我國高速鐵路用鋼軌打磨列車選型及應(yīng)用研究

曹 巖

(北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司，北京 100072)

1 鋼軌打磨作業(yè)的需求、運(yùn)用和效益

鋼軌是所有鐵路走行設(shè)備的載體，鋼軌質(zhì)量的好壞直接影響走行設(shè)備的運(yùn)行品質(zhì)和運(yùn)行安全。鋼軌長期承受軌道車輛運(yùn)行產(chǎn)生的輪軌間交變作用力，因此極易發(fā)生受損情況，如裂紋、壓潰、龜裂、剝落、磨耗等。這些病害如果不及時(shí)消除，則會(huì)急劇發(fā)展成軌頭掉塊、斷軌等事故，危及行車安全。鋼軌波浪形磨耗形成之后，必將激勵(lì)起車輛、軌道系統(tǒng)的振動(dòng)，而且這種振動(dòng)是隨著不平順的加劇而加劇的。為了避免這些病害對(duì)行車安全帶來影響，早期的處理方法就是更換鋼軌。但是大量鋼軌的提前退役將造成大量的資源和能源浪費(fèi)。鋼軌的使用壽命主要由磨耗和滾動(dòng)接觸疲勞決定。除了生產(chǎn)高質(zhì)量鋼軌，還要對(duì)其進(jìn)行科學(xué)打磨。

隨著我國鐵路的長足進(jìn)步，對(duì)線路維修提出了更高要求。不僅要求軌道在軌向、水平具有高平順性，還要求鋼軌具有高質(zhì)量的表面良好廓形。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，理論的豐富，鋼軌打磨理論逐漸形成。打磨作業(yè)的種類和用途也逐步細(xì)分，主要有以下4種:預(yù)打磨、預(yù)防性打磨、保養(yǎng)性打磨和校正性打磨。

通過打磨修復(fù)作業(yè)，可以帶來良好的效果和巨大的效益。

(1)打磨作業(yè)消除了軌頭表面的疲勞裂紋，控制裂紋的惡性發(fā)展，延長鋼軌使用壽命，節(jié)約資源。

(2)打磨作業(yè)修復(fù)了軌廓，改善了輪對(duì)作用條件，降低滾動(dòng)阻力，提高了車輛運(yùn)行品質(zhì)，保障了行車安全。

(3)打磨作業(yè)消除了軌道的不平順，減少了輪軌間的振動(dòng)，降低了運(yùn)行噪聲，提高了旅客的舒適度。

(4)打磨作業(yè)提高了車輛運(yùn)行品質(zhì)，也降低了車輛故障的發(fā)生概率，進(jìn)而降低了車輛的維護(hù)成本。

2 鋼軌打磨列車的工作原理和在我國的發(fā)展歷程

鋼軌打磨列車的工作原理主要是:打磨列車在軌道上以恒定的低速走行，操作人員通過微機(jī)系統(tǒng)，控制液壓系統(tǒng)工作，驅(qū)動(dòng)安裝在作業(yè)車下部的打磨小車內(nèi)的多組打磨電機(jī)按設(shè)定的角度偏轉(zhuǎn)，使安裝在打磨電機(jī)前方的打磨砂輪在鋼軌上磨削。不同角度的砂輪打磨形成的磨削帶包絡(luò)成一個(gè)圓滑的、符合設(shè)計(jì)規(guī)范的軌頭截面，從而消除軌頂縱向波浪磨耗，同時(shí)消除疲勞裂紋，修復(fù)軌頭輪廓。

我國鋼軌維修設(shè)備水平和打磨技術(shù)曾遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西歐、日本等鐵路發(fā)達(dá)國家，到1989年才引進(jìn)第1列由斯比諾公司生產(chǎn)的URR48-4型48頭干線鋼軌打磨列車。20世紀(jì)90年代，引進(jìn)美國HTT公司技術(shù)，生產(chǎn)了PGM-48型48頭鋼軌打磨列車;“十一五”期間分別引進(jìn)SPENO公司和HTT公司技術(shù)，成功研制了代表世界先進(jìn)技術(shù)的GMC96B和GMC96X型96頭鋼軌打磨列車，標(biāo)志著我國鋼軌打磨列車達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

