高鐵鋼軌預(yù)打磨效果及軌面不平順?lè)治?/h1>
2012-12-21 13:25:20王慶方許玉德
華東交通大學(xué)學(xué)報(bào) 2012年2期
王慶方，許玉德，周 宇
（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）
高速鐵路線路區(qū)別于一般鐵路或重載鐵路最關(guān)鍵的特點(diǎn)是對(duì)軌道平順性的嚴(yán)格要求，如果軌道平順性不良，將引起機(jī)車(chē)車(chē)輛劇烈振動(dòng)，輪軌動(dòng)作用力成倍增大，嚴(yán)重危害軌道和機(jī)車(chē)車(chē)輛部件，影響列車(chē)速度的提高，甚至引起列車(chē)脫軌傾覆，危及行車(chē)安全［1］。
鋼軌由于其本身生產(chǎn)過(guò)程及工藝的原因，生產(chǎn)出廠后不可避免地存在折疊、劃痕、脫碳層、軋痕、結(jié)疤、耳子等表面缺陷，這些缺陷會(huì)使鋼軌出現(xiàn)早期傷損，另外鋼軌貯運(yùn)過(guò)程中也可能產(chǎn)生銹皮、碰傷等表面病害，這些病害對(duì)鋼軌的平順性有很大影響。鋼軌打磨是消除軌面不平順的有效手段，為了消除鋼軌上道后的這些缺陷，需要對(duì)新軌進(jìn)行預(yù)打磨。
1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者在鋼軌打磨方面進(jìn)行了諸多的探索和研究。郭福安等［2］通過(guò)對(duì)日本、法國(guó)、德國(guó)和瑞典高速鐵路鋼軌打磨作業(yè)分析，根據(jù)我國(guó)鐵路鋼軌打磨作業(yè)實(shí)際，建議開(kāi)展客運(yùn)專線線路開(kāi)通前的鋼軌預(yù)打磨、開(kāi)通后的鋼軌預(yù)防性打磨及保養(yǎng)性打磨等研究和試驗(yàn)，制定鋼軌打磨各種形式與參數(shù)、打磨程序、條件和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。許永賢等［3］介紹了歐洲標(biāo)準(zhǔn)中鋼軌打磨的程序、條件和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)我國(guó)新建客運(yùn)專線新軌打磨的質(zhì)量控制和驗(yàn)收，特別是對(duì)新型打磨設(shè)備及檢測(cè)設(shè)備的引進(jìn)及國(guó)內(nèi)既有相關(guān)設(shè)備的改進(jìn)、配套和利用提供參考。繆闖波［4］通過(guò)介紹鋼軌打磨的理論基礎(chǔ)和必要性，闡明了鋼軌打磨能綜合提高軌面平順度，改善輪軌接觸，取得輪軌間連續(xù)均勻接觸的效果。毛文力等［5］通過(guò)分析打磨車(chē)作業(yè)控制原理，標(biāo)定相關(guān)系統(tǒng)，找出打磨后波磨深度變化的臨界值。熊衛(wèi)東等［1］綜述了高速鐵路的軌道平順性與鋼軌平順性的關(guān)系，介紹了高速鐵路對(duì)鋼軌平順性的要求及高速鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家在鋼軌生產(chǎn)、焊接和使用過(guò)程中提高鋼軌平順性的措施，分析了國(guó)產(chǎn)鋼軌平順性的現(xiàn)狀及其與高速鐵路鋼軌要求的差距，提出了我國(guó)鋼軌生產(chǎn)企業(yè)為適應(yīng)高速及快速鐵路發(fā)展應(yīng)予重視的有關(guān)問(wèn)題的建議。郭俊等［6］利用三維彈性體非Hertz滾動(dòng)接觸理論及數(shù)值程序CONTACT分析了鋼軌軌頭非對(duì)稱打磨對(duì)輪軌接觸斑行為的影響。結(jié)果表明，打磨后輪軌磨耗數(shù)有所增加，有利于預(yù)防鋼軌疲勞裂紋的形成。