钢轨廓形打磨技术在神朔线小半径曲线的应用研究

2018-07-04张继恩

山西建筑 2018年15期

张继恩

(中国神华神朔铁路分公司，内蒙古鄂尔多斯 017000)

神朔铁路西起陕西省神木市大柳塔镇，北与包神铁路相连，南与神延铁路相接，东至山西省朔州市，与北同蒲线接轨，在神池南与朔黄线相连，途经陕西、山西两省八县市，与包神铁路、朔黄铁路共同组成我国西煤东运的第二条大通道，为国家Ⅰ级干线双线电气化重载铁路，主要担负神府东胜矿区的煤炭外运任务，是神华集团矿、路、电、港、航系统工程的重要组成部分。上行线为75 kg/m无缝线路，下行线为60 kg/m无缝线路正线总长近470余千米，铁路全线地形复杂，桥隧相连，桥、隧、涵占线路总长的30%，最大坡道12‰(其中仅河东运输段管内270 km的线路中，小半径曲线(R<500 m)的里程约占河东段管辖长度的15%)，2018年运量大约在2.8亿t。近年来，随着KM98货车投入运营和万吨列车开行，使得神朔铁路的轴重和年运量逐年攀升，小半径曲线的上股钢轨出现了严重的侧磨和斜裂纹掉块病害，下股钢轨压溃严重，轨面存在剥离掉块病害(严重地段的掉块深度已有0.8 mm左右)。曲线钢轨侧磨和疲劳伤损较大程度上影响到了钢轨使用寿命，同时随着剥离掉块的不断发展，也会影响到钢轨探伤作业，对行车安全产生威胁。

钢轨打磨技术经过几十年的发展，已经从单一消除轨面伤损的传统打磨方式，逐渐发展到以控制伤损发展和轮轨接触位置为目标的钢轨廓形打磨。钢轨廓形打磨就是现场实地调查钢轨磨耗情况，通过计算对GMC-96打磨车的磨石设置合理打磨角度，修复轨头形面从而控制钢轨伤损的发展，以达到延长钢轨使用寿命的目的。国内外的大量研究和实践已经证明[1-4]，钢轨廓形打磨是治理由滚动接触疲劳所引起的斜裂纹、剥离掉块和钢轨波形磨耗，以及减缓磨耗速率的有效手段之一。

钢轨廓形打磨是指通过打磨将钢轨形面修正至设计廓形的打磨方法，最终是为了实现良好的轮轨接触关系，以控制钢轨伤损的形成和发展。为减轻和控制小半径曲线钢轨疲劳伤损和侧磨的发展，延长钢轨使用寿命，在神朔铁路小半径曲线上开展了钢轨廓形打磨。在河东运输段管内选择2条500 m半径曲线进行钢轨廓形打磨，通过观测打磨前后的试验结果，验证廓形打磨效果。

1 曲线钢轨伤损现状及分析

神朔铁路上行为重载线，铺设75 kg/m钢轨，500 m半径曲线钢轨上道6个月后，上股已经出现了1 mm左右的侧磨，并且轨距角位置存在斜裂纹掉块病害。下股钢轨上道2年后，轨顶存在严重的剥离掉块病害(掉块深度已有0.8 mm以上)，并且是连续、面积较大的掉块，形成了两条疲劳伤损带，同时伴随着马鞍形磨耗，钢轨外侧由于塑性流动形成了严重的肥边病害。

以上几种轨面的伤损一般都是由轮轨接触疲劳引起的，尤其在重载运输条件下，由于所需的牵引力较大，所产生的纵向蠕滑力很大，在曲线上还存在横向蠕滑力的作用。在这种不断重复的作用力情况下，引起钢轨内部周期性应力，当产生超限应力时，还会引起钢轨的塑性变形，同时伴随着加工硬化的现象，加工硬化到一定程度就会出现塑性耗竭，从而钢轨材料产生了斜裂纹[5]。这时斜裂纹仍受到轮轨作用力而继续扩展，最终导致轨面产生剥离掉块。影响钢轨表面接触疲劳伤损的因素主要有接触应力，蠕滑力和钢轨剪切强度等。车轮在通过曲线时，在轮轨接触斑内钢轨与车轮之间会发生微小的相对滑动，从而在轮轨间产生蠕滑力。蠕滑力是导致钢轨磨损，进而产生塑性变形和滚动接触疲劳伤损的主要原因[6]。轮轨接触点的滚动半径差是影响轮轨蠕滑的重要参数，可通过钢轨廓形打磨，改善轮轨关系，减小蠕滑力，达到延长钢轨使用寿命的目的。