3 高速鐵路的特點(diǎn)及對(duì)鋼軌打磨作業(yè)的要求

截至2010年，我國高速鐵路里程已達(dá)8 358 km，每天開行動(dòng)車組列車近1 200列。密集的發(fā)車頻率，繁忙的客流，對(duì)旅客乘車的舒適度和安全性都帶來了極高的要求。高速鐵路的打磨任務(wù)非常繁重。按照“既有線提速200～250 km/h線橋設(shè)備維修規(guī)則(鐵運(yùn)［2007］44號(hào))”的規(guī)定，高速鐵路應(yīng)在開通前進(jìn)行預(yù)防性打磨，在開通后每年至少進(jìn)行1次定期打磨，特別繁忙線路應(yīng)每半年打磨1次。通過對(duì)打磨后鋼軌縱向斷面測繪和軌檢車動(dòng)態(tài)檢查發(fā)現(xiàn)，鋼軌打磨對(duì)高速鐵路線路的輪軌接觸關(guān)系具有較大的改善作用。

就高速鐵路和一般鐵路而言，打磨原理和技術(shù)沒什么分別，但高速鐵路的特殊性導(dǎo)致其對(duì)鋼軌打磨列車有專門的要求。

3.1 高速鐵路線路相對(duì)于普速鐵路的特殊性

(1)軌道質(zhì)量要求高

高速鐵路上運(yùn)行的旅客列車，其一般運(yùn)營速度都在250 km/h以上。隨著世界各國高速鐵路技術(shù)的發(fā)展，350 km/h的高速電動(dòng)車組也已陸續(xù)投入運(yùn)用。我國高速鐵路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了486.1 km/h的試驗(yàn)速度。

車輛的高速運(yùn)行對(duì)輪軌間作用條件非常敏感，因此軌道線路的微小損傷都會(huì)嚴(yán)重影響列車的運(yùn)行品質(zhì)，甚至危及行車安全。因此高速鐵路線路基于可靠性、安全性要求，對(duì)軌道質(zhì)量提出更高要求。

(2)病害發(fā)展快

高速鐵路上車輛運(yùn)行速度極高。盡管車輛軸重較輕，但是高速運(yùn)行的車輛仍然對(duì)鋼軌產(chǎn)生比普速線路大很多的輪軌作用力。在巨大的輪軌作用力下，軌道表面的任何微小損傷都會(huì)快速地發(fā)展。如果不及時(shí)處理或修復(fù)，就會(huì)快速發(fā)展成剝落、掉塊、斷軌等惡性事故。

(3)區(qū)間長

為了發(fā)揮高速鐵路行車速度高的優(yōu)點(diǎn)，高速鐵路的區(qū)間里程比普速鐵路長很多。普速鐵路區(qū)間長度一般為10 km左右，而高速鐵路一般都在40 km左右，甚至達(dá)到60 km。

3.2 高速鐵路對(duì)鋼軌打磨列車的要求

(1)運(yùn)行速度高

基于高速鐵路區(qū)間長的特點(diǎn)，要求在高速鐵路運(yùn)用的鋼軌打磨列車必須具備較高的自身運(yùn)行速度。普速鐵路上運(yùn)用的鋼軌打磨列車一般要求自身運(yùn)行最高速度為80 km/h，而高速鐵路用鋼軌打磨列車的自身運(yùn)行最高速度要求達(dá)到100 km/h以上。較高的運(yùn)行速度可以保證列車快速地進(jìn)出作業(yè)區(qū)間，節(jié)省走行時(shí)間，保留更多的作業(yè)時(shí)間，充分利用作業(yè)天窗。