王文健等［7］根據(jù)廣深線鋼軌斜裂紋的形成與發(fā)展特點(diǎn)，提出采用非對(duì)稱打磨技術(shù)控制和減緩鋼軌斜裂紋的形成，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)打磨試驗(yàn)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：鋼軌非對(duì)稱打磨可以改變輪軌接觸幾何參數(shù)，使輪軌接觸點(diǎn)向鋼軌頂面中心移動(dòng)，遠(yuǎn)離鋼軌軌肩位置，并降低輪軌接觸應(yīng)力?，F(xiàn)場(chǎng)打磨試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果表明鋼軌非對(duì)稱打磨能改變鋼軌光帶，使接觸點(diǎn)向鋼軌踏面中心移動(dòng)。馬良民［8］針對(duì)出現(xiàn)CRH3型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度報(bào)警限速的情況進(jìn)行深入分析，據(jù)此確定了對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨的對(duì)策，制訂了打磨工藝參數(shù)。通過(guò)實(shí)施打磨后，改善了輪軌匹配關(guān)系，解決了動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度報(bào)警限速問(wèn)題，提高了動(dòng)車(chē)組運(yùn)行品質(zhì)。
上述研究的對(duì)象主要是國(guó)外高速鐵路打磨情況、打磨及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的介紹，高速鐵路鋼軌打磨理論和高速鐵路開(kāi)通高后的病害整治，對(duì)于高鐵鋼軌預(yù)打磨之后的效果尚缺乏針對(duì)性的研究?；诖耍槍?duì)滬寧城際高鐵在開(kāi)通前后的預(yù)打磨情況進(jìn)行相應(yīng)的打磨效果進(jìn)行研究，分析高鐵經(jīng)過(guò)預(yù)打磨后軌面平順性，鋼軌初始缺陷的消除情況，輪軌關(guān)系的匹配情況，為提高高鐵鋼軌預(yù)打磨效果提供保障。
2 滬寧城際高鐵預(yù)打磨方法
在新軌上道以后，線路開(kāi)通前需要進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗(yàn)，在此過(guò)程中鋼軌已有一定的磨耗量，滬寧城際高鐵開(kāi)通前的軌面平順狀態(tài)，可以看出鋼軌上面的光帶較寬，鋼軌光帶中線較軌面中線出現(xiàn)了一定的偏移，軌距角處有一定的磨耗，形成輪軌之間在同一鋼軌斷面的兩處接觸，即“雙光帶”。這說(shuō)明未經(jīng)打磨的鋼軌型面與車(chē)輪踏面之間的輪軌接觸不良，導(dǎo)致鋼軌光帶偏離軌面中心線，鋼軌磨耗嚴(yán)重的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行車(chē)輛的調(diào)研可知，動(dòng)車(chē)組的輪對(duì)踏面同樣存在著磨耗嚴(yán)重的問(wèn)題，這些問(wèn)題無(wú)疑對(duì)高速鐵路的安全平穩(wěn)的運(yùn)行造成較大的影響，而目前解決此問(wèn)題的主要方法是對(duì)鋼軌進(jìn)行預(yù)打磨，因此有必要對(duì)打磨后鋼軌的狀態(tài)進(jìn)行研究，為科學(xué)有效的鋼軌預(yù)打磨提供技術(shù)支撐。
2.1 鋼軌預(yù)打磨型面的制定