根据弹性赫兹接触理论，轮轨接触应力主要与轴重、钢轨形面和车轮形面等因素有关。因此可以通过钢轨廓形打磨对钢轨形面进行修复，增大轮轨接触斑面积，从而实现减小轮轨接触应力的目的。

2 轮轨接触状态分析

通过现场的调研，采集了轨面疲劳伤损严重的曲线下股钢轨廓形，如图1所示，为上行K183+550位置处曲线下股钢轨廓形与75 kg/m标准轨廓形对比情况。

从图1中可以看出，磨耗过的下股轨顶廓形扁平，已经出现了中间凹形的情况，此时轮轨接触位置就很大程度上取决于车轮踏面形状、轨距以及运行速度等，接触部位可能会从钢轨内侧圆角一直到外侧边缘。

对于磨耗较大的车轮廓形，在与磨耗的钢轨进行接触时，如图2所示。可以看到，轮轨接触点主要在钢轨外侧，就会容易导致塑性变形，产生肥边，同时车轮也会产生假轮缘，导致钢轨倾翻。在磨耗的钢轨与新车轮或磨耗较小的车轮接触时，如图3所示。轮轨接触点主要在钢轨内侧，使得上下股轮径差减小，上股钢轨与轮缘进一步贴靠，增加了横向力，也减小了车辆的曲线通过性能。同时下股轨距角位置会产生肥边，减小了轮轨间的游间，使接触点更进一步向轨距角移动。

从现场采集的轨面状态也可以看出，如图4所示，接触光带宽度已经达到了55 mm左右，几乎覆盖住了整个轨面，说明此时的钢轨廓形与磨耗车轮、新车轮或磨耗较小车轮接触时，接触点的分布范围较广。并且下股钢轨内侧出现了剥离掉块病害，外侧有严重的塑性变形，已发展成肥边病害。钢轨内侧圆角位置也发生了塑性变形，并且产生了斜裂纹掉块病害。

由于车轮在与轨顶较平的钢轨进行匹配时，轮轨接触斑面积较小[7]，从而会引起较大的接触应力，同时也会降低曲线地段上下股钢轨上车轮间所需的滚动圆半径差，进而产生较大的蠕滑力，导致轨面疲劳伤损的产生。根据以上这些情况的分析，可以判断500 m半径曲线的下股钢轨廓形相对标准轨廓形发生了较大的变化，导致了轮轨接触不良的情况，接触斑面积太小，轮轨接触应力较大。因此后期在处理钢轨病害的同时，就需要对钢轨廓形进行修复，以改善轮轨接触关系不良的情况。

3 打磨目标廓形的设计

根据以上对轮轨接触状态的分析，对铺设在小半径曲线的钢轨进行廓形打磨应考虑到以下因素：1)提供合理的轮径差，改善曲线通过性能；2)降低轮轨接触应力，减缓滚动接触疲劳的产生；3)减缓曲线上股磨耗；4)延长钢轨的使用寿命，减少线路养护维修工作量，节约养护成本费用。因此基于以下原则设计适用于小半径曲线下股的钢轨打磨目标廓形：

1)通过改变轮轨接触点，合理提高轮径差，改善轮轨蠕滑自导向能力。

2)改善轮轨接触几何关系，增加接触斑面积，减小接触应力。

在进行打磨目标廓形设计时，需要考虑的主要因素有神朔线线路参数、通过车辆类型、车辆运行速度、车轮的磨耗廓形和钢轨廓形。根据以上基本信息，建立车辆—轨道耦合系统模型，在模型中可以进行轮轨作用的动静态计算。静态计算主要考虑到轮轨接触几何关系和接触应力关系。轮轨形面的几何匹配关系是轮轨接触时最直接的反应，可采用多指标化的设计，包括等效锥度、接触角、接触点分布、接触应力大小和滚动接触疲劳分析等。