(2)作業(yè)速度高

僅僅通過提高打磨列車走行速度仍然不夠，還需要提高作業(yè)速度。普速鐵路打磨作業(yè)一般可設(shè)定作業(yè)速度為8 km/h。但高速鐵路打磨作業(yè)，為提高作業(yè)能力，要求作業(yè)速度在12 km/h，甚至20 km/h。

(3)作業(yè)效率高

作業(yè)速度提高仍然不足以提高作業(yè)能力，還需要提高作業(yè)效率。普速鐵路打磨作業(yè)，在進(jìn)行修復(fù)性打磨時(shí)，通常需要打磨4～6遍。而高速鐵路一般要求2遍就達(dá)到作業(yè)要求。

(4)可靠性高

高速鐵路一般只運(yùn)行高速動(dòng)車組，不設(shè)置機(jī)務(wù)段，因此也不設(shè)置機(jī)車。因此一旦工程車輛出現(xiàn)機(jī)破等故障，將發(fā)生堵線的重大事故。因此要求各種工程車輛必須具備很高的可靠性，甚至要求設(shè)置雙機(jī)組動(dòng)力系統(tǒng)，保證在任何時(shí)刻都能憑自身動(dòng)力進(jìn)入和移出區(qū)間，保證線路按時(shí)開通。

4 我國高速鐵路在用鋼軌打磨列車選型分析

目前國內(nèi)在用的鋼軌打磨列車主要有URR48型48頭鋼軌打磨列車、PGM-48型48頭鋼軌打磨列車、GMC96B型96頭鋼軌打磨列車、GMC96X型96頭鋼軌打磨列車等。經(jīng)過鐵道部專家從成本、效率和能力等多方面原因綜合考慮，并結(jié)合我國高速鐵路的實(shí)際，確定了由我國自行生產(chǎn)的96頭鋼軌打磨列車作為高鐵打磨車的主力機(jī)型進(jìn)行打磨作業(yè)。

其主要具有以下特點(diǎn)。

(1)作業(yè)效率高。96頭鋼軌打磨列車的打磨能力為軌頂面金屬磨削量不少于0.02 mm/遍。一般打磨2遍就可以滿足高鐵打磨精度要求，而48頭打磨車則至少需要5遍;

(2)作業(yè)能力強(qiáng)。96頭鋼軌打磨列車的年作業(yè)能力在2 000 km以上，比48頭打磨車的年作業(yè)能力800 km要高很多;

(3)采購成本低。96頭鋼軌打磨列車都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，其中GMC96B型鋼軌打磨車國產(chǎn)化率已經(jīng)達(dá)到70%以上。極大地降低了采購成本，并且由于國產(chǎn)化率的提高，相應(yīng)地也降低了后續(xù)的配件采購和維護(hù)成本。

5 我國高速鐵路用打磨列車采用的先進(jìn)技術(shù)

我國從“十一五”期間開始大規(guī)模的大型養(yǎng)路機(jī)械的技術(shù)引進(jìn)。96頭鋼軌打磨列車正是在那時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的。但值得注意的是，國外并沒有成熟先進(jìn)的96頭鋼軌打磨列車原型車可以借鑒。GMC96B型鋼軌打磨列車是在消化吸收國外公司打磨設(shè)計(jì)理念后通過與外方聯(lián)合設(shè)計(jì)制造出來的。其采用了許多自主研發(fā)的在國際上領(lǐng)先的創(chuàng)新技術(shù)。

(1)整車系統(tǒng)集成技術(shù)。GMC96B型鋼軌打磨列車的整車在瑞士SPENO公司的技術(shù)支持下由北京二七軌道裝備公司按照中國鐵路條件自主設(shè)計(jì)。整車外型上從頂棚、車體到轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)都由北京二七軌道裝備公司獨(dú)立完成。我國已掌握了通過微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)將動(dòng)力牽引系統(tǒng)、作業(yè)恒低速控制系統(tǒng)、粉塵收集系統(tǒng)、打磨作業(yè)風(fēng)源系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、軌道檢測系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等有機(jī)結(jié)合的整車系統(tǒng)集成技術(shù)。整車國產(chǎn)化率達(dá)到70%以上。

