我国高速铁路用钢轨打磨列车选型及应用研究

曹 岩

(北京二七轨道交通装备有限责任公司，北京 100072)

1 钢轨打磨作业的需求、运用和效益

钢轨是所有铁路走行设备的载体，钢轨质量的好坏直接影响走行设备的运行品质和运行安全。钢轨长期承受轨道车辆运行产生的轮轨间交变作用力，因此极易发生受损情况，如裂纹、压溃、龟裂、剥落、磨耗等。这些病害如果不及时消除，则会急剧发展成轨头掉块、断轨等事故，危及行车安全。钢轨波浪形磨耗形成之后，必将激励起车辆、轨道系统的振动，而且这种振动是随着不平顺的加剧而加剧的。为了避免这些病害对行车安全带来影响，早期的处理方法就是更换钢轨。但是大量钢轨的提前退役将造成大量的资源和能源浪费。钢轨的使用寿命主要由磨耗和滚动接触疲劳决定。除了生产高质量钢轨，还要对其进行科学打磨。

随着我国铁路的长足进步，对线路维修提出了更高要求。不仅要求轨道在轨向、水平具有高平顺性，还要求钢轨具有高质量的表面良好廓形。随着经验的积累，理论的丰富，钢轨打磨理论逐渐形成。打磨作业的种类和用途也逐步细分，主要有以下4种:预打磨、预防性打磨、保养性打磨和校正性打磨。

通过打磨修复作业，可以带来良好的效果和巨大的效益。

(1)打磨作业消除了轨头表面的疲劳裂纹，控制裂纹的恶性发展，延长钢轨使用寿命，节约资源。

(2)打磨作业修复了轨廓，改善了轮对作用条件，降低滚动阻力，提高了车辆运行品质，保障了行车安全。

(3)打磨作业消除了轨道的不平顺，减少了轮轨间的振动，降低了运行噪声，提高了旅客的舒适度。

(4)打磨作业提高了车辆运行品质，也降低了车辆故障的发生概率，进而降低了车辆的维护成本。

2 钢轨打磨列车的工作原理和在我国的发展历程

钢轨打磨列车的工作原理主要是:打磨列车在轨道上以恒定的低速走行，操作人员通过微机系统，控制液压系统工作，驱动安装在作业车下部的打磨小车内的多组打磨电机按设定的角度偏转，使安装在打磨电机前方的打磨砂轮在钢轨上磨削。不同角度的砂轮打磨形成的磨削带包络成一个圆滑的、符合设计规范的轨头截面，从而消除轨顶纵向波浪磨耗，同时消除疲劳裂纹，修复轨头轮廓。

我国钢轨维修设备水平和打磨技术曾远远落后于西欧、日本等铁路发达国家，到1989年才引进第1列由斯比诺公司生产的URR48-4型48头干线钢轨打磨列车。20世纪90年代，引进美国HTT公司技术，生产了PGM-48型48头钢轨打磨列车;“十一五”期间分别引进SPENO公司和HTT公司技术，成功研制了代表世界先进技术的GMC96B和GMC96X型96头钢轨打磨列车，标志着我国钢轨打磨列车达到了世界领先水平。

3 高速铁路的特点及对钢轨打磨作业的要求

截至2010年，我国高速铁路里程已达8 358 km，每天开行动车组列车近1 200列。密集的发车频率，繁忙的客流，对旅客乘车的舒适度和安全性都带来了极高的要求。高速铁路的打磨任务非常繁重。按照“既有线提速200～250 km/h线桥设备维修规则(铁运［2007］44号)”的规定，高速铁路应在开通前进行预防性打磨，在开通后每年至少进行1次定期打磨，特别繁忙线路应每半年打磨1次。通过对打磨后钢轨纵向断面测绘和轨检车动态检查发现，钢轨打磨对高速铁路线路的轮轨接触关系具有较大的改善作用。

