張 金，田常海，劉豐收，俞 喆，張訓(xùn)全

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所， 北京 100081)

目前，我國(guó)速度200 km/h及以上高速鐵路線路主要運(yùn)行4種動(dòng)車組，采用4種車輪廓面。其中，CRH1型動(dòng)車組的車輪廓面為L(zhǎng)MD，CRH2型動(dòng)車組的車輪廓面為L(zhǎng)MA，CRH3型動(dòng)車組的車輪廓面為S1002CN，CRH5動(dòng)車組的車輪廓面為XP55。同時(shí)，高速鐵路線路主要鋪設(shè)1種國(guó)內(nèi)自主研發(fā)生產(chǎn)的60 kg/m U71Mn或U75V鋼軌。4種車輪廓面與1種鋼軌廓形匹配存在輪軌接觸關(guān)系不良的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向加速度報(bào)警、抖車及晃車[1]。

在車輪廓面難以改變的情況下，通常只有通過(guò)鋼軌廓形打磨來(lái)實(shí)現(xiàn)輪軌關(guān)系合理匹配。但是鋼軌廓形打磨不合適會(huì)造成軌頭廓形不良，容易引起動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度報(bào)警或晃車。如武廣、京滬和哈大高速鐵路鋼軌軌距角側(cè)打磨量不足，部分地段引起動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度報(bào)警；合武高速鐵路鋼軌軌距角側(cè)打磨量過(guò)大，部分地段引起晃車。通過(guò)科學(xué)的鋼軌打磨形成合理的軌頭廓形，可有效抑制或減輕動(dòng)車組異常振動(dòng)、鋼軌波浪形磨耗、鋼軌表面裂紋、剝離掉塊等疲勞傷損的發(fā)生和發(fā)展，改善輪軌匹配關(guān)系，提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性，延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命[2]。

本文針對(duì)海南環(huán)島高速鐵路東段CRH1型動(dòng)車組晃車的原因展開深入調(diào)查分析，提出鋼軌打磨治理措施，并制定詳細(xì)的鋼軌打磨方案以修正軌頭廓形，改善輪軌匹配關(guān)系，解決動(dòng)車組晃車的問(wèn)題，提高動(dòng)車組運(yùn)行的舒適性及安全性。

1 動(dòng)車組晃車原因分析

海南環(huán)島高速鐵路東段于2010年12月通車運(yùn)營(yíng)，設(shè)計(jì)速度200 km/h，主要運(yùn)行CRH1型動(dòng)車組，全線約300 km(雙線)鋪設(shè)攀枝花鋼鐵(集團(tuán))公司生產(chǎn)的60 kg/m U71Mn鋼軌，開通前廣州工務(wù)機(jī)械段使用GMC-96X打磨車進(jìn)行了全線鋼軌預(yù)打磨。2014年3—5月份完成了第1次全線鋼軌預(yù)防性打磨。2015年11月—2016年8月，海南環(huán)島高速鐵路東段區(qū)間線路上幾乎所有CRH1型動(dòng)車組均出現(xiàn)了車體嚴(yán)重晃動(dòng)情況。

為了尋找CRH1型動(dòng)車組晃車的具體原因，課題組深入現(xiàn)場(chǎng)開展調(diào)查研究，重點(diǎn)檢查和分析了晃車嚴(yán)重區(qū)段的軌道幾何尺寸、焊接接頭平直度、鋼軌光帶及軌頭廓形的情況。

1.1 軌道幾何尺寸

工務(wù)段對(duì)軌道靜態(tài)幾何尺寸進(jìn)行了檢測(cè)，并結(jié)合便攜式添乘儀的線路動(dòng)態(tài)檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理分析。分析結(jié)果表明：軌底坡、軌距、水平、高低、軌向、扭曲、軌道不平順、軌距變化率等主要技術(shù)指標(biāo)偏差基本不超限，主要超限指標(biāo)為水平加速度3級(jí)、垂向加速度2級(jí)。

1.2 焊接接頭平直度

使用電子平直尺對(duì)區(qū)間線路進(jìn)行了閃光焊接頭平直度測(cè)量，僅個(gè)別測(cè)點(diǎn)平直度偏高(左股0.25，0.30 mm/m，右股0.25，0.20 mm/m)，大部分測(cè)點(diǎn)平直度均小于0.10 mm/m。檢測(cè)結(jié)果表明，閃光焊接頭平直度良好，未見明顯高接頭或嚴(yán)重低塌。

