鋼軌預(yù)打磨技術(shù)在北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線的應(yīng)用*

李克飛 王 進(jìn) 石 熠 孫 鑫

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司， 100068， 北京； 2.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 100068， 北京∥第一作者， 高級(jí)工程師)

鋼軌預(yù)打磨是對(duì)鋪設(shè)上道新鋼軌的打磨作業(yè)，它可以去除軌面脫碳層，修復(fù)在生產(chǎn)、鋪設(shè)過(guò)程中的鋼軌碰傷、軋痕等表面缺陷，以縮短輪軌磨合期。

20世紀(jì)90年代，美國(guó)開(kāi)展了鐵路鋼軌預(yù)打磨作業(yè)[1]。我國(guó)對(duì)新建普速及高速鐵路的鋼軌預(yù)打磨作業(yè)高度重視，要求在軌道精調(diào)完成后進(jìn)行鋼軌預(yù)打磨[2-5]。北京、廣州等多個(gè)城市軌道交通線路開(kāi)通前均開(kāi)展鋼軌預(yù)打磨作業(yè)[6-7]。

為保障北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線高速運(yùn)行條件下的輪軌匹配性和行車舒適性，在開(kāi)通前對(duì)鋪設(shè)上道的新鋼軌開(kāi)展了預(yù)打磨作業(yè)。文獻(xiàn)[7]提出了城市軌道交通鋼軌預(yù)打磨的技術(shù)要求、作業(yè)要求及質(zhì)量驗(yàn)收要求。

本文對(duì)鋼軌預(yù)打磨技術(shù)在北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線一期工程中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)對(duì)預(yù)打磨作業(yè)中的鋼軌打磨深度、表面不平順、廓形、表面硬度及列車軸箱振動(dòng)加速度等指標(biāo)進(jìn)行了分析，以期提高城市軌道交通鋼軌預(yù)打磨質(zhì)量，同時(shí)加強(qiáng)鋼軌預(yù)打磨管理，為后續(xù)相似工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線一期工程位于北京南部三環(huán)以外區(qū)域，是線網(wǎng)中連接中心城與大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)的軌道交通線路。作為北京第二國(guó)際機(jī)場(chǎng)的重要配套工程，大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線被定位為快速、直達(dá)、高品質(zhì)的軌道交通專線[8]。

大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線的設(shè)計(jì)速度為160 km/h，采用市域車，軸重不大于17 t，8輛編組，4動(dòng)4拖；正線采用60 kg/m鋼軌，材質(zhì)為U75V。

為了去除軌面脫碳層，修復(fù)軌面?zhèn)麚p，保障高速運(yùn)行條件下的輪軌匹配性和行車舒適性，采用高速打磨車(見(jiàn)圖1)在線路開(kāi)通前對(duì)鋪設(shè)上道的正線新鋼軌開(kāi)展了預(yù)打磨作業(yè)。鋼軌預(yù)打磨的目標(biāo)廓形為設(shè)計(jì)廓形，并應(yīng)滿足打磨深度和廓形等技術(shù)要求[7]。

圖1 高速打磨車Fig.1 High-speed grinding vehicle

2 鋼軌預(yù)打磨效果

針對(duì)大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線工程正線鋼軌預(yù)打磨工作，選取典型區(qū)段對(duì)預(yù)打磨作業(yè)鋼軌的打磨深度、表面不平順、廓形、表面硬度及列車軸箱振動(dòng)加速度等指標(biāo)進(jìn)行分析，對(duì)鋼軌預(yù)打磨效果進(jìn)行量化評(píng)估。

2.1 鋼軌預(yù)打磨深度

沿大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線鋼軌預(yù)打磨里程每5 km隨機(jī)選定包含直線和曲線的長(zhǎng)度為200 m區(qū)段進(jìn)行鋼軌打磨深度檢驗(yàn)，左、右股鋼軌各選取6個(gè)測(cè)點(diǎn)，利用廓形儀進(jìn)行測(cè)量。圖2為鋼軌預(yù)打磨后廓形與目標(biāo)廓形對(duì)比示意圖。每班次預(yù)打磨作業(yè)前，將測(cè)量支架安裝于鋼軌底部，測(cè)量鋼軌的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；測(cè)量支架不拆除，待打磨作業(yè)結(jié)束后，對(duì)打磨后的鋼軌再次測(cè)量，前后測(cè)量數(shù)據(jù)的差值即為預(yù)打磨深度。

圖2 鋼軌預(yù)打磨后廓形與目標(biāo)廓形對(duì)比示意圖[7]Fig.2 Diagram of rail profile comparison before and after pre-grinding

表1為3個(gè)測(cè)試區(qū)段共9個(gè)測(cè)點(diǎn)鋼軌軌頂不同位置預(yù)打磨深度統(tǒng)計(jì)表。由表1可知，各測(cè)試區(qū)段軌頂不同位置預(yù)打磨深度均滿足不低于0.2 mm的驗(yàn)收要求[7]。

表1 鋼軌軌頂預(yù)打磨深度統(tǒng)計(jì)表

2.2 鋼軌表面不平順

沿大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線鋼軌預(yù)打磨里程每5 km隨機(jī)選定包含直線和曲線的長(zhǎng)度為200 m區(qū)段進(jìn)行鋼軌表面不平順檢驗(yàn)。采用鋼軌波磨測(cè)量小車對(duì)該區(qū)段鋼軌表面不平順進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，測(cè)量位置為鋼軌走行帶中心線，如圖3所示。鋼軌表面不平順測(cè)量過(guò)程中，對(duì)其測(cè)量起止位置預(yù)留標(biāo)記，保證預(yù)打磨前后測(cè)量范圍一致。

