基于轮轨关系的地铁钢轨侧磨病害分析及维护方法

陈忠良

（中国铁建高新装备股份有限公司，云南 昆明650215）

0 引言

截至2020年12月31日，中国累计有45个城市开通城轨交通运营线路7978.19千米。随着城市交通铁路运营里程及使用年限的增长，钢轨病害凸显，极易引起轮轨突发性破坏，严重地干扰铁路运输系统的正常运营，甚至发生列车脱轨事故，迫切需要针对钢轨典型病害的科学在线维护理论及维护技术。地铁线路设计受城市环境的影响，小半径曲线在地铁线路中普遍运用。

国内针对侧磨形成机理的研究主要通过现场测得的曲线钢轨侧磨数据进行分析，通过拟合得到钢轨侧磨量与运量的关系曲线，并总结曲线上股钢轨侧面磨耗的特征和发生、发展规律。但其研究的主要对象为国铁普速铁路的侧磨形成机理。

本文主要针对地铁小半径曲线线路钢轨上出现的典型侧磨病害进行数据采集和分析，围绕典型钢轨侧磨病害的形成机理，提出一种基于改善轮轨关系的地铁钢轨侧磨病害维护方法及策略，实现科学化且针对性强的钢轨典型病害在线维护理论及运用实施方案，减少轮对和钢轨蠕滑现象，抑制侧磨发展速率，提高地铁线路易发生侧磨路段钢轨服役寿命，降低线路运营成本和车辆运行安全风险。

1 地铁钢轨常见病害类型

地铁线路钢轨典型病害类型为裂纹、波磨、侧磨、垂磨、剥离掉块等，在小半径曲线上股侧磨严重，下股垂磨严重，上股和下股同时存在波磨；中等半径曲线上股侧磨较小，下股以轨顶垂磨为主，伴有轻微的波磨，且光带比较居中，分布在轨顶两侧；大半径曲线上股的侧磨较小，磨耗主要分布在轨肩位置处，下股以轨顶垂磨为主，光带更加靠近钢轨内侧；直线区段，左右股钢轨的廓形基本对称一致，钢轨以轨顶垂磨为主，但是光带更加靠近钢轨内侧，部分磨耗分布在轨肩位置处，轨侧位置处有接触痕迹。

2 基于地铁钢轨侧磨病害数据采集

针对地铁车轮廓形和钢轨廓形的数据采集均采用Minipprof设备进行，该设备是手持式便携测量设备，利用特制高精度光学编码器采集车轮或钢轨剖面外形数据，使用笔记本电脑或掌上电脑与设备连接进行测量、存储和处理数据，同时包含利用专用软件进行观测、分析、计算和打印。

2.1 车轮廓形信息采集

利用Miniprof设备对某地铁车辆的车轮廓形进行采集，采集车轮数量为528个，共计11列车（每列车6辆编组）。采集初始车轮型面，分别是LM型面和DIN5573型面，LM型面的车轮采集数量为48个，DIN5573型面的车轮采集数量为480个，这里以初始车轮型面为LM型面进行分析。

根据图1初始车轮为LM型踏面的车轮廓形、图2车轮轮缘厚度、图3车轮轮缘高度所示统计数据可知，以上48个车轮的最大轮缘厚度为33.10mm，最小轮缘厚度为31.20mm，最大轮缘高度为29.5mm，最小轮缘高度为28.5mm。初始LM型面的轮缘厚度为32mm，轮缘高度为27mm。可以看出，该地铁LM车轮在运用过程中，轮缘磨耗较轻微，以踏面磨耗为主，因此车轮在运用过程中，随着踏面的不断磨耗轮缘高度不断增加，同时部分车轮的轮缘厚度也随之增加。

图1 初始型面为LM型面的车轮廓形

图2 LM型面的车轮轮缘厚度

图3 LM型面的车轮轮缘高度

2.2 钢轨廓形信息采集

采用Miniprof廓形测量设备选取该地铁在运营线路中曲线段和直线段线路钢轨廓形进行测量，曲线线段测量曲中和圆缓点钢轨廓形，线路曲线半径分别为R350m、R400m、R600m、R800m和R2000m，直线路段任意取点进行测量，同时测量上股和下股的钢轨廓形数据，并且对钢轨表面状态进行观测。具体测量线路信息情况如表1所示：