鐵道部科學(xué)研究院經(jīng)過(guò)分析論證和仿真計(jì)算，針對(duì)我國(guó)高速鐵路運(yùn)行的I型、II型和V型3種動(dòng)車(chē)組車(chē)輪斷面，在《高速鐵路鋼軌維修實(shí)施細(xì)則》（暫行）中提出對(duì)應(yīng)的3種鋼軌預(yù)打磨斷面輪廓標(biāo)準(zhǔn)，以此為基礎(chǔ)，為了探索符合滬寧城際高鐵的打磨模式，首先參考武廣高鐵的打磨經(jīng)驗(yàn)，將線路的非作用邊和軌距角處進(jìn)行打磨，從而使接觸光帶向軌頂中間靠攏集中。以此為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)線路進(jìn)行打磨試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)測(cè)試找出了以下打磨型面：鋼軌頂面打磨量為0.4 mm，在內(nèi)側(cè)圓弧角處打磨量為1.2 mm，外側(cè)打磨量為0.5 mm。
2.2 不同位置處的鋼軌打磨量
1）由圖1 可知，鋼軌打磨后基本消除了軌頂面的銹皮、碰傷等表面病害。
2）在進(jìn)行打磨的線路上，取10個(gè)斷面，分別在打磨前后測(cè)量鋼軌斷面的輪廓，這些輪廓與標(biāo)準(zhǔn)軌比較，得到對(duì)應(yīng)角度處的磨耗值，再取其平均值。與標(biāo)準(zhǔn)軌鋼軌比打磨前初始的磨耗數(shù)據(jù)和打磨后的磨耗數(shù)據(jù)如表1和表2所示（鋼軌軌頭角度為正的一側(cè)為軌距角側(cè)）。
圖1 打磨后鋼軌Fig.1 Rail after grinding
表1 左軌打磨前后的磨耗量Tab.1 Abrasion volume of left rail before and after grinding mm
表2 右軌打磨前后的磨耗量Tab.2 Abrasion volume of right rail before and after grinding mm
由表1 可知，鋼軌打磨前軌頂已有一定的磨耗，最大值為0.782 mm，位于鋼軌靠近線路中心側(cè)，說(shuō)明輪軌接觸應(yīng)力最大值不在軌頂中心處。由表2 可知，打磨后，在-20°～40°的范圍內(nèi)，打磨后的鋼軌比標(biāo)準(zhǔn)軌至少低0.3 mm，已超過(guò)脫碳層的厚度0.3 mm，因此基本可以消除軌頂脫碳層；在軌距角內(nèi)側(cè)，鋼軌打磨后的軌廓比標(biāo)準(zhǔn)軌最大低1.279 mm，跟目標(biāo)輪廓基本一致。鋼軌打磨后，輪軌之間的接觸光帶如圖2所示，光帶集中、位置居中（略偏內(nèi)側(cè)），寬度20～25 mm，內(nèi)側(cè)距鋼軌作用邊22～25 mm，外側(cè)距鋼軌外側(cè)25～27 mm，滿足安全運(yùn)營(yíng)要求。
圖2 鋼軌打磨后光帶位置Fig.2 Position of light brand after grinding rail
3 鋼軌打磨前后軌面不平順狀態(tài)分析
3.1 粗糙度（不平順）水平計(jì)算
軌面粗糙度水平利用式（1）計(jì)算：
式中：Lr為粗糙度水平，dB；r為軌面不平順的均方根，μm；r0為參考值，取1 μm。參照EN：ISO 3095：2005（E）相關(guān)規(guī)定，利用1/3倍頻對(duì)軌面不平順狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
3.2 鐵路設(shè)施-軌道-作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)
在EN 13231-3：2006（第三部分：現(xiàn)場(chǎng)鋼軌打磨、銑磨和軌道計(jì)劃作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)）中，規(guī)定從4個(gè)波長(zhǎng)范圍對(duì)打磨作業(yè)后鋼軌波磨進(jìn)行評(píng)價(jià)驗(yàn)收，如表3。