就高速铁路和一般铁路而言，打磨原理和技术没什么分别，但高速铁路的特殊性导致其对钢轨打磨列车有专门的要求。

3.1 高速铁路线路相对于普速铁路的特殊性

(1)轨道质量要求高

高速铁路上运行的旅客列车，其一般运营速度都在250 km/h以上。随着世界各国高速铁路技术的发展，350 km/h的高速电动车组也已陆续投入运用。我国高速铁路已经实现了486.1 km/h的试验速度。

车辆的高速运行对轮轨间作用条件非常敏感，因此轨道线路的微小损伤都会严重影响列车的运行品质，甚至危及行车安全。因此高速铁路线路基于可靠性、安全性要求，对轨道质量提出更高要求。

(2)病害发展快

高速铁路上车辆运行速度极高。尽管车辆轴重较轻，但是高速运行的车辆仍然对钢轨产生比普速线路大很多的轮轨作用力。在巨大的轮轨作用力下，轨道表面的任何微小损伤都会快速地发展。如果不及时处理或修复，就会快速发展成剥落、掉块、断轨等恶性事故。

(3)区间长

为了发挥高速铁路行车速度高的优点，高速铁路的区间里程比普速铁路长很多。普速铁路区间长度一般为10 km左右，而高速铁路一般都在40 km左右，甚至达到60 km。

3.2 高速铁路对钢轨打磨列车的要求

(1)运行速度高

基于高速铁路区间长的特点，要求在高速铁路运用的钢轨打磨列车必须具备较高的自身运行速度。普速铁路上运用的钢轨打磨列车一般要求自身运行最高速度为80 km/h，而高速铁路用钢轨打磨列车的自身运行最高速度要求达到100 km/h以上。较高的运行速度可以保证列车快速地进出作业区间，节省走行时间，保留更多的作业时间，充分利用作业天窗。

(2)作业速度高

仅仅通过提高打磨列车走行速度仍然不够，还需要提高作业速度。普速铁路打磨作业一般可设定作业速度为8 km/h。但高速铁路打磨作业，为提高作业能力，要求作业速度在12 km/h，甚至20 km/h。

(3)作业效率高

作业速度提高仍然不足以提高作业能力，还需要提高作业效率。普速铁路打磨作业，在进行修复性打磨时，通常需要打磨4～6遍。而高速铁路一般要求2遍就达到作业要求。

(4)可靠性高

高速铁路一般只运行高速动车组，不设置机务段，因此也不设置机车。因此一旦工程车辆出现机破等故障，将发生堵线的重大事故。因此要求各种工程车辆必须具备很高的可靠性，甚至要求设置双机组动力系统，保证在任何时刻都能凭自身动力进入和移出区间，保证线路按时开通。

4 我国高速铁路在用钢轨打磨列车选型分析

目前国内在用的钢轨打磨列车主要有URR48型48头钢轨打磨列车、PGM-48型48头钢轨打磨列车、GMC96B型96头钢轨打磨列车、GMC96X型96头钢轨打磨列车等。经过铁道部专家从成本、效率和能力等多方面原因综合考虑，并结合我国高速铁路的实际，确定了由我国自行生产的96头钢轨打磨列车作为高铁打磨车的主力机型进行打磨作业。

其主要具有以下特点。

(1)作业效率高。96头钢轨打磨列车的打磨能力为轨顶面金属磨削量不少于0.02 mm/遍。一般打磨2遍就可以满足高铁打磨精度要求，而48头打磨车则至少需要5遍;

(2)作业能力强。96头钢轨打磨列车的年作业能力在2 000 km以上，比48头打磨车的年作业能力800 km要高很多;

(3)采购成本低。96头钢轨打磨列车都已经实现国产化，其中GMC96B型钢轨打磨车国产化率已经达到70%以上。极大地降低了采购成本，并且由于国产化率的提高，相应地也降低了后续的配件采购和维护成本。