(2)動(dòng)力牽引技術(shù)

打磨列車無論是快速進(jìn)出作業(yè)區(qū)間還是打磨作業(yè)，都要通過其自身的牽引動(dòng)力車提供動(dòng)力。北京二七軌道裝備公司作為我國老牌的內(nèi)燃機(jī)車制造廠，利用自身的機(jī)車設(shè)計(jì)優(yōu)勢，根據(jù)打磨列車牽引動(dòng)力車的技術(shù)條件，自主設(shè)計(jì)制造了打磨列車牽引動(dòng)力車。其大量應(yīng)用我國內(nèi)燃機(jī)車成熟技術(shù)、結(jié)構(gòu)和部件進(jìn)行系統(tǒng)集成。采用2種傳動(dòng)方式為列車提供動(dòng)力:通過液壓傳動(dòng)為打磨作業(yè)提供動(dòng)力，通過液力傳動(dòng)為高速走行提供動(dòng)力。此外，牽引動(dòng)力車還采用了大功率雙機(jī)組設(shè)計(jì)。一方面對(duì)高速鐵路用打磨列車提供2套動(dòng)力系統(tǒng)，提高可靠性;另一方面，保證打磨列車在如33‰的長大坡道上也可具備連續(xù)打磨能力。牽引動(dòng)力車為打磨列車提供3 000 kW的動(dòng)力，使打磨列車最高走行速度達(dá)到100 km/h，打磨作業(yè)時(shí)提供3～15 km/h范圍內(nèi)可調(diào)的恒低速。

(3)作業(yè)恒低速控制技術(shù)

鋼軌打磨列車在進(jìn)行打磨作業(yè)時(shí)，打磨砂輪將以恒定的壓力、恒定的角度對(duì)鋼軌進(jìn)行磨削。如果打磨列車恒低速運(yùn)行時(shí)速度不穩(wěn)定，則打磨精度勢必受到影響。GMC96B型打磨列車恒低速控制系統(tǒng)采用閉式回路液壓控制系統(tǒng)。由2個(gè)A4VG180型液壓泵和4個(gè)A6VM160型液壓馬達(dá)及閥組和管路組成。每2個(gè)馬達(dá)1組，每組馬達(dá)經(jīng)過1個(gè)減速箱帶動(dòng)1個(gè)轉(zhuǎn)向架。液壓系統(tǒng)采用合流方式，使用分流集流塊，將2個(gè)變量泵的油路匯集，再分流，保證前后轉(zhuǎn)向架運(yùn)行的同步性。根據(jù)閉式液壓系統(tǒng)和液壓泵及馬達(dá)特性，在采用工控單片機(jī)進(jìn)行邏輯電子控制的條件下，通過調(diào)整泵馬達(dá)配流盤角度控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制車速。經(jīng)實(shí)際裝車試驗(yàn)，GMC96B型鋼軌打磨列車的恒低速控制精度達(dá)到時(shí)速5 km以下時(shí)＜±0.5 km/h，時(shí)速5 km以上時(shí)小于時(shí)速的10%。

(4)微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

GMC96B型鋼軌打磨列車采用多層級(jí)的分布式微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)加硬線備份。主要功能:一是在列車作業(yè)時(shí)提供恒低速運(yùn)行控制，根據(jù)司機(jī)在打磨作業(yè)工況的給定信號(hào)，提供驅(qū)動(dòng)減速箱旋轉(zhuǎn)的液壓泵和馬達(dá)執(zhí)行系統(tǒng)中各控制閥所需要的電氣控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電、液和機(jī)械系統(tǒng)的聯(lián)合工作;二是列車牽引運(yùn)行控制，控制柴油機(jī)-液力傳動(dòng)箱-車軸齒輪箱主傳動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)、換向、充排油，實(shí)現(xiàn)列車牽引運(yùn)行;三是對(duì)柴油機(jī)、液力傳動(dòng)箱、冷卻系統(tǒng)、輔助傳動(dòng)系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)中各機(jī)組的啟動(dòng)、提取運(yùn)行信號(hào)、傳輸、顯示等出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行安全報(bào)警或機(jī)組保護(hù)。

