城市軌道交通曲線鋼軌病害及打磨對策研究

摘 要：隨著國內(nèi)軌道交通的高速發(fā)展和居民出行方式的變化，大客流運輸和高密度行車已成為軌道交通的常態(tài)，高質(zhì)量、高標準的乘車體驗也越來越受到大家的關注。本文主要探討了曲線鋼軌產(chǎn)生的病害類型、萌生機理、影響因素和對乘車體驗的影響，并進一步探討了鋼軌病害的主要處理手段即鋼軌打（銑）磨，通過從打磨的作用、產(chǎn)生的效益、機具的種類、效果的對比和策略的選擇等方面進行了打磨措施的研究分析。

關鍵詞：曲線 鋼軌病害 剝離掉塊 波磨 魚鱗紋 打磨 銑磨

城市軌道交通因受周邊地理環(huán)境的制約和線路走向的需要，通常采用很多曲線設計，而曲線因為軌道、車輛的特殊結(jié)構(gòu)和輪軌相互作用的影響，常常會出現(xiàn)很多鋼軌病害，曲線地段的鋼軌病害主要分為兩類：一類為曲線外軌的側(cè)磨和魚鱗紋、疲勞掉塊等；另一類為曲線內(nèi)軌的波磨、壓潰掉塊等。（見圖1）這些鋼軌病害的頻繁復發(fā)，不僅降低了鋼軌的使用壽命，增加了輪軌維修成本，而且進一步促使輪軌振動引起其它部件傷損，甚至引起鋼軌斷裂，影響行車安全。另外，鋼軌病害也會產(chǎn)生異常振動、噪音，降低車內(nèi)乘車舒適度。

1 鋼軌病害的研究分析

1.1 鋼軌病害主要原因

鋼軌是軌道交通電客車的直接載體，主要起承載、導向、傳力的作用。在電客車動態(tài)荷載的反復沖擊作用下，軌面產(chǎn)生滾動接觸疲勞塑性流動，隨著高頻次、高密度的輪軌接觸，裂紋在接觸疲勞層加劇擴展，外加曲線粘滑振動、加減速、雜散電流腐蝕等因素的共同作用下，導致鋼軌踏面陸續(xù)出現(xiàn)疲勞斜裂紋、波浪形磨耗、壓潰裂損、剝離掉塊、肥邊等諸多損傷病害，并不斷劣化、破壞鋼軌斷面形狀及表面質(zhì)量，惡化鋼軌與車輪接觸關系，加劇病害程度和范圍。

1.2 鋼軌病害主要類型

1.2.1 魚鱗紋伴隨剝離掉塊

鋼軌魚鱗紋傷損是指在車輪滾動與蠕滑交變應力作用下，軌面內(nèi)部產(chǎn)生的最大剪切應力大于鋼軌材料的屈服強度極限，致使表層塑性變形并逐漸擴展，隨著不斷地高頻次輪軌切向力和法向力的交變作用，塑性流動發(fā)展為不可逆，當其達到鋼材的變形極限，作用邊便出現(xiàn)細微的斜裂紋，并向下擴展、相互貫通出現(xiàn)零星掉塊，若不及時修整，進一步發(fā)展為鋼軌踏面、軌距角的大面積剝離掉塊。

1.2.2 波磨伴隨剝離掉塊

鋼軌波磨的萌生、發(fā)展較為復雜，目前還未形成統(tǒng)一定論，主要原因大致為輪軌間的蠕滑和法向力的波動引起了粘滑振動的產(chǎn)生，粘滑振動進一步引起鋼軌踏面塑性變形，最終產(chǎn)生波磨。由于內(nèi)股鋼軌的荷載較小，更易引起粘滑振動，所以波磨更多地出現(xiàn)在內(nèi)軌。部分特定波長的波磨是由軌道、車輛系統(tǒng)的共振等動力特性引起，市面上一些鋼軌調(diào)頻阻尼產(chǎn)品便是基于此機理避開或改變軌道結(jié)構(gòu)相關主頻來減緩波磨的產(chǎn)生、發(fā)展。

1.3 鋼軌病害影響因素

影響鋼軌病害發(fā)展的因素較多，下面主要從線路的設計構(gòu)造和后期的養(yǎng)護維修進行分析。影響鋼軌魚鱗紋傷損的發(fā)展主要與鋼軌材質(zhì)、曲線半徑、軌面介質(zhì)、線路整修有關，影響鋼軌波磨的發(fā)展主要與曲線半徑、軌道剛度及阻尼、軌道幾何參數(shù)有關。

