新建或新换铺高速铁路钢轨断面轮廓预打磨

新建或新换铺高速铁路钢轨断面轮廓预打磨

张世河

中国铁路青藏集团有限公司西宁工务段青海西宁810000

摘要：钢轨预打磨是指高速铁路线路在开通运营前将钢轨表面的锈蚀、脱碳层和工程列车碾压留下的擦伤、划痕、轻度压溃等消除掉，为列车提供更加平顺的钢轨踏面，预防、减缓车轮踏面的磨损。形成与轮对匹配的钢轨轨头断面轮廓，提高钢轨焊接接头的平顺性，应在开通运营前对线上钢轨进行预打磨。因此，预打磨应在线路开通运营前完成。

关键词：高速铁路；钢轨；轮廓；预打磨

高速铁路不仅对轨道几何尺寸提出了很高的要求，而且对钢轨轨面状态和轨头断面轮廓提出了极高的要求。由于钢轨在制造、运输、焊接、铺设等环节存在难以避免的缺陷或病害，新铺设钢轨的纵、横断面状况往往不能完全适应动车组所需要的高速、平稳运行的要求。在线路开通、试运行期间，往往表现出轴箱加速度、减载率、动力学指标无法有效控制，人体感觉有摇晃、抖动等不良反应，严重影响列车运行品质，甚至有可能威胁到高速行车的安全。2010年，上海铁路局采用美国Harsco公司生产的PMC-96C（96个打磨头）大型钢轨打磨车，在认真分析高速铁路轮轨接触关系及相关病害的基础上，成功实施了高速铁路钢轨的预打磨，出色地完成了沪杭、沪宁及京沪高速铁路先导段的打磨任务，取得了很好的效果。

一、高速铁路钢轨预打磨断面模式的优化分析

在消除钢轨表面缺陷的初始形成条件的基础上，打磨出的钢轨断面轮廓不改变或尽可能少改变车辆的动力学性能以及轮轨间的接触力学性能。

（1）设计出的打磨断面模式应使得打磨作业过程中的金属磨削量尽可能少，节省打磨费用和延长钢轨使用寿命。

（2）轮轨间接触踏面宽度不能过小。实践证明轮轨间接触光带宽度为20—30mm，将会降低轮轨间的接触应力，并减少轮轨在轨顶轨距角圆弧处接触的可能性，进而抑制钢轨金属材料的塑性流动和疲劳伤损。

钢轨预打磨深度在轨头非工作边一侧，应不小于0.2mm，在轮轨主要接触部位应不小于0.3mm，在轨距角工作边一侧应为1—3mm。

二、钢轨的断面打磨技术

1.预打磨断面轮廓

轨头部位打磨范围在-20°—+45°之间，钢轨预打磨深度在非工作边一侧（-2°—-10°）应不小于0.2mm，在轮轨主要接触部位应不小于0.3mm，在工作边一侧（10—40°）应为1—2mm。采用钢轨廓形测试仪检测钢轨预打磨断面轮廓，钢轨打磨后，车轮走行光带应居中，宽度在20—30mm之间。

按车轮的断面的轮廓设计钢轨的预打磨轨头断面轮廓，并据此进行高速线路预打磨作业，是改善轮轨匹配状态行之有效的途径。而按预打磨设计断面轮廓对钢轨进行预打磨作业后，轮轨接触位置位于轨头中央（轮轨踏面走行光带居中），轮轨踏面走行光带的宽度达20—30mm，这表明按照预打磨设计断面轮廓对钢轨执行预打磨作业后，能够改善轮轨匹配状态。

为了使钢轨预打磨后钢轨断面轮廓达到设计要求，可以采用特制的打磨断面模板或钢轨轨头断面轮廓测量仪对轨头断面轮廓进行检测。钢轨预打磨后的实际轨头断面轮廓与预打磨设计断面轮廓的误差，在钢轨轨距角部位应控制在-0.1—+0.3mm以内。

2.我国高速铁路钢轨预打磨模式

Harsco公司生产的96头大功率钢轨打磨车，作业时打磨车以预定的速度前进，作业系统装备的96个打磨电机，驱动打磨砂轮高速旋转磨削钢轨轨头。

在实际作业中，由于高速铁路与既有线钢轨存在一定的硬度差异，高速铁路施工期间，继续跟踪测试实际打磨作业效果是必要的。因钢轨材质不同所表现出的作业质量问题主要有：外侧切削量不足、轨头内侧轮廓线变化斜率过大、最大切削量位置内偏、光带略微偏宽等。上述问题通过进一步参数调整最后都得以圆满解决。最终确定的高速铁路钢轨预打磨作业模式的参数最佳组合为：

