張寶明
[摘 要]針對鋼軌病害四個階段的發(fā)展趨勢及機理,提出采用預防性、修復性、修理性及換軌四個階段對應的維護手段,實現(xiàn)“小量多遍”、“預防和修理兩手抓”、“不過維護和不欠維護”的鋼軌新型維護理念?;谥髁鞔笮途S護設(shè)備在線維護工藝,結(jié)合鋼軌檢測技術(shù),提出鋼軌維護策略的“智能維護”模型,通過鋼軌維護前、后檢測集成技術(shù),病害數(shù)據(jù)和維護工藝信息集成技術(shù),專家智能交互及診斷技術(shù),實現(xiàn)層次化、智能化、科學化指導用戶現(xiàn)場施工,為鋼軌在線智能維護技術(shù)和水平提高作出積極貢獻,對我國鋼軌在線維護技術(shù)的理論研究提供重要參考價值。
[關(guān)鍵詞]鋼軌病害;新型維護理念;鋼軌維護策略;智能維護;模糊評價;專家系統(tǒng)
中圖分類號:U239.5 文獻標識碼:A 文章編號:1009-914X(2017)06-0120-02
0.鋼軌病害發(fā)展趨勢及機理
鋼軌病害是由于輪軌循環(huán)往復作用導致輪軌關(guān)系逐步惡化,使得鋼軌表面材料塑性變形,造成鋼軌表面產(chǎn)生硬化層。硬化層受列車滾動接觸疲勞產(chǎn)生初期魚鱗紋(裂紋萌芽及初期病害),初期魚鱗紋逐步發(fā)展為鋼軌輕度和中度病害、重度病害、斷裂或斷軌。
第一階段為裂紋萌芽階段,主要有鋼軌表面硬化、初期微小疲勞裂紋等病害產(chǎn)生,應采用以HSG高速打磨車為代表的體現(xiàn)“小量多遍”的預防性維護。從示意圖1中X、Y軸分析,由于消除病害維護量小,維護線角度小,維護次數(shù)偏多,同等維護量下的鋼軌使用壽命最長;由于該階段病害增長速度較慢,采用“小量多遍”的維護模式與病害發(fā)展機理匹配,使鋼軌維護成本最低,維護經(jīng)濟效益最高。
第二階段為早期裂紋生長階段,會產(chǎn)生輕度、中度疲勞裂紋,以及輕度、中度鋼軌波磨、側(cè)磨、軌頭剝離、肥邊等病害。對鋼軌維護而言,該階段已錯過預防性維護的最佳時機,應采用以GMC-96打磨車打磨為代表的病害消除量較大的修復性維護手段。從示意圖1中X、Y軸分析,由于消除病害維護量較大,維護線角度較大,維護次數(shù)偏少,同等維護量下的鋼軌維護壽命偏短。該階段病害增長速度加快,維護周期縮短,使鋼軌維護成本較高,維護經(jīng)濟效益偏低。
第三階段為裂紋生長階段,鋼軌病害由輕度、中度快速發(fā)展成重度,鋼軌掉塊、鋼軌重度波磨及側(cè)磨、鋼軌重度肥邊等病害同步產(chǎn)生。該種病害主要出現(xiàn)在長大隧道、小曲線半徑、頻繁運營重載線路及年久失修的區(qū)間線路,應采用以XM-1800鋼軌銑磨車銑磨為代表的病害消除量較大的修理性維護手段。從示意圖1中X、Y軸分析,由于消除病害維護量很大,維護線角度最大,維護次數(shù)最少,同等維護量下的鋼軌維護壽命最短。該階段病害發(fā)展更快,維護周期更短,使鋼軌維護成本最高,維護經(jīng)濟效益最低。
第四階段為斷裂或斷軌階段,鋼軌由重度病害發(fā)展為斷裂或斷軌,由于該階段病害發(fā)展迅速且不可控,僅能采用換軌方式,而換軌成本巨大,且有巨大的鐵路運行安全隱患。
本文結(jié)合鋼軌病害四個階段發(fā)展趨勢及機理,提出采用預防性、修復性、修理性、換軌四個階段的對應維護手段,并提出鋼軌新型維護理念,即一方面突出鋼軌預防性維護,將維護周期提前,采用“小量多遍”,與病害發(fā)展機理匹配的維護策略,最大程度提高鋼軌維護壽命,降低維護成本;另一方面,應重視修復性、修理性維護,在鋼軌維護關(guān)鍵節(jié)點開展有效維護,最大程度降低鋼軌病害惡化速度,實現(xiàn)“預防和修理兩手抓”,“不過維護和不欠維護”的維護策略;第三,應重視維護工藝數(shù)據(jù)、維護前及后鋼軌病害檢測數(shù)據(jù)提取及分析,結(jié)合人工交互及智能專家系統(tǒng),實現(xiàn)具有層次化、智能化、科學化的鋼軌智能維護,及時、科學、準確的指導鋼軌維護。
1.鋼軌在線維護工藝
鋼軌維護工藝應基于鋼軌病害發(fā)展趨勢、機理,在最佳時機,采用最佳維護工藝和設(shè)備,達到及時、恰當、經(jīng)濟進行鋼軌維護,做到“預防和修理兩手抓”,“不過維護和不欠維護”的新型鋼軌維護理念。結(jié)合國內(nèi)、外各主流鋼軌在線維護設(shè)備性能特點、施工工藝,提出基于鋼軌預防性、修復性、修理性維護階段的維護工藝。
