蘇寶貴

（福州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)部，福建 福州 350000）

1 概述

鋼軌是引導(dǎo)列車(chē)運(yùn)行方向，承擔(dān)列車(chē)的荷載并傳遞給結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)備。隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加、運(yùn)營(yíng)里程的延長(zhǎng)，鋼軌在車(chē)輪長(zhǎng)期作用下，表面會(huì)出現(xiàn)波浪形磨耗、魚(yú)鱗狀裂紋等病害，出現(xiàn)以上病害縮短了鋼軌使用年限，影響列車(chē)的運(yùn)營(yíng)安全?？茖W(xué)做好鋼軌設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，確保鋼軌狀態(tài)優(yōu)良是確保列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全、延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，提高列車(chē)運(yùn)行舒適度的有效措施。

2 鋼軌病害現(xiàn)狀

福州地鐵1號(hào)線自2016年5月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，正線在用鋼軌最長(zhǎng)已使用約6年，由于列車(chē)運(yùn)行的狀態(tài)具有左右橫移的特點(diǎn)，導(dǎo)致鋼軌表面材料會(huì)沿橫向持續(xù)摩擦形成疲勞層，當(dāng)鋼軌表面的塑性形變和疲勞層累計(jì)超過(guò)限度后，便會(huì)在鋼軌表面產(chǎn)生一系列病害。據(jù)福州地鐵1號(hào)線鋼軌表面病害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼軌表面常見(jiàn)病害及成因如圖1所示。

圖1 鋼軌表面病害及產(chǎn)生原因

波磨谷深大等于0.3mm的線路長(zhǎng)度為12.585km，波磨谷深小于0.3mm或軌面存在魚(yú)鱗傷及掉塊的線路長(zhǎng)度為5.845km，合計(jì)18.43km。如圖2所示。

圖2 福州地鐵一號(hào)線鋼軌磨耗統(tǒng)計(jì)

圖3顯示波磨谷深從0發(fā)展至0.3mm平均歷經(jīng)7個(gè)月，且磨損速率會(huì)隨波磨加深而加快，此階段平均發(fā)展速率為0.04mm/月。

圖3 波磨谷深0～0.3mm發(fā)展趨勢(shì)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)圖

圖4顯示波磨谷深從0.3發(fā)展至1mm平均歷經(jīng)12個(gè)月，通過(guò)與0～0.3mm階段比較，同樣可以看出磨損速率會(huì)隨波磨加深而加快，此階段平均發(fā)展速率為0.05mm/月。福州地鐵1號(hào)線2022年1月探傷數(shù)據(jù)回放與分析顯示：鋼軌磨耗損傷問(wèn)題項(xiàng)較上一年度同期增加56處。基于以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以看出，鋼軌的維護(hù)工作是列車(chē)安全運(yùn)行的重要保證。

圖4 波磨谷深0.3～1.0mm發(fā)展趨勢(shì)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)圖

3 鋼軌打磨技術(shù)原理及缺陷

3.1 打磨技術(shù)原理

鋼軌打磨作為國(guó)內(nèi)地鐵行業(yè)普遍采用的鋼軌維護(hù)方式，作業(yè)機(jī)理是通過(guò)使用砂輪等打磨工具對(duì)鋼軌頂部進(jìn)行材料去除以修復(fù)鋼軌廓形結(jié)構(gòu)的過(guò)程，其材料得去除機(jī)理類(lèi)似普通工廠所見(jiàn)的磨削加工。

如圖5左圖所示用砂輪對(duì)表面進(jìn)行打磨時(shí)，砂輪在正壓力作用下會(huì)與鋼軌進(jìn)行深接觸，其表面的磨粒在壓力作用下侵入鋼軌表層，砂輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程會(huì)帶動(dòng)磨粒劃動(dòng)從而去除鋼軌表面的多余材料，使其保持平整；如圖5右圖所示為進(jìn)行鋼軌廓形修復(fù)，可以沿鋼軌截面調(diào)整砂輪角度，以此保證對(duì)鋼軌整體廓形結(jié)構(gòu)不同位置的材料去除需求。