為增加網(wǎng)絡(luò)控制可靠性，GMC96B型鋼軌打磨列車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用3級(jí)控制方式。一是CCLINK總線傳輸最優(yōu)控制。司機(jī)的控制指令通過總線傳遞，并最終實(shí)現(xiàn)各部件的最優(yōu)控制，進(jìn)行列車正常運(yùn)行和可靠作業(yè);二是APLC自動(dòng)控制。為提高列車運(yùn)行的可靠性，考慮到可能出現(xiàn)的干擾造成CC-LINK總線傳輸最優(yōu)控制故障時(shí)，APLC將部分功能轉(zhuǎn)換為自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)打磨作業(yè)或牽引;三是AFPLC應(yīng)急控制。在APLC也發(fā)生故障時(shí)，作業(yè)備用控制部件，快速切換，維持列車的正常牽引，脫離作業(yè)現(xiàn)場。這種網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)點(diǎn)是控制和執(zhí)行分開，各自獨(dú)立工作，任何一個(gè)部分損壞不影響其余微機(jī)工作，控制迅速有效。

(5)軌廓波磨檢測技術(shù)

GMC96B型鋼軌打磨列車原有進(jìn)口檢測裝置采用LVDT位移傳感器為機(jī)械接觸式，精度低，容易損壞，并不適合中國鐵路情況。北京二七軌道裝備公司聯(lián)合鐵道部、北方車輛研究所等共同進(jìn)行了軌廓波磨檢測裝置的自主研發(fā)。檢測傳感器采用激光非接觸式測量方案，波磨測量采用3點(diǎn)偏弦法，每根軌道采用3只1D激光位移傳感器;軌廓測量采用2D激光位移傳感器，每根軌道采用1只2D激光傳感器。軌廓與波磨的測量采用增量式編碼器分別進(jìn)行空間等距離采樣控制，其中波磨的采樣步長為5 mm，軌廓的采樣步長為250 mm。軌廓測量精度達(dá)到0.01 mm，波磨測量精度可達(dá)到0.05 mm。采用非接觸式激光測量技術(shù)代替原車的接觸式測量方法，簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高精度，排除機(jī)械誤差。經(jīng)實(shí)測檢驗(yàn)，其在檢測速度、檢測精度、技術(shù)先進(jìn)性、可靠性和可維修性上都優(yōu)于進(jìn)口檢測裝置。先進(jìn)的檢測裝置安裝在打磨列車最前端，可使打磨列車在每次打磨之前，對(duì)軌道進(jìn)行精確測量，實(shí)時(shí)計(jì)算出最優(yōu)打磨方式，實(shí)現(xiàn)邊檢測邊打磨，提高作業(yè)效率和打磨質(zhì)量。

(6)空氣制動(dòng)技術(shù)

GMC96B型鋼軌打磨列車采用中國鐵路常規(guī)間接制動(dòng)系統(tǒng)。經(jīng)中鐵咨詢公司論證和計(jì)算，采用了JZ7制動(dòng)機(jī)+F8分配閥的混合制動(dòng)系統(tǒng)方案。列車風(fēng)管定壓為5 bar(1 bar=100 kPa)，保持與鐵路貨車列車管定壓一致。制動(dòng)管路中金屬管路采用不銹鋼管，系統(tǒng)上裝有空氣干燥器，制動(dòng)系統(tǒng)與中國鐵路機(jī)車車輛聯(lián)掛時(shí)能夠緩解，全制動(dòng)后緩解時(shí)間小于10 s，符合中國鐵路機(jī)車車輛制動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。保證打磨列車運(yùn)行的安全性和可靠性。

6 待解決的問題

(1)打磨控制系統(tǒng)的研發(fā)

