片状剥落、开裂等病害。在钢轨打磨的最早发展阶段，主要是进行钢轨轮廓的矫 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 _ _ i ii i 正性打磨，用于消除已有的钢轨疲劳和磨耗等病害【2 4 1 。但是现在阶段主要是采用预防 性打磨，较早的消除钢轨已有的病害，起到预防作用，有效的控制轮轨的接触疲劳和磨 耗，大幅度提高钢轨的使用寿命。 1 、 美洲铁路 北美洲的加拿大国家研究理事会地面运输技术研究所( n r c c s t t ) ，提出了一种 基于实际磨损车轮踏面的轮轨相互作用型面设计模型，该模型考虑标准踏面到磨损踏面 的磨耗变化，考虑轮缘磨损情况等。该模型主要目标是为了有效的减少轮轨间压力集中 而导致车辆的蛇行运动和异常磨耗。 n r c c s t t 的j o ek a l o u s e k e 2 5 】教授于1 9 9 1 年设计出了8 个使用不同线路段德钢 轨打磨的模板，并实际的运用在重载铁路系统上，具体型面详见下图1 5 ，其中a ) 为 轨道坐标系下的外轨模板，b ) 为轨道坐标系下内轨模板。这些模板应用在容易发生较高 磨损和塑性流动的重载曲线、直线轨道，平均每个模板在轨角处的金属去除量的间隙差 大约为0 5 m m ，其中t t 型面是直线钢轨打磨的模板，h 1 - - h 4 是曲线上股钢轨打磨模 板，且内轨角处的金属去除量逐渐增加，l 1 l 3 是曲线下股钢轨打磨模板，同时使钢 轨外侧的金属去除量逐渐增加，这些模板要求使打磨后曲线具有较好的列车通过性能的 同时，尽量减少金属的打磨量，这样就会增加钢轨的打磨效率和钢轨的使用寿命 2 6 , 2 7 。 图1 5 ：北美华盛顿重载铁路钢轨打磨型面模型1 3 0 加拿大地面交通技术研究中心( n r c c s t t ) 于2 0 0 1 年对北美太平洋铁路公司旗 下的部分货车1 0 0 0 个车轮进行磨耗情况进行了调查研究。调查结果显示j o ek a l o u s e k 2 5 】 于1 9 9 1 年设计的8 个打磨模板现在不再适合现今大运量的运煤专线的实际情况，所以 在原有的基础上设计出了4 种打磨模板( h 、t f 2 、t g 2 、l 1 0 ) ，替换原有的8 个打磨 模板( 详见表1 1 ) 。在运煤专线上采用新设计的4 个型面，在观察了一段时间后，观 测结果表明使用新的打磨型面增加了曲线上钢轨的使用寿命、延长了钢轨打磨周期从而 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 降低了打磨成本、由于型面的改变也改变了轮轨处点的位置，从而降低轮轨横向力、提 高了车辆曲线通过导向性能，延长了钢轨的使用寿命。 表1 ： 北美铁路1 9 9 3 年与2 0 0 1 年钢轨打磨型面比较 n r c c s t t 给出了渐进性预防打磨示意图( 见图1 6 ) 【2 8 1 ，在进行渐进性预防打 磨时中的第一阶段需要进行1 3 次通过的打磨，直接得到设计的目标钢轨轮廓。第二阶 段又包括3 次通过打磨，能逐渐阻止裂纹的扩展。在最后3 次通过打磨，去掉不活跃的 裂纹，从而得到干净的表面。对直线和大半径曲线，整个过程需要进行3 次循环( 阶段) 的一次通过打磨，而在小半径的曲线上需要进行9 次打磨。渐进性预防打磨的两个重要 部分是有效地润滑和保持合适的轨矩。润滑大大降低了曲线的横向力，接触应力保持在 正常的水平范围内。 