（1）打磨2遍。作业速度为18km/h，电机功率60%—75%。

（2）第一遍打磨作业的轨头断面轮廓模式为：打磨钢轨轨头的内外两侧，砂轮角度从内测59°到内侧3°、外侧3°到外侧9°。

（3）第二遍打磨作业，切削钢轨顶面，砂轮角度从内侧24°到外侧10°。

2010年，上海铁路局采用美国Harsco公司生产的PMC-96C（96个打磨头）大型钢轨打磨车,按照这一模式作业，实现了钢轨顶面0.4mm、外侧0.5mm、内侧轨距角圆弧1.2mm切削量要求和目标钢轨断面轮廓设计要求，光带居中（略偏内侧），宽度20—25mm，内侧距钢轨作用边22—25mm，外侧距钢轨轨头外侧25—27mm。自2010年9月至2011年5月，该钢轨打磨车已连续完成沪杭、沪宁和京沪高速铁路先导段等1600余千米的高速线路预打磨任务，最高日进度达38km。京沪高速铁路先导段高速轨道检查车测试结果显示，钢轨预打磨作业后轨道动力学指标得到明显改善，轴箱加速度、减载率峰值等明显下降。同时，人体对列车摇晃、抖动等感觉不良处所大幅度减少，动车组运行品质明显提高。

三、我国高速铁路新铺设钢轨的断面预打磨技术

1.高速轨道设计轨底坡对预打磨作业的影响

早在2010年中国武广高速铁路试运行期间，曾经连续发生高速动车组在运行中晃车报警，导致动车组自动停车的问题。2010年3月初，铁道部高速技术组在组织进行动车组晃车原因调研、分析时，发现除钢轨顶面正常轮轨接触光带外，钢轨轨头内侧轨距角圆弧处也出现明显接触光带，形成轮轨之间在同一钢轨断面轮廓上的两个接触位置（轮轨间处于“两点接触”状态），即出现了双光带现象，其表现形式或连续、或间断、或单股钢轨、或双股钢轨，这种双光带问题在上海铁路局先期开通运营的沪宁城际高速铁路上也普遍存在，是造成动车组晃车的重要原因之一。

对于高速铁路轨道，特别是铺设轨枕板的无砟轨道结构，如果要改变轨底坡设计，就必须改动轨下基础及轨枕板或轨枕的设计，对中国铁路已经开通运营的数万公里高速铁路来说，势必影响巨大，代价高昂。另外，即使将既有的1:40轨底坡改变为1:20，也很有可能导致钢轨外侧过于偏高，造成轮轨接触光带外移，显然也不能保证最佳的轮轨关系，同样可能对动车组的平稳运行产生不利影响。

有鉴于上述分析，最为稳妥且经济的解决方案是保留既有的1：40设计轨底坡不变，在高速线路的轨道铺设完成后，进行完“精调”作业，开通运营前，通过采用钢轨断面轮廓打磨技术，对高速铁路的钢轨进行开通前的预打磨，即通过断面打磨技术人为地重塑新铺设钢轨的轨头断面轮廓，以消除运行后可能出现的轮轨接触病害，实现最佳的轮轨接触关系。

2.高速铁路钢轨预打磨作业所需轨头目标断面轮廓的设计

通过以上分析，目前中国既有高速线路上，为确保良好的轮轨接触状况所必须的钢轨断面轮廓，无疑只能通过采用大功率钢轨打磨车进行预打磨来实现。为此，中国铁道科学研究院经过广泛分析论证和仿真计算，针对中国高速铁路运行的动车组车轮断面，在《高速铁路钢轨维修实施细则（暂行）》中提出了三种钢轨预打磨轨头断面轮廓标准。

为保证通过进行钢轨预打磨实现高速铁路良好的轮轨关系，上海铁路局组织专题研究，确定以实现打磨作业后的轨道上，“轮轨接触光带集中且居中”为原则，以铁道科学研究院提出的三种轮廓标准为基础，选择出主导型号的动车组车轮踏面所对应的最佳钢轨断面轮廓，并以此作为主要的目标打磨断面模式，在此基础上，综合考虑其他型号动车组的车轮踏面状况和钢轨的原始缺陷、病害打磨要求，研究提出钢轨预打磨目标轮廓设计。

结束语

钢轨预打磨目标轨头断面轮廓，首先保证0.4mm顶面基本切削量，以消除钢轨表面脱碳层、细小裂纹和焊接接头不平顺；重要的是，在轨头内侧轨距角圆弧处1.2mm的大切削量设计，可以有效消除钢轨制造、运输、铺设、焊接过程中产生的局部扭曲变形，避免钢轨轨头内侧轨距角圆弧与车轮轮缘间的非正常轮轨接触，彻底消除掉形成“双光带”所需的外部必要条件；与此同时，对轨头外侧非工作边0.5mm的较大切削量，有利于轮轨接触区域更加集中且居中，可避免光带外移。

参考文献：

[1]张未.钢轨打磨技术.中国铁道出版社.2016

[2]高速铁路线路维修岗位.中国铁道出版社.2012

[3]高速铁路无砟轨道线路维修规则.中国铁道出版社.2012