表3 EN 13231-3：2006現(xiàn)場(chǎng)鋼軌打磨、銑磨和軌道計(jì)劃作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的波長(zhǎng)范圍及限值Tab.3 Wavelength range and value of EN 13231-3：2006 rail grinding，mill-grinding and rail inspection standard
鑒于目前國(guó)內(nèi)缺少軌面不平順?biāo)皆u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文借鑒上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
圖3和圖4分別為鋼軌打磨前后軌面不平順1/3倍頻圖。分析該圖可知，鋼軌軌面不平順狀態(tài)在打磨后變化明顯。波長(zhǎng)越長(zhǎng)軌面平順狀態(tài)越好，反之較差。
圖3 左軌軌面不平順1/3倍頻圖Fig.3 One-third octave of left rail surface
圖4 右軌軌面不平順1/3倍頻圖Fig.4 One-third octave of right rail surface
對(duì)于左軌，打磨前，在5.6 cm以下波長(zhǎng)范圍內(nèi)時(shí)軌面平順狀態(tài)較差；5.6 cm以上波長(zhǎng)范圍內(nèi)，軌面平順狀態(tài)較好，而打磨后，各波段的不平順狀態(tài)都得到很大的改善，平順狀態(tài)較差波長(zhǎng)有一定下降，達(dá)到3.5 cm以下波長(zhǎng)。鋼軌打磨對(duì)改善粗糙度水平有很大效果，在0～10 cm范圍內(nèi)改善效果基本是隨波長(zhǎng)的增大而增大，在10～100 cm范圍內(nèi)基本是隨波長(zhǎng)的增大而減小。粗糙度水平最大降低值達(dá)到8.9 dB（波長(zhǎng)為10 cm左右）。
同左軌的規(guī)律類似，右軌在打磨前，11.5 cm以下波長(zhǎng)范圍內(nèi)時(shí)軌面平順狀態(tài)較差；11.5 cm以上波長(zhǎng)范圍內(nèi)，軌面平順狀態(tài)較好，打磨后，平順狀態(tài)較差波長(zhǎng)有很大下降，達(dá)到3.7 cm以下波長(zhǎng)。在0～11.5 cm范圍內(nèi)對(duì)粗糙度的改善效果基本是隨波長(zhǎng)的增大而增大，在11.5～100 cm 范圍內(nèi)基本是隨波長(zhǎng)的增大而減小。粗糙度水平最大降低值達(dá)到11 dB（波長(zhǎng)為11.5 cm左右）。
3.3 打磨效果分析
圖5和圖6為銑磨前后鋼軌軌面不平順各波段峰峰值移動(dòng)平均值超限比例變化情況：打磨前左、右軌300 mm以下波長(zhǎng)超限所占比例很大，打磨前左、右股鋼軌軌面100 mm以下波長(zhǎng)的移動(dòng)峰峰值的平均值超限比例高達(dá)29%以上，嚴(yán)重超過(guò)超限比例標(biāo)準(zhǔn)值5%，而打磨后，兩股鋼軌所有波段的超限比例均在允許范圍之內(nèi)，說(shuō)明此段內(nèi)、外股鋼軌銑磨后軌面平順狀態(tài)得到很大改善。
圖5 左軌軌面移動(dòng)峰峰值超限比例Fig.5 Transfinite ratio of left rail surface
圖6 右軌軌面移動(dòng)峰峰值超限比例Fig.6 Transfinite ratio of right rail surface
4 小結(jié)
通過(guò)分析鋼軌預(yù)打磨之后鋼軌表面光帶的變化，跟標(biāo)準(zhǔn)軌相比的磨耗量，鋼軌打磨前后軌面不平順及軌面移動(dòng)峰峰值超限比例可以得出以下結(jié)論：
1）通過(guò)鋼軌預(yù)打磨，可以避免鋼軌內(nèi)側(cè)圓弧角與車(chē)輪輪緣間的非正常輪軌接觸，徹底破壞形成“雙光帶”所需的必要條件，修正光帶的位置，改善輪軌接觸關(guān)系。
2）鋼軌預(yù)打磨可以有效地去軌頂部分的掉脫碳層，對(duì)于其他的在生產(chǎn)制造和運(yùn)輸鋪設(shè)中產(chǎn)生的缺陷也有明顯效果。