目前我國對(duì)打磨控制系統(tǒng)的研究還處在初級(jí)階段。由鐵道部、北京交通大學(xué)和北京鐵路局組成的課題組正在進(jìn)行打磨控制系統(tǒng)的攻關(guān)?？刂葡到y(tǒng)屬于軟件范疇，在外方不提供源代碼的情況下，必須要進(jìn)行自主研發(fā)。打磨控制系統(tǒng)的研發(fā)成功才能真正意味著我們完全掌握了打磨列車的全部核心技術(shù)和全部的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

(2)打磨鐵屑回收裝置

目前GMC96B型鋼軌打磨列車裝有集塵裝置，對(duì)打磨過程中產(chǎn)生的粉塵及鐵屑進(jìn)行回收，但對(duì)熱結(jié)的大塊兒鐵屑還無法收集，要靠人工進(jìn)行清掃。在高速鐵路的打磨作業(yè)中，如果工人的責(zé)任心不強(qiáng)，殘留在鋼軌上的鐵屑對(duì)行車將造成極大的安全隱患。如果在打磨列車尾部增加一個(gè)類似于軌道吸污的裝置，一次性收集所有殘留鐵屑，將極大減少環(huán)境污染，提高高速鐵路行車安全性。

7 結(jié)語

綜合以上因素，結(jié)合我國高速鐵路的現(xiàn)狀，分析和實(shí)踐均證明，GMC96B型鋼軌打磨列車正是適用于我國高速鐵路鋼軌打磨作業(yè)需求的機(jī)型。2011年2月至3月，GMC96B型鋼軌打磨列車?yán)?0 d作業(yè)時(shí)間，完成了京滬高速鐵路北段1 250 km的打磨作業(yè)，也恰恰證明了這一點(diǎn)。此外，同類型的GMC96X型打磨車也完成了京滬高速鐵路南段、滬寧高速鐵路及武廣高速鐵路的打磨工作，為我國高速鐵路的安全及舒適運(yùn)營作出了巨大貢獻(xiàn)。

按照鐵道部最新規(guī)劃，“十二五”末全國鐵路運(yùn)營里程將由現(xiàn)在的9.1萬km增加到12萬km左右，其中高速鐵路4.5萬km左右。基于高速鐵路的特點(diǎn)，并結(jié)合在用各型鋼軌打磨列車的性能和成本，為了滿足鋼軌打磨作業(yè)的需求，必須大量推廣使用作業(yè)效率高、作業(yè)能力大、綜合成本低的鋼軌打磨列車產(chǎn)品。96頭鋼軌打磨列車應(yīng)該予以大量地推廣使用。

［1］金學(xué)松，杜心，郭俊，崔大賓.鋼軌打磨技術(shù)研究發(fā)展［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，45(1).

［2］鐵運(yùn)［2007］44號(hào) 既有線提速200～250 km/h線橋設(shè)備維修規(guī)則［S］.

［3］雷曉燕.鋼軌打磨原理及其應(yīng)用［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2000(1):28-33.

［4］金學(xué)松，溫澤峰，張衛(wèi)華.輪對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸應(yīng)力的影響［J］.工程力學(xué)，2004(1).

［5］劉啟躍，張 波，周仲榮.鐵路鋼軌損傷機(jī)理研究［J］.中國機(jī)械工程，2002(18).

［6］王小文，章 欣，馮文相.廣深準(zhǔn)高速鐵路鋼軌波狀磨耗特點(diǎn)和發(fā)展規(guī)律［J］.中國鐵道科學(xué)，1998(2).

［7］盧 軍.鋼軌打磨列車打磨質(zhì)量控制［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2011(1).

［8］繆闖波.鋼軌打磨對(duì)輪軌作用的影響［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2002(7).

［9］劉莉麗，高 亮，谷愛軍，趙 影.高速重載線鋼軌打磨策略研究初探［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004(3).

［10］牛道安，李志強(qiáng).提速線路鋼軌打磨作業(yè)方案的探討［J］.鐵道建筑，2006(8).

［11］郭福安，張 梅.客運(yùn)專線鋼軌打磨的思考［J］.中國鐵路，2008(3).