第一阶段：修复型面( 1 - 3 次打磨) 第二阶段：降低裂纹压力，阻止新裂纹产生 第三阶段：去除现有裂纹，重塑工作层( 卜3 次打磨) 内轨 图1 - 6 ：预防性打磨控制裂纹扩展 一 一弋 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 虽然曲线上应用硬度较高的钢轨，对延长钢轨寿命有一定作用 2 9 1 。但润滑同样起 着重要的作用。如果没有有效地润滑措施，钢轨侧磨将十分严重，而侧磨恰是钢轨更换 的主要原因。通过有效的钢轨涂油润滑，在小半径曲线取得了很好的减磨效果。被水污 染的钢轨表面疲劳裂纹增长的速率比水和润滑剂的混合物污染的钢轨表面，裂纹的扩展 稍微快一些【2 9 1 。预防性打磨( 疲劳裂纹被清除的位置) 与润滑油相结合能够显著提高 钢轨寿命，由于润滑油能使曲线上外轨内侧面的磨耗最小且控制曲线的横向力，使一个 成功的预防性打磨和使用钢轨寿命的达到最优化。相反，在已经存在伤损的钢轨上使用 润滑油能加快裂纹的增长速率。因此钢轨维护中润滑程序是必不可少的。 在北美铁路开始使用涂油润滑时，明显的减少了磨耗，特别是在曲线外轨轨角处。 一些实例已经证明润滑可以降低磨损2 0 0 倍左右【3 0 】。这就意味着在润滑条件下2 年磨 损量和干态条件下一周的磨损量相同。北美铁路公司的滚动接触摩擦实验室证明在3 。的曲线( 半径为1 7 4 0 3m ) 的外轨上，磨损率同没有润滑条件的相比降低了1 0 0 0 倍。 当磨损率低于最佳磨损率且没有检测到表面已经产生的裂纹时，表面就会出现剥离，钢 轨的疲劳极限先于磨损极限出现。 巴西是一个重载铁路比较发达的国家，由于巴西南部地区拥有丰富矿产资源，矿 石的运量很大，运输主要是采用铁路进行。在2 0 0 2 年加拿大国家研究理事会( n r c ) 和m r sl o r a m 养路有限公司共同合作，将原来成功应用于北美重载铁路中的渐进性预 防打磨技术应用于巴西大部分的重载线路上。同时根据巴西线路的实际情况以及现场钢 轨磨损情况，重新设计了直线和曲线段的5 个钢轨型面，2 个小半径曲线外轨模板( h s ) 、 2 个使用于直线段和大半径曲线的模板( c p c 、c p f ) ，1 个适用于小半径曲线的低轨模 板。在实际线路中，曲线段设计成非对称的钢轨型面，改变轮轨接触点位置，增加滚动 圆半径差，以此来提高车辆的曲线通过性能，减小轮轨相互作用的横向力，减小由于过 大的轮轨横向力而引起的轨角接触疲劳和过度磨损的情况，同样可以减小列车通过曲线 时发生轮轨冲击的频率。巴西的钢轨打磨型面设计的经验可知，设计钢轨型面时与车轮 型面的曲率进行匹配设计，这对降低轮轨接触压力，改善轮轨滚动接触疲劳具有十分重 要的意义【6 3 】。 2 、 欧洲地区 欧洲铁路联盟从1 9 8 8 到1 9 9 6 年，联合了欧洲国家的5 所高校、7 家钢铁公司和 1 1 个国家的铁路部门，进行了长达8 年的轮轨滚动接触疲劳研究计划( d 1 7 3 ) 。计划中 利用有限元理论和断裂力学理论分析了钢轨接触表面裂纹扩展规律和机理，利用 a m s l e r 试验机研究了欧洲铁路钢轨钢u i c 一8 6 09 0 0 a 在不同硬度条件下抗疲劳抗磨损 的特性，并大量进行现场对比试验和跟踪试验，同时从理论和试验方面对轮轨弯曲应力 和滚动接触应力的交互作用过程对钢轨裂纹形成的影响进行了详细分析。 荷兰【3 ，在1 9 7 0 年开始在全线总长为4 5 0 0 k m 的铁路网上进行对安装一年半的钢 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 轨型面修复，采用的是预防性打磨的方式，但是修复的钢轨由于打磨工艺不是很成熟， 随着车辆密度和轴重的增加，加速了全线钢轨波磨的出现。