針對第一維護階段(預防性維護),應采用HSG高速打磨車砂輪與鋼軌呈一定傾斜角度的被動打磨維護手段,如圖所示,砂輪通過牽引車拖動著高速旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)對鋼軌軌頭的動態(tài)打磨,具有打磨量小,打磨效率高,打磨環(huán)保性高。維護工藝策略為維護量控制在0.1mm~0.2mm,維護周期與鋼軌病害發(fā)展匹配,如同牙齒保健,經(jīng)常刷牙能更有效地預防蛀牙,免除治牙之苦。針對該階段的病害消除,由于打磨較小,打磨效率高,被動式打磨作業(yè)綜合經(jīng)濟效益較優(yōu)[1]。
針對第二階段維護(修復性維護),應采用GMC-96普通打磨車電機驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)的砂輪端面對鋼軌表面進行主動式打磨的維護手段,如圖所示,通過調(diào)整打磨砂輪壓力調(diào)整打磨量,通過調(diào)整砂輪角度,實現(xiàn)鋼軌廓形不同角度的動態(tài)打磨。維護工藝策略為輕度病害維護量控制在0.2mm~0.5mm,肥邊消除1mm以下,1~2次的打磨遍數(shù);中度病害維護量控制在0.5mm~0.8mm,肥邊消除3mm以下,2~4次打磨遍數(shù)。該階段維護的意義在于在鋼軌病害發(fā)展快速的關(guān)鍵時期,采用較經(jīng)濟的手段阻止鋼軌病害發(fā)展至第三階段。針對該階段的病害消除,由于打磨量適中,打磨效率高,主動式打磨作業(yè)綜合經(jīng)濟效益較優(yōu)[2]。
針對第三階段維護(修理性維護),應采用銑磨車利用圓周銑削及磨削技術(shù)實現(xiàn)對鋼軌在線動態(tài)仿形加工的維護手段,如圖4所示,通過伺服電機驅(qū)動銑盤及磨盤轉(zhuǎn)動,并通過鋼軌枕向和高度方向的動態(tài)定位技術(shù),實現(xiàn)恢復鋼軌軌頭廓形及病害消除目的,具有一次切削量大,廓形成形好,作業(yè)精度高,作業(yè)環(huán)保性能高的特點。維護工藝策略為重度病害維護量控制在0.8mm~1.5mm,肥邊消除3mm~5mm以下,1~2遍數(shù)銑磨。該階段維護的意義在于在鋼軌病害發(fā)展加速時期,采用大銑盤直徑技術(shù),大銑削量一次快速消除鋼軌病害,阻止鋼軌病害發(fā)展失控,最大程度延長鋼軌壽命和保證鋼軌運用的安全性。針對該階段的病害消除,由于一次切削量大,廓形成形好,作業(yè)精度高,作業(yè)效率高,銑磨作業(yè)綜合經(jīng)濟效益較優(yōu)。
2.鋼軌維護策略
隨著高速鐵路的快速發(fā)展,鋼軌病害的在線維護模式及策略凸顯重要,傳統(tǒng)鋼軌維護模式與策略制定的主要依據(jù)是采取人工測量,現(xiàn)場調(diào)查,輔助對比分析等手段,結(jié)合維護經(jīng)驗,提出每年鋼軌維護周期、策略,存在維護模式及策略不系統(tǒng)、不科學,“過維護和欠維護”問題突出,導致維護成本偏高及經(jīng)濟效益偏低[3]。
本文基于鋼軌病害發(fā)展趨勢及機理、主流大型維護設(shè)備在線維護工藝,結(jié)合鋼軌檢測技術(shù),提出鋼軌維護策略的“智能維護”模型,如圖5所示,通過鋼軌維護前、后檢測集成技術(shù),病害數(shù)據(jù)和維護工藝信息集成技術(shù),專家智能交互及診斷技術(shù),實現(xiàn)層次化、智能化、科學化開展鋼軌養(yǎng)護,具體流程如下:
第一步,基于四個階段鋼軌病害發(fā)展趨勢及機理,通過鋼軌波磨、廓形、裂紋動態(tài)檢測技術(shù)及設(shè)備,快速獲取鋼軌病害數(shù)據(jù),并根據(jù)鋼軌維護標準規(guī)范、質(zhì)量管理規(guī)范,結(jié)合線路配置結(jié)構(gòu)信息,通過智能專家及人工交互模式,建立面向鋼軌四階段的病害參數(shù)數(shù)據(jù)平臺,并輸出基于線路配置結(jié)構(gòu)鋼軌病害數(shù)據(jù)清單及關(guān)聯(lián)信息,為建立理論上可行的鋼軌維護模式及策略方案提供有價值的病害特征數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)信息。