3）鋼軌預(yù)打磨可以減少短波不平順和超限比例。
高速鐵路鋼軌預(yù)打磨可以有效消除鋼軌的表面缺陷并改善輪軌接觸關(guān)系，可以在高鐵開(kāi)通前的線路上進(jìn)行推廣使用。
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鋼軌由于其本身生產(chǎn)過(guò)程及工藝的原因，生產(chǎn)出廠后不可避免地存在折疊、劃痕、脫碳層、軋痕、結(jié)疤、耳子等表面缺陷，這些缺陷會(huì)使鋼軌出現(xiàn)早期傷損，另外鋼軌貯運(yùn)過(guò)程中也可能產(chǎn)生銹皮、碰傷等表面病害，這些病害對(duì)鋼軌的平順性有很大影響。鋼軌打磨是消除軌面不平順的有效手段，為了消除鋼軌上道后的這些缺陷，需要對(duì)新軌進(jìn)行預(yù)打磨。
1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者在鋼軌打磨方面進(jìn)行了諸多的探索和研究。郭福安等［2］通過(guò)對(duì)日本、法國(guó)、德國(guó)和瑞典高速鐵路鋼軌打磨作業(yè)分析，根據(jù)我國(guó)鐵路鋼軌打磨作業(yè)實(shí)際，建議開(kāi)展客運(yùn)專線線路開(kāi)通前的鋼軌預(yù)打磨、開(kāi)通后的鋼軌預(yù)防性打磨及保養(yǎng)性打磨等研究和試驗(yàn)，制定鋼軌打磨各種形式與參數(shù)、打磨程序、條件和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。許永賢等［3］介紹了歐洲標(biāo)準(zhǔn)中鋼軌打磨的程序、條件和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)我國(guó)新建客運(yùn)專線新軌打磨的質(zhì)量控制和驗(yàn)收，特別是對(duì)新型打磨設(shè)備及檢測(cè)設(shè)備的引進(jìn)及國(guó)內(nèi)既有相關(guān)設(shè)備的改進(jìn)、配套和利用提供參考。繆闖波［4］通過(guò)介紹鋼軌打磨的理論基礎(chǔ)和必要性，闡明了鋼軌打磨能綜合提高軌面平順度，改善輪軌接觸，取得輪軌間連續(xù)均勻接觸的效果。毛文力等［5］通過(guò)分析打磨車(chē)作業(yè)控制原理，標(biāo)定相關(guān)系統(tǒng)，找出打磨后波磨深度變化的臨界值。熊衛(wèi)東等［1］綜述了高速鐵路的軌道平順性與鋼軌平順性的關(guān)系，介紹了高速鐵路對(duì)鋼軌平順性的要求及高速鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家在鋼軌生產(chǎn)、焊接和使用過(guò)程中提高鋼軌平順性的措施，分析了國(guó)產(chǎn)鋼軌平順性的現(xiàn)狀及其與高速鐵路鋼軌要求的差距，提出了我國(guó)鋼軌生產(chǎn)企業(yè)為適應(yīng)高速及快速鐵路發(fā)展應(yīng)予重視的有關(guān)問(wèn)題的建議。郭俊等［6］利用三維彈性體非Hertz滾動(dòng)接觸理論及數(shù)值程序CONTACT分析了鋼軌軌頭非對(duì)稱打磨對(duì)輪軌接觸斑行為的影響。結(jié)果表明，打磨后輪軌磨耗數(shù)有所增加，有利于預(yù)防鋼軌疲勞裂紋的形成。王文健等［7］根據(jù)廣深線鋼軌斜裂紋的形成與發(fā)展特點(diǎn)，提出采用非對(duì)稱打磨技術(shù)控制和減緩鋼軌斜裂紋的形成，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)打磨試驗(yàn)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：鋼軌非對(duì)稱打磨可以改變輪軌接觸幾何參數(shù)，使輪軌接觸點(diǎn)向鋼軌頂面中心移動(dòng)，遠(yuǎn)離鋼軌軌肩位置，并降低輪軌接觸應(yīng)力?