1.3 鋼軌光帶

鋼軌光帶觀測(cè)結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，未晃車區(qū)段鋼軌光帶正常，基本居中，光帶距內(nèi)側(cè)作用邊約20 mm，距外側(cè)非作用邊約22 mm，光帶寬度約29 mm。晃車區(qū)段鋼軌光帶異常，主要表現(xiàn)為：①鋼軌光帶明顯偏向軌距角，光帶距內(nèi)側(cè)作用邊約13 mm，距外側(cè)非作用邊約18 mm，光帶寬度約40 mm;②鋼軌表面清晰可見2種不同顏色的光帶，新舊光帶有一定的偏移，新光帶朝鋼軌內(nèi)側(cè)作用邊偏移；③直線地段出現(xiàn)左右股鋼軌光帶周期性交替?zhèn)饶?，間距約為18～20 mm，反映出鋼軌與輪對(duì)側(cè)面間歇性接觸。

圖1 鋼軌光帶觀測(cè)情況

1.4 軌頭廓形

圖2為鋼軌軌頭實(shí)測(cè)廓形與設(shè)計(jì)廓形對(duì)比情況?？梢钥闯?，未晃車區(qū)段鋼軌軌頭實(shí)測(cè)廓形與設(shè)計(jì)廓形基本接近，內(nèi)側(cè)工作邊R80圓弧處最大偏差+0.17 mm，R13圓弧處最大偏差-0.45 mm，偏差在-0.6～+0.2 mm 內(nèi)，滿足表1要求；晃車區(qū)段鋼軌軌頭實(shí)測(cè)廓形與設(shè)計(jì)廓形差異較大，內(nèi)側(cè)工作邊R80圓弧處最大偏差-0.48 mm，R13圓弧處最大偏差-0.76 mm，偏差超出-0.6～+0.2 mm，不滿足表1要求。其中“+”，“-”分別表示鋼軌軌頭實(shí)測(cè)廓形高于或低于設(shè)計(jì)廓形。

圖2 鋼軌軌頭實(shí)測(cè)廓形與設(shè)計(jì)廓形對(duì)比情況(單位：mm)

注：廓形驗(yàn)收范圍為鋼軌軌頭橫向-25～+32 mm。

1.5 原因分析

通過(guò)調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，晃車嚴(yán)重區(qū)段軌道幾何尺寸主要技術(shù)指標(biāo)偏差基本不超限，閃光焊接頭平直度良好，未見明顯高接頭或嚴(yán)重低塌。但是，鋼軌軌頭廓形內(nèi)側(cè)工作邊R80和R13圓弧處明顯凹陷，造成輪軌匹配關(guān)系不良，鋼軌光帶不居中，偏向軌距角側(cè)，直線地段出現(xiàn)左右股鋼軌光帶周期性交替?zhèn)饶?。因此車輪與鋼軌非正常接觸是導(dǎo)致CRH1型動(dòng)車組晃車的主要原因。相關(guān)研究表明[3-4]，對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨從而修正軌頭廓形是改善輪軌接觸關(guān)系、消除動(dòng)車組異常振動(dòng)的有效措施。

2 鋼軌打磨方案制定

為了確保鋼軌打磨質(zhì)量，達(dá)到修正軌頭廓形、改善輪軌匹配關(guān)系、解決CRH1型動(dòng)車組晃車的目的，制定合理的鋼軌打磨方案至關(guān)重要。打磨方案包括打磨廓形設(shè)計(jì)和打磨工藝參數(shù)設(shè)定。

2.1 打磨廓形設(shè)計(jì)

鋼軌打磨廓形設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮輪軌接觸關(guān)系，保證直線和大半徑曲線上輪軌接觸始終處于鋼軌踏面中心，即軌頭踏面中心區(qū)域和車輪踏面中心區(qū)域接觸，小半徑曲線上輪軌發(fā)生共形接觸，即軌距角與輪緣形成共形接觸，使輪軌接觸應(yīng)力最小，橫向蠕滑率和蠕滑力最小，從而達(dá)到輪軌合理匹配的目的[5-6]。

根據(jù)鐵總運(yùn)[2014]357號(hào)《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》[7]中第十七條規(guī)定：“鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌且允許運(yùn)行除動(dòng)車組以外客車的區(qū)段，以及鋪設(shè)60N鋼軌的區(qū)段，鋼軌打磨的目標(biāo)廓形為60N廓形；鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌且僅運(yùn)行動(dòng)車組的區(qū)段，鋼軌打磨的目標(biāo)廓形為設(shè)計(jì)廓形”，綜合考慮海南環(huán)島高速鐵路東段鋼軌的實(shí)際服役情況，本著打磨量最小以降低成本的原則，確定本次修理性打磨的目標(biāo)廓形為設(shè)計(jì)廓形。鋼軌修理性打磨目標(biāo)廓形與60軌標(biāo)準(zhǔn)廓形對(duì)比如圖3所示。打磨后軌頭非工作邊-10°至軌頭內(nèi)側(cè)工作邊+60°(軌距角側(cè)為正角度)實(shí)測(cè)廓形應(yīng)與設(shè)計(jì)廓形基本符合，誤差應(yīng)達(dá)到表1要求。