第二步,基于鋼軌主流維護設(shè)備性能特點及施工工藝,通過收集、整理鋼軌維護設(shè)備工藝經(jīng)驗,并根據(jù)鋼軌維護標準規(guī)范、質(zhì)量管理規(guī)范,結(jié)合維護成本信息,通過智能專家及人工交互模式,建立基于鋼軌主流維護設(shè)備的維護工藝數(shù)據(jù)平臺,并輸出基于四階段的鋼軌病害維護工藝數(shù)據(jù)清單及關(guān)聯(lián)信息,為建立理論上可行的鋼軌維護模式及策略方案提供有價值的設(shè)備工藝數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)信息。
第三步,基于面向四個階段的鋼軌病害參數(shù)數(shù)據(jù)平臺、鋼軌主流維護設(shè)備的維護工藝數(shù)據(jù)平臺,初步形成多個可行的鋼軌維護模式及策略方案。
第四步,基于非數(shù)值因素智能專家及人工交互模塊,通過專家智能模糊評價流程,包括基于病害特征和設(shè)備工藝能力特征因素集、數(shù)值因素的隸屬度形成專家智能一次模糊評價矩陣或評價集,基于層次分析法AHP(找出不同病害特征和設(shè)備工藝能力特征影響因素及相互關(guān)系,考慮各因素具有不同的重要程度,對單因素一次模糊評價矩陣或評價集中各因素作用以相應因素的權(quán)重)確定等級因素級,形成維護模式二次模糊評價向量。
第五步,對幾個可行的維護模式及策略方案通過智能專家集對勢流程(按照集對某一特征展開,對集對在該特性上的聯(lián)系進行分類定量刻畫,得出集對在具體背景下的聯(lián)系度表達式,通過同一度、差異度和對立度進行表達),通過基于成本的集對勢等級關(guān)系集,作用維護模式二次模糊評價向量,智能計算推演出成本最優(yōu)的維護模式及策略方案。包括病害信息、設(shè)備維護工藝信息、預計維護周期、預計維護成本和預算維護精度等內(nèi)容,真正實現(xiàn)對鋼軌病害開展最科學、最經(jīng)濟的維護模式和策略,并形成智能維護數(shù)據(jù)平臺,實時跟蹤、記錄用戶現(xiàn)場維護效果。
第六步,通過鋼軌在線維護后波磨、廓形、裂紋動態(tài)檢測技術(shù)及設(shè)備,快速獲取鋼軌維護后效果數(shù)據(jù)信息,并通過智能專家系統(tǒng),建立基于鋼軌的維護后效果數(shù)據(jù)平臺。并輸出基于線路配置結(jié)構(gòu)下鋼軌病害維護后效果的數(shù)據(jù)清單及關(guān)聯(lián)信息。
第七步,基于智能修正模塊,結(jié)合現(xiàn)場施工效果檢測數(shù)據(jù),反饋修正智能專家及人工交互系統(tǒng)、模糊評價系統(tǒng),逐步擬合理論評價體系,實現(xiàn)理論最佳維護及策略與實際施工效果的匹配,使系統(tǒng)具有智能性及專家性特點,及時、科學、準確的指導鋼軌維護。
3.結(jié)束語
結(jié)合鋼軌病害四個階段發(fā)展趨勢及機理,提出采用預防性、修復性、修理性、換軌四個階段的對應維護手段,實現(xiàn)“小量多遍”、“預防和修理兩手抓”和“不過維護和不欠維護”的鋼軌新型維護理念,達到及時、恰當、經(jīng)濟的對鋼軌進行維護,使鋼軌輪軌關(guān)系保持最佳狀態(tài),降低運行阻力,對延長每個階段鋼軌病害發(fā)展速度、降低維護成本,并為我國鐵路發(fā)展產(chǎn)生巨大的社會效益。
提出鋼軌維護策略的“智能維護”模型,通過維護工藝數(shù)據(jù)、維護前及后鋼軌病害檢測數(shù)據(jù)提取及分析,基于檢測技術(shù)、信息集成技術(shù)、專家系統(tǒng),逐步擬合鋼軌維護策略理論評價體系,將理論數(shù)據(jù)與施工維護數(shù)據(jù)進行動態(tài)比較,作為智能專家維護平臺權(quán)重閉環(huán)反饋指標,使專家系統(tǒng)具有智能性,實現(xiàn)理論維護及策略與實際施工效果匹配,并通過系統(tǒng)的智能性及專家性特點,為鋼軌維護提供精準的分析數(shù)據(jù),實現(xiàn)層次化、智能化、科學化指導用戶現(xiàn)場施工,對我國鋼軌在線維護技術(shù)的理論研究提供重要參考價值。
參考文獻
[1] 周清躍,田常海,張銀花,劉豐收,等.高速鐵路鋼軌打磨關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國鐵道科學,2014,33(2):66-69.
[2] 劉月明,李建勇,蔡永林,聶蒙,等.鋼軌打磨技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].中國鐵道科學,2014,35(4):29-35.
[3] 中國鐵路總公司辦公廳.高速鐵路鋼軌打磨管理辦法.鐵總運[2014]357號.