圖3 鋼軌表面不平順測(cè)量Fig.3 Measurement of rail surface irregularities

圖4為部分區(qū)段預(yù)打磨前后鋼軌表面不平順谷深平均值[7]結(jié)果。由圖4可知：預(yù)打磨可以有效降低新鋪鋼軌表面各波長(zhǎng)范圍的不平順；預(yù)打磨前存在因焊縫引起的間隔25 m的周期性鋼軌表面不平順?lè)逯担蚰ズ蠛缚p處不平順?lè)逯祷鞠?。由此可?jiàn)，鋼軌預(yù)打磨可以有效消除鋼軌焊縫處的軌面不平順。

a) 鋼軌表面不平順波長(zhǎng)為10～30 mm

b) 鋼軌表面不平順波長(zhǎng)為30～100 mm

c) 鋼軌表面不平順波長(zhǎng)為100～300 mm

d) 鋼軌表面不平順波長(zhǎng)為300～1 000 mm圖4 預(yù)打磨前后鋼軌表面不平順谷深平均值Fig.4 Average of valley depth of rail surface irregularities before and after pre-grinding

如圖5所示，對(duì)預(yù)打磨前后鋼軌表面不平順谷深平均值超限率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由圖5可知，預(yù)打磨后左、右軌各波長(zhǎng)范圍內(nèi)的表面不平順超限率均滿足低于5%的驗(yàn)收要求[7]。

a) 區(qū)段1

b) 區(qū)段2

此外，采用便攜式粗糙度儀對(duì)左、右股鋼軌進(jìn)行粗糙度測(cè)量，預(yù)打磨后采樣點(diǎn)的粗糙度平均值為6.88 μm，均滿足低于10 μm的驗(yàn)收要求[7]。

2.3 鋼軌廓形

沿大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線鋼軌預(yù)打磨里程每5 km隨機(jī)選定包含直線和曲線的長(zhǎng)度為200 m區(qū)段，采用便攜式鋼軌廓形測(cè)量?jī)x對(duì)左、右股鋼軌6個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并分別對(duì)預(yù)打磨前后的鋼軌廓形進(jìn)行測(cè)量。對(duì)同一采樣點(diǎn)處打磨前后的廓形測(cè)量數(shù)據(jù)與目標(biāo)廓形數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析，詳見(jiàn)圖2。

表2為區(qū)段1預(yù)打磨前后的鋼軌廓形偏差值。由表2可知，通過(guò)對(duì)預(yù)打磨后鋼軌廓形與目標(biāo)廓形進(jìn)行對(duì)比分析，預(yù)打磨后所有測(cè)點(diǎn)鋼軌廓形的最大偏差均滿足低于±0.3 mm的驗(yàn)收要求[7]。

表2 區(qū)段1預(yù)打磨前后鋼軌廓形偏差值

2.4 鋼軌表面硬度

沿大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線鋼軌預(yù)打磨里程每5 km隨機(jī)選定包含直線和曲線的長(zhǎng)度為200 m區(qū)段，采用便攜式里氏硬度計(jì)對(duì)左、右股鋼軌各6個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行鋼軌表面硬度測(cè)量。預(yù)打磨前后分別對(duì)鋼軌表面硬度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量位置為走行帶正中，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量3次并取其平均值作為測(cè)量值。圖6為預(yù)打磨前后所有采樣點(diǎn)的鋼軌表面硬度散點(diǎn)分布圖。由圖6可以看出：

1) 預(yù)打磨前鋼軌表面布氏硬度平均值為281 N/mm2，預(yù)打磨后鋼軌表面布氏硬度平均值為288 N/mm2，提高了2.5%。

2) 預(yù)打磨前鋼軌表面布氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)差[9]為17.1 N/mm2，預(yù)打磨后鋼軌表面布氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)差為12.9 N/mm2，降低了24.6%，這說(shuō)明鋼軌預(yù)打磨提高了鋼軌表面硬度的均勻性。

圖6 鋼軌表面硬度散點(diǎn)分布圖Fig.6 Dispersive distribution of rail surface hardness

2.5 列車軸箱振動(dòng)加速度

對(duì)部分區(qū)段預(yù)打磨前后列車通過(guò)時(shí)軸箱垂向振動(dòng)加速度時(shí)程進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7 列車軸箱垂向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線Fig.7 Time-history curve of train axle box vertical vibration acceleration

由圖7可知，預(yù)打磨前列車軸箱上存在因焊縫引起的等間隔(25 m)軸箱振動(dòng)加速度峰值；預(yù)打磨后，軸箱垂向振動(dòng)加速度峰值降低了50%，由焊縫引起的等間隔(25 m)輪軌沖擊基本消失。鋼軌預(yù)打磨可以明顯消除由鋼軌焊縫引起的輪軌沖擊，保障了行車的舒適性。

3 結(jié)論

1) 所有區(qū)段鋼軌預(yù)打磨深度、表面不平順、廓形、表面布氏硬度、粗糙度等指標(biāo)均滿足驗(yàn)收要求。

2) 相比打磨前，預(yù)打磨后鋼軌表面布氏硬度平均值提高2.5%，標(biāo)準(zhǔn)差降低24.6%，在一定程度上提高了鋼軌表面硬度的均勻性。

3) 鋼軌預(yù)打磨有效降低了不同波長(zhǎng)范圍的鋼軌表面不平順，并明顯消除由焊縫造成的輪軌振動(dòng)沖擊。

4) 針對(duì)城市軌道交通工期緊張、線型多樣、輪軌關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)，提高鋼軌預(yù)打磨作業(yè)速度、優(yōu)化預(yù)打磨廓形設(shè)計(jì)、發(fā)展預(yù)打磨信息化成為鋼軌預(yù)打磨作業(yè)的發(fā)展方向。