圖3 鋼軌修理性打磨目標(biāo)廓形(設(shè)計(jì)廓形)與60軌 標(biāo)準(zhǔn)廓形對(duì)比

2.2 打磨工藝參數(shù)設(shè)定

打磨工藝參數(shù)設(shè)定是實(shí)現(xiàn)廓形打磨的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鋼軌打磨列車使用的砂輪類型、打磨砂輪分布角度、打磨電機(jī)功率和打磨作業(yè)速度都將影響打磨切削量，直接關(guān)系到廓形打磨的效果。通過(guò)科學(xué)合理的打磨工藝參數(shù)設(shè)定(打磨砂輪分布角度、打磨電機(jī)功率及打磨作業(yè)速度)，可以減少打磨遍數(shù)，高效地實(shí)現(xiàn)打磨廓形與目標(biāo)廓形相吻合，并能保證較好的鋼軌表面粗糙度，以及實(shí)現(xiàn)打磨平面均勻光滑過(guò)渡，軌面無(wú)連續(xù)發(fā)藍(lán)帶及周期性打磨痕跡。

通過(guò)對(duì)比晃車嚴(yán)重區(qū)段鋼軌軌頭實(shí)測(cè)廓形與設(shè)計(jì)廓形的差異，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析研究，并結(jié)合GMC-96X打磨車的實(shí)際狀態(tài)，經(jīng)過(guò)多次打磨試驗(yàn)嘗試，最終制定出具有實(shí)際可操作性的打磨作業(yè)模式和合理的打磨工藝參數(shù)，見表2，并確定采用4遍打磨來(lái)達(dá)到修正軌頭廓形的目的。

第1遍：打磨軌頂和外側(cè)非工作邊，角度覆蓋范圍為-11°～+3°，軌頂分布32個(gè)砂輪，外側(cè)分布64個(gè)砂輪，打磨速度15 km/h。

第2遍：同樣打磨軌頂和外側(cè)非工作邊，角度覆蓋范圍為-11°～+3°，軌頂分布32個(gè)砂輪，外側(cè)分布64個(gè)砂輪，打磨速度15 km/h。

第3遍：重點(diǎn)打磨軌頂兼顧外側(cè)非工作邊，角度覆蓋范圍為-9°～+3°，軌頂分布80個(gè)砂輪，外側(cè)分布16個(gè)砂輪，打磨速度15 km/h。

第4遍：軌頭全覆蓋打磨并修理光帶，角度覆蓋范圍為-9°～+49°，內(nèi)側(cè)分布68個(gè)砂輪，軌頂分布12個(gè)砂輪，外側(cè)分布16個(gè)砂輪，打磨速度16 km/h。

表2 打磨模式和工藝參數(shù)

注：①正角度打磨鋼軌內(nèi)側(cè)，負(fù)角度打磨鋼軌外側(cè);②以1號(hào)電機(jī)為作業(yè)前進(jìn)方向，反方向作業(yè)時(shí)應(yīng)對(duì)模式進(jìn)行顛倒;③根據(jù)打磨效果和設(shè)備狀態(tài)需要對(duì)打磨模式進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3 打磨整治效果跟蹤評(píng)價(jià)及驗(yàn)證

為了分析晃車區(qū)段鋼軌打磨整治效果，使用靜態(tài)檢測(cè)手段鋼軌廓形測(cè)量?jī)x對(duì)打磨后軌頭廓形進(jìn)行了檢測(cè)，并觀測(cè)了光帶情況；使用動(dòng)態(tài)檢測(cè)手段便攜式添乘儀對(duì)線路狀態(tài)進(jìn)行了檢查。通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)手段對(duì)打磨效果的跟蹤分析可知，打磨修正了軌頭廓形，改善了輪軌接觸關(guān)系，消除了動(dòng)車組橫向振動(dòng)幅度超限，解決了動(dòng)車組晃車的問(wèn)題。同時(shí)，對(duì)打磨前后等效錐度及輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布情況進(jìn)行了分析研究，進(jìn)一步驗(yàn)證了通過(guò)鋼軌打磨改變輪軌接觸關(guān)系，實(shí)現(xiàn)輪軌合理匹配，整治動(dòng)車組晃車效果非常顯著。