在随后的1 9 9 0 1 9 9 8 年之间， 荷兰的铁路网很少实施预防性打磨方式，但是随着行车密度的增加，波磨开始大面积的 扩展，行密度增加5 ，而波磨扩张的范围增加到全部铁路网络的1 5 。基于1 9 8 0 1 9 9 0 年之间的的经验，荷兰铁路再次实施预防性打磨方式，在全线取得了较好的成绩，同时 在1 9 9 8 年选取了4 5 0 k m 长的试验线路，实施“声学打磨 方案，这种打磨方式可以有 效的控制轮轨噪声，实验数据表明声学打磨可以降低轮2 d b 的噪声。同时荷兰同样实 施对钢轨道岔打磨和水平度的打磨。 瑞士【“j ，在1 9 9 7 年开始在重载线路b a n v e r k e t 上进行，该区段从瑞士的k i r u n a 到 n o r w e g i a n ，在直线上进行了型面设计和打磨，直线型面如图1 - 7 ( a ) 所示，在采用钢轨 打磨之后，有效的控制钢轨型面的滚动接触疲劳，具体的统计结果如图1 。7 ( b ) 所示。 - 】n 。 5 2 1 。o 1 “3 一j j1 7 1 驴 ：抛 j i ： jo i 6 0 。_ x t ，_ 一、二之萨过二、 4 5 = ： 冬 jm b i 直线模板i i t - 6 0 4 7 y 、； ， 、x 、一一7 s b v 5 0 标准模板i 卜j 一 图1 - 7 ( a ) - 瑞士重载线路直线段模板和标准轨对比 2 s 2 0 k1 5 至4 0；。 7 - 7 。- 。 5 i j 毯 銎 婺 霪 鏖 嚣匿委 o 。一一 誉p 亭章誉警窜擎窜挚 图1 - 7 ( b ) ：瑞士钢轨打磨和换轨之间的关系 j 翎n d i 旧 r a 甜r e n e w a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 3 、亚洲地区 日本【3 3 】，世界第一条高速铁路线( 日本东海道新干线) 运营不久，钢轨出现了严 重的滚动接触疲劳，为了防止高速运行产生的表面损伤向纵向发展和减低轮轨冲击接触 振动和噪声，日本铁路运输公司特别重视轨道维修质量，尤其是消除疲劳损伤打磨和预 防性打磨，使新干线运输4 0 多年来未出现重大事故。但到了上世纪末，仍没弄清预防 性打磨对降低钢轨滚动接触疲劳和提高使用寿命机理，他们利用试验方法，研究了钢轨 预防性打磨对减少轮轨滚动接触疲劳的影响，经过大量的试验分析，发现与不作预防性 打磨情况相比，钢轨准确的打磨位置、合理打磨深度和科学的打磨周期，可使钢轨裂纹 出现的可能性降低5 0 。与此同时日本的新干线采取了系列打磨措施【3 3 1 。聊a 【矧在 报告中给出了使用4 8 个打磨石的打磨机在1 6 4k m 的线路上的打磨周期是4 0m g t ，打 磨在去除钢轨表面伤损有显著的成效，下图1 8 为1 9 8 8 1 9 9 9 年的新干线去除表面伤损 的情况，十年的打磨经历，钢轨缺陷急剧下降。 嘟 籁 骤 $ 瞳 摧 荟 器 3 5 0 5 0 0 8 08 28 48 68 89 09 29 49 69 8 年份 图1 8 ：新干线去除表面伤损统计 印度铁路在一条市郊铁路线和一条运势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应力，降低了钢轨失效的几率，延长了钢轨的使用 寿命【3 引。