5 我国高速铁路用打磨列车采用的先进技术

我国从“十一五”期间开始大规模的大型养路机械的技术引进。96头钢轨打磨列车正是在那时进行设计制造的。但值得注意的是，国外并没有成熟先进的96头钢轨打磨列车原型车可以借鉴。GMC96B型钢轨打磨列车是在消化吸收国外公司打磨设计理念后通过与外方联合设计制造出来的。其采用了许多自主研发的在国际上领先的创新技术。

(1)整车系统集成技术。GMC96B型钢轨打磨列车的整车在瑞士SPENO公司的技术支持下由北京二七轨道装备公司按照中国铁路条件自主设计。整车外型上从顶棚、车体到转向架的设计都由北京二七轨道装备公司独立完成。我国已掌握了通过微机网络控制系统将动力牵引系统、作业恒低速控制系统、粉尘收集系统、打磨作业风源系统、动力传动系统、轨道检测系统和制动系统等有机结合的整车系统集成技术。整车国产化率达到70%以上。

(2)动力牵引技术

打磨列车无论是快速进出作业区间还是打磨作业，都要通过其自身的牵引动力车提供动力。北京二七轨道装备公司作为我国老牌的内燃机车制造厂，利用自身的机车设计优势，根据打磨列车牵引动力车的技术条件，自主设计制造了打磨列车牵引动力车。其大量应用我国内燃机车成熟技术、结构和部件进行系统集成。采用2种传动方式为列车提供动力:通过液压传动为打磨作业提供动力，通过液力传动为高速走行提供动力。此外，牵引动力车还采用了大功率双机组设计。一方面对高速铁路用打磨列车提供2套动力系统，提高可靠性;另一方面，保证打磨列车在如33‰的长大坡道上也可具备连续打磨能力。牵引动力车为打磨列车提供3 000 kW的动力，使打磨列车最高走行速度达到100 km/h，打磨作业时提供3～15 km/h范围内可调的恒低速。

(3)作业恒低速控制技术

钢轨打磨列车在进行打磨作业时，打磨砂轮将以恒定的压力、恒定的角度对钢轨进行磨削。如果打磨列车恒低速运行时速度不稳定，则打磨精度势必受到影响。GMC96B型打磨列车恒低速控制系统采用闭式回路液压控制系统。由2个A4VG180型液压泵和4个A6VM160型液压马达及阀组和管路组成。每2个马达1组，每组马达经过1个减速箱带动1个转向架。液压系统采用合流方式，使用分流集流块，将2个变量泵的油路汇集，再分流，保证前后转向架运行的同步性。根据闭式液压系统和液压泵及马达特性，在采用工控单片机进行逻辑电子控制的条件下，通过调整泵马达配流盘角度控制马达转速，进而控制车速。经实际装车试验，GMC96B型钢轨打磨列车的恒低速控制精度达到时速5 km以下时＜±0.5 km/h，时速5 km以上时小于时速的10%。

(4)微机网络控制技术

GMC96B型钢轨打磨列车采用多层级的分布式微机网络控制系统加硬线备份。主要功能:一是在列车作业时提供恒低速运行控制，根据司机在打磨作业工况的给定信号，提供驱动减速箱旋转的液压泵和马达执行系统中各控制阀所需要的电气控制信号，实现电、液和机械系统的联合工作;二是列车牵引运行控制，控制柴油机-液力传动箱-车轴齿轮箱主传动系统的启动、换向、充排油，实现列车牵引运行;三是对柴油机、液力传动箱、冷却系统、辅助传动系统和空气系统中各机组的启动、提取运行信号、传输、显示等出现异常时进行安全报警或机组保护。

为增加网络控制可靠性，GMC96B型钢轨打磨列车微机网络控制系统采用3级控制方式。一是CCLINK总线传输最优控制。司机的控制指令通过总线传递，并最终实现各部件的最优控制，进行列车正常运行和可靠作业;二是APLC自动控制。为提高列车运行的可靠性，考虑到可能出现的干扰造成CC-LINK总线传输最优控制故障时，APLC将部分功能转换为自动控制，实现打磨作业或牵引;三是AFPLC应急控制。在APLC也发生故障时，作业备用控制部件，快速切换，维持列车的正常牵引，脱离作业现场。这种网络控制的优点是控制和执行分开，各自独立工作，任何一个部分损坏不影响其余微机工作，控制迅速有效。