圖5 鋼軌打磨技術(shù)原理圖

3.2 打磨技術(shù)存在的缺陷

（1）打磨效率低。由于砂輪磨石自身強(qiáng)度和功率問(wèn)題，一次打磨深度只有0.01mm，遇到普通病害，需要30遍以上才能完成，對(duì)于嚴(yán)重病害打磨需要50遍以上才能完成。

（2）車(chē)輛故障率高。打磨車(chē)多采用靜液壓走行系統(tǒng)，整車(chē)液壓管路較多，對(duì)于設(shè)備的養(yǎng)護(hù)要求非常高，液壓系統(tǒng)故障率極高，作業(yè)過(guò)程中存在液壓油泄漏，無(wú)法走行的問(wèn)題，車(chē)輛故障率高。

（3）作業(yè)要求高。由于打磨是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同的病害對(duì)多個(gè)砂輪組進(jìn)行不同模式的配合作業(yè)，對(duì)打磨人員的業(yè)務(wù)技術(shù)有高的要求，需要長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累。

（4）作業(yè)環(huán)境差。由于砂輪與鋼軌高速磨削作業(yè)，會(huì)產(chǎn)生大量的鐵屑，威脅作業(yè)人員的身體健康；大量鐵屑無(wú)法回收，集聚在軌行區(qū)會(huì)對(duì)地鐵列車(chē)電氣特性及軌行區(qū)精密設(shè)備造成影響。

4 銑軌技術(shù)的原理及適用性分析

4.1 銑軌技術(shù)原理

（1）預(yù)防性銑磨。預(yù)防性銑削是指通過(guò)控制和消除鋼軌表面存在的包括軌面波紋、軌頭塌落、焊接不平順、磨耗和塑性形變等鋼軌病害。通過(guò)預(yù)防性銑削方式控制表面缺陷從而調(diào)整列車(chē)豎向震動(dòng)和豎向沖擊力大小，起到對(duì)鋼軌表面的預(yù)防性保護(hù)作用。

（2）損傷修復(fù)性銑磨。損傷修復(fù)性銑削是指使用被打磨成各種形狀的軌頭改善輪軌的接觸狀態(tài)，借此手段控制鋼軌病害的發(fā)生及發(fā)展。針對(duì)出現(xiàn)損傷的軌道表面進(jìn)行修復(fù)時(shí)，需分成銑削和銑磨兩步進(jìn)行，第一步銑削即采用圓周銑削技術(shù)，消除鋼軌表層的鋼軌損傷；第二步銑磨即將變形的鋼軌頭整形成為標(biāo)準(zhǔn)的鋼軌廓形，同時(shí)采用打磨盤(pán)將鋼軌表面打磨光滑。

4.2 銑軌技術(shù)優(yōu)勢(shì)及適應(yīng)性

（1）作業(yè)效率高。單次切削深度可達(dá)3mm，一遍即可完成軌道整修，在實(shí)現(xiàn)相同作業(yè)的情況下，針對(duì)磨損嚴(yán)重區(qū)段采用傳統(tǒng)的打磨方式需進(jìn)行25遍左右。

（2）質(zhì)量精度高。①采用定制的固定鋼軌廓形刀盤(pán)，鋼軌廓形修復(fù)精度高，鋼軌橫斷面輪廓精度±0.2mm；②縱向平順性精度高，可以根據(jù)不同波長(zhǎng)控制在±0.02～±0.13mm；③鋼軌輪軌踏面光滑度高，接觸軌面光滑度約為Ra=3～5μm，不會(huì)留有微紋和斑痕。

（3）作業(yè)環(huán)境優(yōu)。無(wú)鐵屑和粉塵，切屑可回收再利用，保護(hù)了作業(yè)人員的身體健康；作業(yè)時(shí)無(wú)明火。