针对表1中列举的6条曲线，利用Miniprof设备对每条曲线的曲中、圆缓点位置处钢轨廓形进行采集。本文仅用350m曲线和2000m曲线做对比分析，图例中红线为实测廓形，灰色线为60轨标准廓形。

表1 本次测量的曲线线路参数

半径为350m的曲线的曲中和圆缓点位置处钢轨廓形如图4和图5所示。

图5 R350m钢轨廓形（圆缓点）

由图4和图5可见，350m曲线曲中位置处曲线上股存在严重的侧磨，同时曲线下股伴随着较大的轨顶垂磨。

半径为2000m的曲线的曲中和圆缓点位置处钢轨廓形如图6和图7所示。

由图6和图7可见，2000m曲线曲中、圆缓位置处上股以轨顶垂磨为主。

图6 R2000m钢轨廓形（曲中点）

图7 R2000m钢轨廓形（圆缓点）

对比350m曲线和2000m曲线可知，小半径曲线更容易形成钢轨侧磨病害。

3 地铁钢轨侧磨病害形成机理

根据线路钢轨及车辆轮缘廓形信息得知，该地铁曲线上的钢轨存在一定程度的侧磨现象，尤其是小半径曲线上，侧磨比较明显。

以半径为350m曲线为例进行包括轮对横移量、轨侧纵向蠕滑率、轨侧磨耗数计算分析。根据轮轨关系的匹配关系，设计了2种工况：工况1是车轮与60kg/m新钢轨匹配；工况2是车轮与实测钢轨型面匹配。

3.1 曲线350m圆曲线上的轮对横移量

从图8和图9不难看出，实测钢轨为已有侧磨病害钢轨，轮轨之间间隙增大，导致轮对横移量增大。

图8 车轮与60kg/m新钢轨匹配

图9 车轮与实测钢轨型面匹配

3.2 曲线350m圆曲线上轨侧纵向蠕滑率

从图10和图11可知，实测钢轨的轨侧纵向蠕滑率大于新钢轨轨侧纵向蠕滑率。

图10 车轮与60kg/m新钢轨匹配

图11 车轮与实测钢轨型面匹配

3.3 曲线350m圆曲线上轨侧轨侧磨耗数

从图12和图13可知，实测钢轨的轨侧磨耗明显大于新钢轨轨侧磨耗。

图12 车轮与60kg/m新钢轨匹配

图13 轮与实测钢轨型面匹配

根据计算结果和轮轨接触关系分析可知，该地铁小半径曲线上出现钢轨侧磨的主要原因是轮轨关系不良。当车轮尤其是薄轮缘车轮通过曲线时，较大的轮对横移量导致车轮贴靠钢轨。轮轨之间出现了典型的多点接触现象，接触位置分布在轨顶和轨侧，而且轨侧位置处的轮轨蠕滑率和磨耗数较大，从而使钢轨出现了较为严重的侧磨现象。

4 基于轮轨关系的钢轨侧磨病害维护策略

在进行侧磨区域钢轨维护作业时，通过消除金属的方式很难消除侧磨病害，并且不能简单的将侧磨钢轨凸起部分加工掉，这样会导致钢轨强度不够，如图14所示，钢轨侧磨为4mm时，为改善轮轨关系，使车轮的大半径区域尽可能与钢轨接触，采用的维护策略即为去除钢轨外侧区域部分，使下图中的接触点变为轮子直径较大的地方与钢轨接触，这样可以减少蠕滑，减少轮对横移量，抑制侧磨的发展速率，延长钢轨使用寿命。

图14 侧磨4mm轮对和钢轨接触关系

5 结论

在地铁非直线段区域，在上股容易出现钢轨波磨病害，随曲线半径变小，上股钢轨波磨病害越严重，下股垂磨也越严重，在直线段和曲线段的钢轨上股和下股同时存在波磨，因此，针对不同曲线半径线路的上股或下股的钢轨病害维护，应基于钢轨侧磨的形成机理，针对侧磨病害制定钢轨的加工工艺，优化设计最佳廓形方案，从轮轨关系角度提出具有针对性的治理措施，制定出合理的病害最佳维护周期，形成应对不同病害的非对称维护治理策略，可以减小维护成本，做到科学维护，最大限度地延长钢轨服役寿命，保证行车安全，降低经济损失，是极具社会效益和经济价值的。