，F(xiàn)場(chǎng)打磨試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果表明鋼軌非對(duì)稱打磨能改變鋼軌光帶，使接觸點(diǎn)向鋼軌踏面中心移動(dòng)。馬良民［8］針對(duì)出現(xiàn)CRH3型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度報(bào)警限速的情況進(jìn)行深入分析，據(jù)此確定了對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨的對(duì)策，制訂了打磨工藝參數(shù)。通過(guò)實(shí)施打磨后，改善了輪軌匹配關(guān)系，解決了動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度報(bào)警限速問(wèn)題，提高了動(dòng)車(chē)組運(yùn)行品質(zhì)。
上述研究的對(duì)象主要是國(guó)外高速鐵路打磨情況、打磨及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的介紹，高速鐵路鋼軌打磨理論和高速鐵路開(kāi)通高后的病害整治，對(duì)于高鐵鋼軌預(yù)打磨之后的效果尚缺乏針對(duì)性的研究?；诖耍槍?duì)滬寧城際高鐵在開(kāi)通前后的預(yù)打磨情況進(jìn)行相應(yīng)的打磨效果進(jìn)行研究，分析高鐵經(jīng)過(guò)預(yù)打磨后軌面平順性，鋼軌初始缺陷的消除情況，輪軌關(guān)系的匹配情況，為提高高鐵鋼軌預(yù)打磨效果提供保障。
2 滬寧城際高鐵預(yù)打磨方法
在新軌上道以后，線路開(kāi)通前需要進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗(yàn)，在此過(guò)程中鋼軌已有一定的磨耗量，滬寧城際高鐵開(kāi)通前的軌面平順狀態(tài)，可以看出鋼軌上面的光帶較寬，鋼軌光帶中線較軌面中線出現(xiàn)了一定的偏移，軌距角處有一定的磨耗，形成輪軌之間在同一鋼軌斷面的兩處接觸，即“雙光帶”。這說(shuō)明未經(jīng)打磨的鋼軌型面與車(chē)輪踏面之間的輪軌接觸不良，導(dǎo)致鋼軌光帶偏離軌面中心線，鋼軌磨耗嚴(yán)重的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行車(chē)輛的調(diào)研可知，動(dòng)車(chē)組的輪對(duì)踏面同樣存在著磨耗嚴(yán)重的問(wèn)題，這些問(wèn)題無(wú)疑對(duì)高速鐵路的安全平穩(wěn)的運(yùn)行造成較大的影響，而目前解決此問(wèn)題的主要方法是對(duì)鋼軌進(jìn)行預(yù)打磨，因此有必要對(duì)打磨后鋼軌的狀態(tài)進(jìn)行研究，為科學(xué)有效的鋼軌預(yù)打磨提供技術(shù)支撐。
2.1 鋼軌預(yù)打磨型面的制定
鐵道部科學(xué)研究院經(jīng)過(guò)分析論證和仿真計(jì)算，針對(duì)我國(guó)高速鐵路運(yùn)行的I型、II型和V型3種動(dòng)車(chē)組車(chē)輪斷面，在《高速鐵路鋼軌維修實(shí)施細(xì)則》（暫行）中提出對(duì)應(yīng)的3種鋼軌預(yù)打磨斷面輪廓標(biāo)準(zhǔn)，以此為基礎(chǔ)，為了探索符合滬寧城際高鐵的打磨模式，首先參考武廣高鐵的打磨經(jīng)驗(yàn)，將線路的非作用邊和軌距角處進(jìn)行打磨，從而使接觸光帶向軌頂中間靠攏集中。以此為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)線路進(jìn)行打磨試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)測(cè)試找出了以下打磨型面：鋼軌頂面打磨量為0.4 mm，在內(nèi)側(cè)圓弧角處打磨量為1.2 mm，外側(cè)打磨量為0.5 mm。
