基于輪軌關(guān)系的地鐵鋼軌側(cè)磨病害分析及維護(hù)方法

陳忠良

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明650215）

0 引言

截至2020年12月31日，中國累計(jì)有45個(gè)城市開通城軌交通運(yùn)營線路7978.19千米。隨著城市交通鐵路運(yùn)營里程及使用年限的增長，鋼軌病害凸顯，極易引起輪軌突發(fā)性破壞，嚴(yán)重地干擾鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的正常運(yùn)營，甚至發(fā)生列車脫軌事故，迫切需要針對鋼軌典型病害的科學(xué)在線維護(hù)理論及維護(hù)技術(shù)。地鐵線路設(shè)計(jì)受城市環(huán)境的影響，小半徑曲線在地鐵線路中普遍運(yùn)用。

國內(nèi)針對側(cè)磨形成機(jī)理的研究主要通過現(xiàn)場測得的曲線鋼軌側(cè)磨數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過擬合得到鋼軌側(cè)磨量與運(yùn)量的關(guān)系曲線，并總結(jié)曲線上股鋼軌側(cè)面磨耗的特征和發(fā)生、發(fā)展規(guī)律。但其研究的主要對象為國鐵普速鐵路的側(cè)磨形成機(jī)理。

本文主要針對地鐵小半徑曲線線路鋼軌上出現(xiàn)的典型側(cè)磨病害進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，圍繞典型鋼軌側(cè)磨病害的形成機(jī)理，提出一種基于改善輪軌關(guān)系的地鐵鋼軌側(cè)磨病害維護(hù)方法及策略，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化且針對性強(qiáng)的鋼軌典型病害在線維護(hù)理論及運(yùn)用實(shí)施方案，減少輪對和鋼軌蠕滑現(xiàn)象，抑制側(cè)磨發(fā)展速率，提高地鐵線路易發(fā)生側(cè)磨路段鋼軌服役壽命，降低線路運(yùn)營成本和車輛運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 地鐵鋼軌常見病害類型

地鐵線路鋼軌典型病害類型為裂紋、波磨、側(cè)磨、垂磨、剝離掉塊等，在小半徑曲線上股側(cè)磨嚴(yán)重，下股垂磨嚴(yán)重，上股和下股同時(shí)存在波磨；中等半徑曲線上股側(cè)磨較小，下股以軌頂垂磨為主，伴有輕微的波磨，且光帶比較居中，分布在軌頂兩側(cè)；大半徑曲線上股的側(cè)磨較小，磨耗主要分布在軌肩位置處，下股以軌頂垂磨為主，光帶更加靠近鋼軌內(nèi)側(cè)；直線區(qū)段，左右股鋼軌的廓形基本對稱一致，鋼軌以軌頂垂磨為主，但是光帶更加靠近鋼軌內(nèi)側(cè)，部分磨耗分布在軌肩位置處，軌側(cè)位置處有接觸痕跡。

2 基于地鐵鋼軌側(cè)磨病害數(shù)據(jù)采集

針對地鐵車輪廓形和鋼軌廓形的數(shù)據(jù)采集均采用Minipprof設(shè)備進(jìn)行，該設(shè)備是手持式便攜測量設(shè)備，利用特制高精度光學(xué)編碼器采集車輪或鋼軌剖面外形數(shù)據(jù)，使用筆記本電腦或掌上電腦與設(shè)備連接進(jìn)行測量、存儲和處理數(shù)據(jù)，同時(shí)包含利用專用軟件進(jìn)行觀測、分析、計(jì)算和打印。

2.1 車輪廓形信息采集

利用Miniprof設(shè)備對某地鐵車輛的車輪廓形進(jìn)行采集，采集車輪數(shù)量為528個(gè)，共計(jì)11列車（每列車6輛編組）。采集初始車輪型面，分別是LM型面和DIN5573型面，LM型面的車輪采集數(shù)量為48個(gè)，DIN5573型面的車輪采集數(shù)量為480個(gè)，這里以初始車輪型面為LM型面進(jìn)行分析。

根據(jù)圖1初始車輪為LM型踏面的車輪廓形、圖2車輪輪緣厚度、圖3車輪輪緣高度所示統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，以上48個(gè)車輪的最大輪緣厚度為33.10mm，最小輪緣厚度為31.20mm，最大輪緣高度為29.5mm，最小輪緣高度為28.5mm。初始LM型面的輪緣厚度為32mm，輪緣高度為27mm?？梢钥闯觯摰罔FLM車輪在運(yùn)用過程中，輪緣磨耗較輕微，以踏面磨耗為主，因此車輪在運(yùn)用過程中，隨著踏面的不斷磨耗輪緣高度不斷增加，同時(shí)部分車輪的輪緣厚度也隨之增加。

圖1 初始型面為LM型面的車輪廓形

圖2 LM型面的車輪輪緣厚度

圖3 LM型面的車輪輪緣高度

2.2 鋼軌廓形信息采集

采用Miniprof廓形測量設(shè)備選取該地鐵在運(yùn)營線路中曲線段和直線段線路鋼軌廓形進(jìn)行測量，曲線線段測量曲中和圓緩點(diǎn)鋼軌廓形，線路曲線半徑分別為R350m、R400m、R600m、R800m和R2000m，直線路段任意取點(diǎn)進(jìn)行測量，同時(shí)測量上股和下股的鋼軌廓形數(shù)據(jù)，并且對鋼軌表面狀態(tài)進(jìn)行觀測。具體測量線路信息情況如表1所示：