为获得钢轨打磨效果，印度铁路从美国l o r a m 公司购买了一台配置1 6 块砂轮的 s x - 1 1 打磨车，并配置到东南铁路线的h o w r a h k h a r a g p u r 市郊线上，负责短波波磨的处 理。该铁路的短波波磨引起滚动噪声，增加了养护工作量，并影响了乘客乘车的舒适性， 该铁路的波磨是由于列车突然加速和制动造成的，打磨策略是将砂轮以钢轨中心向左右 ( 既钢轨内轨角和外轨角) 各旋转2 0 。固定，每打磨2 0 次移除0 5 m m 金属。这样情况下， 显著改善了乘车的舒适性，减少了养护工作量，降低了噪声。印度铁路之后将打磨车配 置到4 6 5 k m 长的k o t t a v a l s a - k i r a n d u a l 线路上，该线路为山区线路，有许多的小半径曲线 ( 最小的曲线半径达到2 1 7 m ) 。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损伤。为缓解这种情况，必须改进钢轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 和车轮的断面形状。根据平均车轮磨耗断面形状，确定了磨耗性列车车轮，根据线路不 通地段的钢轨断面数据活动的平均钢轨断面形状。然后采用钢轨打磨策略来实现期望的 钢轨断面。 4 、非洲地区 南非是世界运用重载技术较早也是重载铁路十分发达国裂3 6 1 。由于运输矿石轴重 较大，南非的重载铁路线上出现了较为严重的轮轨磨损和滚动接触疲劳。然而在 1 9 8 2 1 9 8 7 年期间，由于南非矿石出口量大幅度下降，从s i s h e n 到s a l d a t t h a 矿石专运 线运量也随之大大下降，同时该运输公司大大削减专运线的维修费用，用以降低成本 最终导致该线路的轨道结构状态十分恶劣。尤其是在车辆的蛇行运动产生的钢轨纵向周 期性的侧磨，如图1 - 9 所示，该条线路的侧磨周期的长度为1 2 m 1 6 m ，这是列车蛇行运 动造成的，同时轮对蛇形运动也导致车轮轮缘磨损和车轮踏面凹坑磨损严重【6 3 】。在如 此的状况下，1 9 8 8 年1 9 9 2 年，该线的运量在原有基础上又增加了6 5 。到了1 9 9 3 年， 线路周期性侧磨( 正弦式磨损) 状况变得更加糟糕，直接威胁到行车的安全。从1 9 9 4 年开始继续执行列车车辆和轨道维修计划，才进一步防止蛇行偏磨、消除已有的周期性 偏磨【6 3 i 。 图1 - 9 ：s i s h e n s a l d a n h a 线钢轨出现蛇形侧磨 在调查中发现，当周期性侧磨形式形成以后，所有通过的机车车辆将会沿着这样 磨损发生蛇行运动，并加重这种磨损。加快这种侧磨的另一个重要因素是超出钢轨材料 流动极限的轮轨横向力。如果钢轨材料流动导致的轨头“肥边”不及时去掉，则在“肥边” 下面的裂纹将会开始扩展。在轨道整治过程中，利用打磨方法能够用来维持钢轨的钢轨 型面。 从南非的重载铁路现场观测和测量的结果可知，在平直的轨道上较小的游间以及 车辆稳定的运行，导致轮轨较小接触宽带，然而确形成较大的接触应力，这种情况下使 车轮踏面和钢轨顶面容易形成的凹形磨耗( h o l l o ww e a r ) 。而车轮和钢轨接触点离开接 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 触带时，由于磨损，轮轨接触表面不密贴，则在轮缘根部、踏面外侧部位、钢轨轨角处 或项面外侧形成较大的接触应力，这种状况导致南非铁路( 象m