2.2 不同位置處的鋼軌打磨量
1）由圖1 可知，鋼軌打磨后基本消除了軌頂面的銹皮、碰傷等表面病害。
2）在進(jìn)行打磨的線路上，取10個(gè)斷面，分別在打磨前后測(cè)量鋼軌斷面的輪廓，這些輪廓與標(biāo)準(zhǔn)軌比較，得到對(duì)應(yīng)角度處的磨耗值，再取其平均值。與標(biāo)準(zhǔn)軌鋼軌比打磨前初始的磨耗數(shù)據(jù)和打磨后的磨耗數(shù)據(jù)如表1和表2所示（鋼軌軌頭角度為正的一側(cè)為軌距角側(cè)）。
圖1 打磨后鋼軌Fig.1 Rail after grinding
表1 左軌打磨前后的磨耗量Tab.1 Abrasion volume of left rail before and after grinding mm
表2 右軌打磨前后的磨耗量Tab.2 Abrasion volume of right rail before and after grinding mm
由表1 可知，鋼軌打磨前軌頂已有一定的磨耗，最大值為0.782 mm，位于鋼軌靠近線路中心側(cè)，說(shuō)明輪軌接觸應(yīng)力最大值不在軌頂中心處。由表2 可知，打磨后，在-20°～40°的范圍內(nèi)，打磨后的鋼軌比標(biāo)準(zhǔn)軌至少低0.3 mm，已超過(guò)脫碳層的厚度0.3 mm，因此基本可以消除軌頂脫碳層；在軌距角內(nèi)側(cè)，鋼軌打磨后的軌廓比標(biāo)準(zhǔn)軌最大低1.279 mm，跟目標(biāo)輪廓基本一致。鋼軌打磨后，輪軌之間的接觸光帶如圖2所示，光帶集中、位置居中（略偏內(nèi)側(cè)），寬度20～25 mm，內(nèi)側(cè)距鋼軌作用邊22～25 mm，外側(cè)距鋼軌外側(cè)25～27 mm，滿足安全運(yùn)營(yíng)要求。
圖2 鋼軌打磨后光帶位置Fig.2 Position of light brand after grinding rail
3 鋼軌打磨前后軌面不平順狀態(tài)分析
3.1 粗糙度（不平順）水平計(jì)算
軌面粗糙度水平利用式（1）計(jì)算：
式中：Lr為粗糙度水平，dB；r為軌面不平順的均方根，μm；r0為參考值，取1 μm。參照EN：ISO 3095：2005（E）相關(guān)規(guī)定，利用1/3倍頻對(duì)軌面不平順狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
3.2 鐵路設(shè)施-軌道-作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)
在EN 13231-3：2006（第三部分：現(xiàn)場(chǎng)鋼軌打磨、銑磨和軌道計(jì)劃作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)）中，規(guī)定從4個(gè)波長(zhǎng)范圍對(duì)打磨作業(yè)后鋼軌波磨進(jìn)行評(píng)價(jià)驗(yàn)收，如表3。
表3 EN 13231-3：2006現(xiàn)場(chǎng)鋼軌打磨、銑磨和軌道計(jì)劃作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的波長(zhǎng)范圍及限值Tab.3 Wavelength range and value of EN 13231-3：2006 rail grinding，mill-grinding and rail inspection standard