針對表1中列舉的6條曲線，利用Miniprof設(shè)備對每條曲線的曲中、圓緩點(diǎn)位置處鋼軌廓形進(jìn)行采集。本文僅用350m曲線和2000m曲線做對比分析，圖例中紅線為實(shí)測廓形，灰色線為60軌標(biāo)準(zhǔn)廓形。

表1 本次測量的曲線線路參數(shù)

半徑為350m的曲線的曲中和圓緩點(diǎn)位置處鋼軌廓形如圖4和圖5所示。

圖5 R350m鋼軌廓形（圓緩點(diǎn)）

由圖4和圖5可見，350m曲線曲中位置處曲線上股存在嚴(yán)重的側(cè)磨，同時(shí)曲線下股伴隨著較大的軌頂垂磨。

半徑為2000m的曲線的曲中和圓緩點(diǎn)位置處鋼軌廓形如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可見，2000m曲線曲中、圓緩位置處上股以軌頂垂磨為主。

圖6 R2000m鋼軌廓形（曲中點(diǎn)）

圖7 R2000m鋼軌廓形（圓緩點(diǎn)）

對比350m曲線和2000m曲線可知，小半徑曲線更容易形成鋼軌側(cè)磨病害。

3 地鐵鋼軌側(cè)磨病害形成機(jī)理

根據(jù)線路鋼軌及車輛輪緣廓形信息得知，該地鐵曲線上的鋼軌存在一定程度的側(cè)磨現(xiàn)象，尤其是小半徑曲線上，側(cè)磨比較明顯。

以半徑為350m曲線為例進(jìn)行包括輪對橫移量、軌側(cè)縱向蠕滑率、軌側(cè)磨耗數(shù)計(jì)算分析。根據(jù)輪軌關(guān)系的匹配關(guān)系，設(shè)計(jì)了2種工況：工況1是車輪與60kg/m新鋼軌匹配；工況2是車輪與實(shí)測鋼軌型面匹配。

3.1 曲線350m圓曲線上的輪對橫移量

從圖8和圖9不難看出，實(shí)測鋼軌為已有側(cè)磨病害鋼軌，輪軌之間間隙增大，導(dǎo)致輪對橫移量增大。

圖8 車輪與60kg/m新鋼軌匹配

圖9 車輪與實(shí)測鋼軌型面匹配

3.2 曲線350m圓曲線上軌側(cè)縱向蠕滑率

從圖10和圖11可知，實(shí)測鋼軌的軌側(cè)縱向蠕滑率大于新鋼軌軌側(cè)縱向蠕滑率。

圖10 車輪與60kg/m新鋼軌匹配

圖11 車輪與實(shí)測鋼軌型面匹配

3.3 曲線350m圓曲線上軌側(cè)軌側(cè)磨耗數(shù)

從圖12和圖13可知，實(shí)測鋼軌的軌側(cè)磨耗明顯大于新鋼軌軌側(cè)磨耗。

圖12 車輪與60kg/m新鋼軌匹配

圖13 輪與實(shí)測鋼軌型面匹配

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和輪軌接觸關(guān)系分析可知，該地鐵小半徑曲線上出現(xiàn)鋼軌側(cè)磨的主要原因是輪軌關(guān)系不良。當(dāng)車輪尤其是薄輪緣車輪通過曲線時(shí)，較大的輪對橫移量導(dǎo)致車輪貼靠鋼軌。輪軌之間出現(xiàn)了典型的多點(diǎn)接觸現(xiàn)象，接觸位置分布在軌頂和軌側(cè)，而且軌側(cè)位置處的輪軌蠕滑率和磨耗數(shù)較大，從而使鋼軌出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的側(cè)磨現(xiàn)象。

4 基于輪軌關(guān)系的鋼軌側(cè)磨病害維護(hù)策略

在進(jìn)行側(cè)磨區(qū)域鋼軌維護(hù)作業(yè)時(shí)，通過消除金屬的方式很難消除側(cè)磨病害，并且不能簡單的將側(cè)磨鋼軌凸起部分加工掉，這樣會導(dǎo)致鋼軌強(qiáng)度不夠，如圖14所示，鋼軌側(cè)磨為4mm時(shí)，為改善輪軌關(guān)系，使車輪的大半徑區(qū)域盡可能與鋼軌接觸，采用的維護(hù)策略即為去除鋼軌外側(cè)區(qū)域部分，使下圖中的接觸點(diǎn)變?yōu)檩喿又睆捷^大的地方與鋼軌接觸，這樣可以減少蠕滑，減少輪對橫移量，抑制側(cè)磨的發(fā)展速率，延長鋼軌使用壽命。

圖14 側(cè)磨4mm輪對和鋼軌接觸關(guān)系

5 結(jié)論

在地鐵非直線段區(qū)域，在上股容易出現(xiàn)鋼軌波磨病害，隨曲線半徑變小，上股鋼軌波磨病害越嚴(yán)重，下股垂磨也越嚴(yán)重，在直線段和曲線段的鋼軌上股和下股同時(shí)存在波磨，因此，針對不同曲線半徑線路的上股或下股的鋼軌病害維護(hù)，應(yīng)基于鋼軌側(cè)磨的形成機(jī)理，針對側(cè)磨病害制定鋼軌的加工工藝，優(yōu)化設(shè)計(jì)最佳廓形方案，從輪軌關(guān)系角度提出具有針對性的治理措施，制定出合理的病害最佳維護(hù)周期，形成應(yīng)對不同病害的非對稱維護(hù)治理策略，可以減小維護(hù)成本，做到科學(xué)維護(hù)，最大限度地延長鋼軌服役壽命，保證行車安全，降低經(jīng)濟(jì)損失，是極具社會效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的。