5 案例分析

福州地鐵1號(hào)線現(xiàn)有波磨谷深大等于0.3mm的線路長(zhǎng)度為12.585km，波磨谷深小于0.3mm或軌面存在魚(yú)鱗傷及掉塊的線路長(zhǎng)度為5.845km，合計(jì)18.43km。暫定鋼軌打磨施工每個(gè)天窗點(diǎn)實(shí)際有效作業(yè)時(shí)間為2h，每月施工6次。

5.1 采用傳統(tǒng)鋼軌打磨車(chē)進(jìn)行鋼軌修磨作業(yè)

鋼軌打磨車(chē)按照一遍一個(gè)角度打磨深度h=0.01mm，綜合打磨效率Qd≈5km/h，線路長(zhǎng)度l=12.585km，單個(gè)天窗點(diǎn)有效作業(yè)時(shí)長(zhǎng)tw=2h，每月天窗點(diǎn)數(shù)Wm=6。計(jì)算公式如下：

式中，S表示不同病害深度下鋼軌需打磨次數(shù)，L表示完成打磨修復(fù)過(guò)程中的累計(jì)打磨長(zhǎng)度，T表示完成打磨修復(fù)過(guò)程中的累計(jì)打磨時(shí)長(zhǎng)，W表示完成打磨修復(fù)過(guò)程中的累計(jì)打磨天窗點(diǎn)，M表示完成打磨修復(fù)過(guò)程中的累計(jì)打磨施工月數(shù)。

據(jù)式（1）～（5）可得：

福州地鐵1號(hào)線波磨谷深H=0.3mm以上地段理想情況打磨作業(yè)需要約7個(gè)月，但鋼軌的傷損也是隨著時(shí)間逐步發(fā)展，傳統(tǒng)鋼軌打磨車(chē)效率難以與鋼軌傷損速率持平，鋼軌傷損難以根治。

5.2 采用鋼軌銑磨車(chē)進(jìn)行鋼軌修磨作業(yè)

鋼軌銑磨車(chē)單次打磨深度h=0.5mm，綜合打磨效率Qx≈0.5km/h。

據(jù)式（1）～（5）可得：

福州地鐵1號(hào)線波磨谷深H=0.3mm以上地段銑磨作業(yè)需要約2個(gè)月。由此可見(jiàn)，相較于打磨車(chē)作業(yè)的7個(gè)月，鋼軌銑磨車(chē)可以及時(shí)對(duì)鋼軌傷損進(jìn)行處理。

5.3 兩種作業(yè)方式的對(duì)比

打磨與銑磨后的鋼軌均能符合鋼軌打磨驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，其指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。打磨后鋼軌如圖6，銑磨后鋼軌如圖7，鋼軌銑磨前后對(duì)比圖如圖8。

表1 銑磨車(chē)與打磨車(chē)作業(yè)方式對(duì)比表

圖6 打磨后鋼軌

圖7 銑磨后鋼軌

圖8 鋼軌銑磨前后對(duì)比圖

6 結(jié)語(yǔ)

目前比較成熟的鋼軌維護(hù)策略是修復(fù)性維護(hù)與預(yù)防性維護(hù)相結(jié)合，分別采用鋼軌銑磨車(chē)及鋼軌高速打磨車(chē)在不同場(chǎng)景進(jìn)行維護(hù)。但鑒于目前地鐵線路多處于鬧市區(qū)，小半徑曲線多，加速了鋼軌波磨的發(fā)展，造成鋼軌波磨谷深大多超過(guò)0.3mm，采用傳統(tǒng)打磨車(chē)修復(fù)鋼軌已無(wú)法滿足鋼軌修復(fù)的需求，故鋼軌銑磨替代傳統(tǒng)打磨已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，逐漸被全國(guó)各地的地鐵公司采納。