（1）鋼軌材質(zhì)。鋼軌的金相組織穩(wěn)定性越差，疲勞強度便越低，其傷損的萌生、發(fā)展概率也更快，如U71Mn差于U75V鋼軌。（2）曲線半徑。曲線半徑越小，內(nèi)外滾動半徑差越大，輪軌的側(cè)向剪切力、蠕滑效應隨之更大，鋼軌磨耗、疲勞加劇。通過分析蘭州1號線的鋼軌病害，其中R≤450m小半徑曲線占全部剝離掉塊67.8%；占全部波磨44.7%，占全部魚鱗傷34.7%。（3）軌道剛度。減小垂向軌道剛度，加大軌道彈性，有利于減小對鋼軌的沖擊，減緩病害的發(fā)展。（4）軌道幾何形位。設計、施工或養(yǎng)護導致的過（欠）超高、軌距、軌底坡的不同偏差也對鋼軌病害產(chǎn)生不同差異的影響。（5）軌面介質(zhì)。主要是露天地段雨水或鋼軌涂油器油脂滲入初期的魚鱗紋，在列車的擠壓下產(chǎn)生油楔效應，加劇微裂紋的快速擴展。（6）減振道床。隨著軌道交通周邊環(huán)境對減振效果的高需求，較多的減振結(jié)構(gòu)因能量守恒原理出現(xiàn)了更多的內(nèi)部損傷，通過分析蘭州1號線鋼軌踏面病害，減振道床段病害占全部鋼軌剝離掉塊73.7%，占全部鋼軌踏面波磨82.3%，占全部鋼軌魚鱗傷87.5%。（7）線路整修。主要從曲線的圓順度整治和初期疲勞損傷的預防性打磨，使輪軌保持良好的接觸關系，減小輪軌接觸應力。

另外，鋼軌病害還與軌道存在反向曲線、夾直線過短、豎緩重疊、大坡道等線路設計要素有關，這些因素導致輪軌受力更加復雜，促使鋼軌病害加劇發(fā)展。

1.4 鋼軌病害處理方式

為了消除鋼軌病害，滿足地鐵安全、舒適的要求，除了優(yōu)化線路幾何尺寸來改善輪軌關系、減緩病害發(fā)展外，行業(yè)內(nèi)消除病害的主要做法有鋼軌打（銑）磨、更換鋼軌兩種方式。

1.4.1 鋼軌打（銑）磨

可去除鋼軌病害，恢復鋼軌廓形，改善輪軌接觸狀態(tài)，延長鋼軌服役壽命，由于其作業(yè)高效性、明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，受到行業(yè)內(nèi)各大地鐵的廣泛應用，也被確定為鋼軌病害的優(yōu)先處理措施。

1.4.2 更換鋼軌

因其流程復雜、風險較大，而且成段鋼軌的提前下線，不僅大大增加了軌道運營成本，也造成了不必要的資源浪費。因此只有在鋼軌多次養(yǎng)修達到容限標準或鋼軌缺陷發(fā)展到無法通過打磨修正時才更換。

2 鋼軌打（銑）磨對策研究分析

2.1 鋼軌打（銑）磨作用

鋼軌打（銑）磨總體來說是為了修正鋼軌斷面形狀，改善鋼軌表面的質(zhì)量、廓形，減少或消除軌面的疲勞裂紋、塑性變形和剝離掉塊等缺陷，改善輪軌接觸關系，減少輪軌接觸應力，滿足輪軌接觸特性，提高鋼軌的表面平順度和對列車高速平穩(wěn)運行的導向能力，降低車輛及軌道部件的惡化率，減小鋼軌、車輪的損傷風險，降低對鋼軌探傷等的影響。

2.2 打（銑）磨社會經(jīng)濟效益

鋼軌打（銑）磨，雖然成本較貴，但其產(chǎn)生的社會經(jīng)濟效益也很明顯：顯著降低運營養(yǎng)修成本，延長鋼軌至少一倍使用壽命；降低鋼軌、扣件及車輪的損傷、失效風險，減少運營行車隱患；降低車內(nèi)噪音，提高乘車體驗，降低傳遞至地表附屬建筑物的振動，減少沿線居民投訴。

2.3 軌道交通行業(yè)內(nèi)現(xiàn)狀

2.3.1 打（銑）磨設備類型

目前行業(yè)內(nèi)主流打（銑）磨機具為小型的鋼軌打磨機和大型的鋼軌打磨車、鋼軌銑磨車三類。

2.3.2 行業(yè)內(nèi)設備情況

考慮鋼軌病害的危害性和打磨的高效性、高效益，目前軌道交通行業(yè)內(nèi)基本都購置了鋼軌打磨車，更有部分一線地鐵購置更昂貴的鋼軌銑磨車來全面、徹底地修正鋼軌問題；部分地鐵嘗試更靈活、更具性價比的方式即租賃鋼軌打（銑）磨服務，部分網(wǎng)絡化運營地鐵在已有打磨車的基礎上，為了精細化、精益化、精準化的養(yǎng)修，也在探索租賃方式，用鋼軌銑磨服務來處理中度及以上鋼軌病害、用快速打磨服務進行全線范圍的預打磨。鋼軌打磨機，因為單個打磨單元，手持操作，打磨效率低、修復精度差，可處理的病害深度有限，加之近距離產(chǎn)生的顆粒物對人體肺部影響大，基本只用來修復打磨車無法打磨的病害。