等效锥度是反映轮轨对中能力、曲线通过能力和蛇形失稳的重要参数[8]。通过对等效锥度进行优化，可以提高蛇形失稳临界速度和曲线通过能力。此外轮轨接触点附近法向间隙的大小也是轮轨接触性能的重要指标。小的轮轨法向间隙可以提高轮轨接触“共形度”，有效降低轮轨接触应力水平，有利于减小轮轨磨耗，提高滚动接触疲劳寿命。

动力学性能主要取决于车辆状态、悬挂参数、运行速度、曲线半径等线路参数。以动力学响应指标再次评价打磨目标廓形的优劣，如轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数和减载率等，使打磨目标廓形能够表现出良好的动力学性能，明显降低轮轨间横向力和垂向力等。

结合打磨前采集的神朔线通过车辆车轮数据和钢轨廓形数据，设计出的神朔铁路400 m及以下的小半径曲线钢轨打磨目标廓形如图5所示。对于曲线下股钢轨，其打磨区域主要分布在钢轨中心的两侧。一方面去除钢轨内侧的剥离掉块病害和外侧的塑性流动层，另一方面修复钢轨廓形至设计廓形，以解决轨头形面扁平的情况，减小光带宽度。最后在保证廓形到位的情况下处理轨顶的斜裂纹掉块病害。

在神朔线钢轨廓形打磨时，为保证廓形打磨质量，采用钢轨打磨质量指数GQI(Grinding Quality Index)对打磨车和打磨方案的作业质量进行验收，同时也可用来判断钢轨是否需要打磨。GQI描述的是实测廓形与打磨目标廓形之间的匹配程度，通过分析同一截面区域内两者之间对应点的偏差值，统计偏差值小于某一限值的点数目占此截面区域内所有点数目的百分比。百分比越高，实测廓形与打磨目标廓形匹配度越高。基于上述计算方法，研发了利用钢轨打磨质量指数对打磨廓形进行评估和验收的软件，其界面如图6所示。

通过此次廓形打磨，神朔线重点打磨地段的钢轨GQI指标均得到了大幅提高。打磨后的曲线上下股钢轨GQI评分平均为81.8分，较打磨前GQI评分平均45分提高1.8倍。打磨后钢轨廓形接近设计廓形，较好的修复了钢轨廓形，钢轨打磨作业质量较好。

4 钢轨廓形打磨效果

在2017年6月份，对两条小半径试验曲线钢轨进行了廓形打磨，打磨后钢轨廓形满足设计廓形要求，并且消除了轨面剥离掉块病害，消除了钢轨波磨，小半径曲线钢轨由原来的6个月更换一次延长到12个月，延长了使用寿命。在打磨后6个月时，分别对试验曲线进行了观测，具体的打磨效果如下：

1)解决了轨面存在的疲劳伤损问题。K183曲线在打磨后6个月，轨头表面仍未出现明显的剥离掉块病害，并且钢轨廓形变化较小，未出现钢轨材料的塑性流动。光带宽度得到收窄，约为35 mm，且光带居中，位置合理。说明将钢轨廓形打磨到设计廓形的情况下，可以明显减轻轮轨接触应力和蠕滑力，从而减缓和控制了钢轨疲劳伤损的发展。

2)降低了钢轨磨耗速率。通过计算对比打磨前后的磨耗速率可以得到，试验曲线在打磨后6个月左右(通过总重约126 Mt)，上股侧磨率相比打磨前降低了47%；上股垂磨率相比打磨前最大降低了49%，平均降低44%；下股垂磨率相比打磨前最大降低了53%，平均降低44%。说明设计得到的打磨目标廓形，可以有效改善轮轨蠕滑自导向能力，防止了两点接触情况的发生，对减轻钢轨侧磨作用明显。同时轮轨接触几何关系的改善，也减小了轮轨接触应力，从而降低了钢轨磨耗速率。

3)廓形打磨后，解决了小半径曲线波形磨耗、鱼鳞裂纹、掉块钢轨无法探伤和判伤的难题，提高了钢轨的探伤及判伤精准度。降低了钢轨的伤损率，全线钢轨伤损由2016年的多少处，降低到2017年的多少处，伤损减少了50%。

4)廓形设计打磨后，轮轨关系得到明显的改善，机车运行平稳明显减少对线路的破坏，线路道床板结明显减缓，小半径曲线养护工作量减少，延长了线路养护、清筛的周期。

5)廓形打磨后，钢轨廓形打磨质量指数GQI相比打磨前提高了1.8倍，较好的修复了钢轨廓形。