(5)轨廓波磨检测技术

GMC96B型钢轨打磨列车原有进口检测装置采用LVDT位移传感器为机械接触式，精度低，容易损坏，并不适合中国铁路情况。北京二七轨道装备公司联合铁道部、北方车辆研究所等共同进行了轨廓波磨检测装置的自主研发。检测传感器采用激光非接触式测量方案，波磨测量采用3点偏弦法，每根轨道采用3只1D激光位移传感器;轨廓测量采用2D激光位移传感器，每根轨道采用1只2D激光传感器。轨廓与波磨的测量采用增量式编码器分别进行空间等距离采样控制，其中波磨的采样步长为5 mm，轨廓的采样步长为250 mm。轨廓测量精度达到0.01 mm，波磨测量精度可达到0.05 mm。采用非接触式激光测量技术代替原车的接触式测量方法，简化机械结构，提高精度，排除机械误差。经实测检验，其在检测速度、检测精度、技术先进性、可靠性和可维修性上都优于进口检测装置。先进的检测装置安装在打磨列车最前端，可使打磨列车在每次打磨之前，对轨道进行精确测量，实时计算出最优打磨方式，实现边检测边打磨，提高作业效率和打磨质量。

(6)空气制动技术

GMC96B型钢轨打磨列车采用中国铁路常规间接制动系统。经中铁咨询公司论证和计算，采用了JZ7制动机+F8分配阀的混合制动系统方案。列车风管定压为5 bar(1 bar=100 kPa)，保持与铁路货车列车管定压一致。制动管路中金属管路采用不锈钢管，系统上装有空气干燥器，制动系统与中国铁路机车车辆联挂时能够缓解，全制动后缓解时间小于10 s，符合中国铁路机车车辆制动系统标准。保证打磨列车运行的安全性和可靠性。

6 待解决的问题

(1)打磨控制系统的研发

目前我国对打磨控制系统的研究还处在初级阶段。由铁道部、北京交通大学和北京铁路局组成的课题组正在进行打磨控制系统的攻关。控制系统属于软件范畴，在外方不提供源代码的情况下，必须要进行自主研发。打磨控制系统的研发成功才能真正意味着我们完全掌握了打磨列车的全部核心技术和全部的知识产权。

(2)打磨铁屑回收装置

目前GMC96B型钢轨打磨列车装有集尘装置，对打磨过程中产生的粉尘及铁屑进行回收，但对热结的大块儿铁屑还无法收集，要靠人工进行清扫。在高速铁路的打磨作业中，如果工人的责任心不强，残留在钢轨上的铁屑对行车将造成极大的安全隐患。如果在打磨列车尾部增加一个类似于轨道吸污的装置，一次性收集所有残留铁屑，将极大减少环境污染，提高高速铁路行车安全性。

7 结语

综合以上因素，结合我国高速铁路的现状，分析和实践均证明，GMC96B型钢轨打磨列车正是适用于我国高速铁路钢轨打磨作业需求的机型。2011年2月至3月，GMC96B型钢轨打磨列车利用30 d作业时间，完成了京沪高速铁路北段1 250 km的打磨作业，也恰恰证明了这一点。此外，同类型的GMC96X型打磨车也完成了京沪高速铁路南段、沪宁高速铁路及武广高速铁路的打磨工作，为我国高速铁路的安全及舒适运营作出了巨大贡献。

按照铁道部最新规划，“十二五”末全国铁路运营里程将由现在的9.1万km增加到12万km左右，其中高速铁路4.5万km左右。基于高速铁路的特点，并结合在用各型钢轨打磨列车的性能和成本，为了满足钢轨打磨作业的需求，必须大量推广使用作业效率高、作业能力大、综合成本低的钢轨打磨列车产品。96头钢轨打磨列车应该予以大量地推广使用。

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