3.1 打磨后軌頭廓形及光帶情況

使用鋼軌廓形測(cè)量?jī)x對(duì)晃車嚴(yán)重區(qū)段打磨后軌頭廓形進(jìn)行了檢測(cè)，并觀測(cè)了光帶情況，如圖4所示?？梢钥闯觯捍蚰ズ筌夘^實(shí)測(cè)廓形與設(shè)計(jì)廓形基本接近，內(nèi)側(cè)工作邊R80圓弧處最大偏差+0.04 mm，R13圓弧處最大偏差-0.42 mm，偏差滿足表1的要求，原來(lái)內(nèi)側(cè)工作邊R80和R13圓弧處凹陷得到有效整治；光帶基本居中，寬度約30 mm，距內(nèi)側(cè)工作邊約為21 mm，距外側(cè)非工作邊約為20 mm，光帶變化趨于穩(wěn)定，表明輪軌匹配狀態(tài)良好。

3.2 打磨前后線路動(dòng)態(tài)檢查情況

使用便攜式添乘儀對(duì)線路動(dòng)態(tài)情況進(jìn)行了檢查，晃車嚴(yán)重區(qū)段打磨前后水平加速度超限情況對(duì)比，如圖5所示?？梢钥闯?，打磨前水平加速度3級(jí)26處、2級(jí) 50處、1級(jí)21處，打磨后水平加速度3級(jí)0處、2級(jí) 0處、1級(jí)0處。這充分地說(shuō)明了鋼軌打磨對(duì)減小動(dòng)車組橫向振動(dòng)幅度有顯著的作用，打磨后輪軌接觸關(guān)系得到改善，輪軌匹配更加合理，添乘時(shí)人體感覺舒適，提高了動(dòng)車組的運(yùn)行品質(zhì)。

圖5 晃車嚴(yán)重區(qū)段打磨前后水平加速度超限情況對(duì)比

3.3 打磨前后等效錐度及輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布情況

圖6 打磨前后輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布

利用UIC 519—2014MethodforDeterniningtheEquivalentConicity[8]中的積分法，通過(guò)Fortran軟件編程計(jì)算了打磨前后等效錐度及輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布情況。打磨前后輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布如圖6所示?？梢钥闯?，打磨前輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布較集中，打磨后輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布較分散；與打磨前相比，打磨后輪軌接觸范圍更大。相同接觸載荷條件下，較大的接觸面積將導(dǎo)致較小的接觸應(yīng)力，有利于減小輪軌磨耗，提高滾動(dòng)接觸疲勞壽命。

等效錐度是用于表征輪軌幾何接觸關(guān)系的重要參數(shù)，決定著輪軌之間的匹配程度。輪軌匹配等效錐度的大小與動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)密切相關(guān)。等效錐度過(guò)小導(dǎo)致動(dòng)車組運(yùn)用過(guò)程中出現(xiàn)晃車現(xiàn)象；等效錐度過(guò)大引起動(dòng)車組車輛構(gòu)架橫向振動(dòng)報(bào)警[9]。圖7為打磨前后輪軌匹配等效錐度曲線，可以看出輪對(duì)橫移量1.5 mm范圍內(nèi)，打磨前后輪對(duì)踏面具有相同的等效錐度；輪對(duì)橫移量1.5～6.0 mm內(nèi)，打磨后的等效錐度明顯大于打磨前的；輪對(duì)橫移量3 mm時(shí)的名義等效錐度，打磨前約為0.075，打磨后約為0.115。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[4]，輪軌匹配等效錐度的合理區(qū)域?yàn)?.08～0.35，等效錐度小于0.08時(shí)易產(chǎn)生晃車，等效錐度大于0.35時(shí)易產(chǎn)生水平加速度超限。通過(guò)鋼軌打磨使晃車區(qū)段的等效錐度由0.075提高到0.115，達(dá)到輪軌匹配等效錐度的合理范圍，改善了輪軌匹配關(guān)系，解決了動(dòng)車組晃車的問(wèn)題。

圖7 打磨前后輪軌匹配等效錐度曲線

4 結(jié)論與建議

1)鋼軌軌頭廓形內(nèi)側(cè)R80和R13圓弧處明顯凹陷，導(dǎo)致等效錐度過(guò)小，輪軌匹配關(guān)系不良，是造成CRH1型動(dòng)車組晃車的主要原因。

2)通過(guò)鋼軌打磨整治措施，可以修正軌頭廓形，改善輪軌匹配關(guān)系，解決動(dòng)車組晃車的問(wèn)題。

3)建議深入開展鋼軌預(yù)防性打磨技術(shù)研究，形成最優(yōu)化的打磨方案,進(jìn)行合理的鋼軌預(yù)防性打磨，并為制定科學(xué)合理的鋼軌打磨周期提供依據(jù)。