鑒于目前國(guó)內(nèi)缺少軌面不平順?biāo)皆u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文借鑒上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
圖3和圖4分別為鋼軌打磨前后軌面不平順1/3倍頻圖。分析該圖可知，鋼軌軌面不平順狀態(tài)在打磨后變化明顯。波長(zhǎng)越長(zhǎng)軌面平順狀態(tài)越好，反之較差。
圖3 左軌軌面不平順1/3倍頻圖Fig.3 One-third octave of left rail surface
圖4 右軌軌面不平順1/3倍頻圖Fig.4 One-third octave of right rail surface
對(duì)于左軌，打磨前，在5.6 cm以下波長(zhǎng)范圍內(nèi)時(shí)軌面平順狀態(tài)較差；5.6 cm以上波長(zhǎng)范圍內(nèi)，軌面平順狀態(tài)較好，而打磨后，各波段的不平順狀態(tài)都得到很大的改善，平順狀態(tài)較差波長(zhǎng)有一定下降，達(dá)到3.5 cm以下波長(zhǎng)。鋼軌打磨對(duì)改善粗糙度水平有很大效果，在0～10 cm范圍內(nèi)改善效果基本是隨波長(zhǎng)的增大而增大，在10～100 cm范圍內(nèi)基本是隨波長(zhǎng)的增大而減小。粗糙度水平最大降低值達(dá)到8.9 dB（波長(zhǎng)為10 cm左右）。
同左軌的規(guī)律類似，右軌在打磨前，11.5 cm以下波長(zhǎng)范圍內(nèi)時(shí)軌面平順狀態(tài)較差；11.5 cm以上波長(zhǎng)范圍內(nèi)，軌面平順狀態(tài)較好，打磨后，平順狀態(tài)較差波長(zhǎng)有很大下降，達(dá)到3.7 cm以下波長(zhǎng)。在0～11.5 cm范圍內(nèi)對(duì)粗糙度的改善效果基本是隨波長(zhǎng)的增大而增大，在11.5～100 cm 范圍內(nèi)基本是隨波長(zhǎng)的增大而減小。粗糙度水平最大降低值達(dá)到11 dB（波長(zhǎng)為11.5 cm左右）。
3.3 打磨效果分析
圖5和圖6為銑磨前后鋼軌軌面不平順各波段峰峰值移動(dòng)平均值超限比例變化情況：打磨前左、右軌300 mm以下波長(zhǎng)超限所占比例很大，打磨前左、右股鋼軌軌面100 mm以下波長(zhǎng)的移動(dòng)峰峰值的平均值超限比例高達(dá)29%以上，嚴(yán)重超過(guò)超限比例標(biāo)準(zhǔn)值5%，而打磨后，兩股鋼軌所有波段的超限比例均在允許范圍之內(nèi)，說(shuō)明此段內(nèi)、外股鋼軌銑磨后軌面平順狀態(tài)得到很大改善。
圖5 左軌軌面移動(dòng)峰峰值超限比例Fig.5 Transfinite ratio of left rail surface
圖6 右軌軌面移動(dòng)峰峰值超限比例Fig.6 Transfinite ratio of right rail surface
4 小結(jié)
通過(guò)分析鋼軌預(yù)打磨之后鋼軌表面光帶的變化，跟標(biāo)準(zhǔn)軌相比的磨耗量，鋼軌打磨前后軌面不平順及軌面移動(dòng)峰峰值超限比例可以得出以下結(jié)論：
1）通過(guò)鋼軌預(yù)打磨，可以避免鋼軌內(nèi)側(cè)圓弧角與車(chē)輪輪緣間的非正常輪軌接觸，徹底破壞形成“雙光帶”所需的必要條件，修正光帶的位置，改善輪軌接觸關(guān)系。
2）鋼軌預(yù)打磨可以有效地去軌頂部分的掉脫碳層，對(duì)于其他的在生產(chǎn)制造和運(yùn)輸鋪設(shè)中產(chǎn)生的缺陷也有明顯效果。
3）鋼軌預(yù)打磨可以減少短波不平順和超限比例。
高速鐵路鋼軌預(yù)打磨可以有效消除鋼軌的表面缺陷并改善輪軌接觸關(guān)系，可以在高鐵開(kāi)通前的線路上進(jìn)行推廣使用。
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