2.3.3 主流打（銑）磨設備對比

主流打（銑）磨設備對比及主要參數(shù)見表2。

2.3.4 行業(yè)內(nèi)打（銑）磨經(jīng)驗

根據(jù)地鐵病害處理效果、經(jīng)驗，考慮設備的處理能力和經(jīng)濟效益，不同程度的病害，往往采用不同的打（銑）磨設備更具性價比，以下為可借鑒的處理方式。（表３）

2.4 行業(yè)內(nèi)打磨策略

2.4.1 預打磨

主要用于在建新線鋼軌的處理，通常在開通前進行預打磨，消除踏面在軋制過程中產(chǎn)生的脫碳層、缺陷及施工原因造成的砸傷、劃傷、銹蝕等造成的初始不平順，以提升軌道的縱向平順性。隨著國內(nèi)日益增長的高標準乘車需求，越來越多地鐵重視鋼軌預打磨，一般通過租賃快速打磨服務對全線預打磨。

2.4.2 預防性打磨

主要用于鋼軌病害擴展深度不超過0.3 mm時進行周期性打磨，減緩滾動接觸疲勞裂紋的發(fā)展，預防進一步產(chǎn)生剝離、掉塊、壓潰、肥邊等病害。這是根據(jù)鋼軌表面疲勞損傷的產(chǎn)生機理和發(fā)展規(guī)律，也是防止鋼軌加劇磨耗、裂損、惡化的最佳時機。

預防性打磨可降低鋼軌病害惡化的概率，因其去除量小，相比修復性打磨可更好地延長鋼軌壽命，延長軌道的中大修時間，拉大線路的換軌周期，具有更好的經(jīng)濟性，已被各大地鐵重視，最大化利用自有打磨車開展預防性打磨。如某地鐵對R≤800m曲線預防性打磨1遍次/年，對R＞800m曲線預防性打磨1遍次/3年。

2.4.3 修復性打（銑）磨

主要用于消除軌道交通運營中一些曲線上產(chǎn)生的嚴重波磨、剝離掉塊、疲勞魚鱗傷、壓潰、肥邊和局部點蝕等損傷，由于病害深、范圍廣、破壞大，需采用打（銑）磨深度更大的措施去修復斷面、廓形。

此種措施因磨削或銑削量大，在多次修復性處理后達到鋼軌垂磨限值（11mm）后便要換軌，其經(jīng)濟性相對較差，會縮短鋼軌服役期，但在實際養(yǎng)護中，由于鋼軌病害較多，動車次數(shù)有限，不得不采取修復性打磨策略。

2.4.4 輪軌噪聲打磨

在高頻次輪軌激擾作用下，部分曲線輪軌接觸條件劣化導致噪聲異常，行業(yè)內(nèi)通常也采取鋼軌打磨來改善輪軌關系，從而降低異常噪聲，提升服務質(zhì)量。

3 結(jié)語

城市軌道交通線路，因小半徑曲線多、行車密度大、啟停及加減速頻次高、減振形式多樣、平縱斷面復雜等原因，導致鋼軌病害點多、面廣、頻發(fā)，主要類型為外軌的疲勞魚鱗紋伴隨掉塊、內(nèi)軌的波磨伴隨掉塊。軌道幾何尺寸的精細化養(yǎng)修只能起到有限的減緩作用，更多的處理方式為鋼軌的預防性打磨和修理性打磨。考慮最佳的經(jīng)濟、社會效益，局部的點狀病害可由小型機具靈活打磨；針對一定范圍鋼軌魚鱗紋、掉塊或波磨深度不超過0.3mm的鋼軌病害，采取靈活性的預防性打磨措施，防止病害進一步惡化、發(fā)展，也是打磨經(jīng)濟性最好的時機；針對大范圍出現(xiàn)中度病害或剝離掉塊時，采取鋼軌銑磨則是一種效果較好、成本較低、效率較高的可選方式。因此，實際整治中應采用多樣化的打（銑）磨策略，以全方位應對運營中出現(xiàn)的鋼軌病害，進而延長鋼軌及車輪使用壽命，改善輪軌關系，消除行車隱患，提高乘車舒適度和服務質(zhì)量。

參考文獻：

［1］李克飛，劉維寧，張厚貴.地鐵鋼軌波浪形磨耗的研究分析[J].都市快軌交通，2010（4）.

［2］金學松，杜星，郭俊，等.鋼軌打磨技術研究進展[J].西南交通大學學報，2010（2）.