城市轨道交通钢轨打磨技术现状与发展趋势

摘要：文章基于国内外城市轨道钢轨打磨发展历程，借鉴国铁钢轨打磨先进技术，介绍国内外城市轨道钢轨打磨方式，并以RGHC打磨车为例分析打磨车维护作业模式、打磨系统、保障系统等方面特点，从智慧与集成运维、高效与绿色作业和装备与工艺升级三方面提出城市轨道钢轨打磨技术发展趋势，为城市轨道交通钢轨打磨技术应用提供参考。

关键词：城市轨道;钢轨打磨;研究现状;发展趋势

中图分类号：U213.4文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.046

文章编号：1673-4874（2021）01-0171-04

0引言

截至2019年年底，全国城市轨道交通运营总里程突破6600km，随着众多城市相继开展城市轨道交通网的规划，这一数字还将持续上升。钢轨是轨道结构中最重要的组成部件，它直接与机车车辆车轮接触，承受上部传来的轮轨荷载，此外，钢轨还受到温度荷载、无缝线路梁轨相互作用力、列车制动力等作用，除了产生巨大的轮轨接触应力外，还会产生弯曲、扭转、剪切等应力，实际受力情况十分复杂[1]。钢轨在服役期间往往形成诸如裂纹、脱落、波磨、肥边等各类伤损，严重影响城市轨道交通的安全性和舒适性。

目前解决钢轨伤损问题的方式主要有更换钢轨与钢轨打磨两种。前者由于经济效益低、作业“窗口期”长等缺点，普遍不适用于我国城市轨道交通运维;后者则由于维护成本低、使用寿命长、噪音明显降低、改善轮轨关系和提高线路平顺性等众多优点而被普遍采用。本文针对城市轨道钢轨打磨现状，介绍钢轨打磨理论、城市轨道钢轨打磨技术和打磨装备等相关研究与应用前沿情况，辅以课题组[2]长期从事轨道运维作业经验，结合城市轨道运营需求，试图预测城市轨道钢轨打磨技术发展趋势，为今后城市轨道交通智慧运维研究提供基础。

1钢轨打磨理论图

在运营过程中，钢轨病害的出现不仅受线路状态、自然水文条件等因素影响，更重要的是与车轮-钢轨接触状态与受力情况有关：钢轨位于列车下部且与车轮踏面直接接触，列车车轮通过接触钢轨保证行驶平顺，钢轨由于与车轮之间存在接触，不可避免地受到纵向摩擦从而产生表面及塑性变形;列车行驶过程中由于侧向力的作用增添脱轨风险，车轮采用踏面锥度的方式降低其危险性，但踏面锥度会使列车在行驶过程中出现蛇形运动等情况，发生钢轨表面磨耗;在长期运营中，钢轨不断受到来自车轮的各类荷载作用，由于疲劳作用导致出现波浪形磨耗。钢轨打磨的目的就是为了及时消除上述病害并保持适当的轮轨作用关系，从而保证列车行驶顺畅。

钢轨打磨过程绝大多数通过砂轮的高速旋转来完成（如图1所示），砂轮以正压力F贴合于钢轨表面，在沿着钢轨以速度v纵向滑动的过程中伴随旋转，旋转速度为θ，砂轮可调整接触角度以便与钢轨各面形成贴合关系，其通过表面打磨砂粒将钢轨病害消除，还可对钢轨廓形进行修复。刘月明[3]、Mogel E[4]等人在其研究中解释了打磨的理论基础：在钢轨打磨的材料去除模型中，砂轮与钢轨之间的接触面积、材料去除效率、接触压力等参量是衡量钢轨打磨效率和精度的关键因素。钢轨打磨作业过程可以利用式（1）、式（2）进行表达：

（1）

（2）

式中：V——砂轮打磨钢轨效率;

c——钢轨打磨过程中钢轨材料被打磨体积与砂轮材料损失体积之比;

H_r、H_w、M、S、α——与砂轮材料有关的参数;

k_i——与钢轨打磨有关的因素参数。

观察式（1）、式（2）可知：钢轨打磨效果与众多因素相关，打磨效果不仅与砂轮压力、转动速度等密切相关，还与砂轮本身材料相关，根据机理公式可以进行针对性打磨方案的制定与改善。

2城市轨道钢轨打磨技术现状

钢轨打磨是通过砂轮的高速旋转磨削来清除钢轨轨头表面金属的过程，主要目的是消除钢轨顶面各种缺陷，减缓轮轨间不利磨耗的发展，降低轮轨接触应力，获得与车轮踏面外形匹配合理的钢轨廓形[5]。国内外针对钢轨打磨技术的研究与应用已有60余年，期間积累了丰富的钢轨打磨经验。近年来随着城市轨道交通线路日益繁忙，城市轨道钢轨打磨技术也逐步升级与应用。与国家铁路线路不同的是，城市轨道线路具有发车密度高、区间长度短、线路情况复杂、道岔与坡道多等特点[6]，为了保证安全运行，城市轨道用钢轨打磨必须切实有效且经济性较好。

2.1钢轨打磨技术类别

钢轨打磨维护作业的技术类别随着国内外运营经验的累积已非常明朗，基本延续瑞士Speno公司[7]早期研发的打磨类别，即预打磨、预防性打磨、修复性打磨。预打磨是针对钢轨铺设前已知位置的钢轨缺陷，为消除锈蚀、斑点和轨顶缺陷而进行的;预防性打磨是为了防止中初始裂纹扩展或深入而进行的，可有效延长钢轨使用寿命，一般范围在0.2mm以内;修复性打磨与预防性打磨不同，其主要针对已经出现较大伤损或廓形变化的钢轨，在多次重复性作业后才能完成，一般范围在1.0～1.5mm。学者们在此基础上，进行相关打磨模式的更新与升级：澳大利亚学者[8]应用预防性打磨方式平衡轮轨受力，调整车轮滚动半径，提高曲线地段通过能力，减少钢轨侧磨;郭战伟[9]基于蠕滑效应，创新研究出一套基于轮轨最小蠕滑效应的钢轨打磨方案，明显提高了运营线运输能力。

2.2钢轨打磨技术及配套装备

钢轨打磨技术流程可以概述为：操作人员根据打磨参数操作打磨机具，以较低速度运行在轨道线路中，通过控制系统调整打磨机具中的各项参数，例如砂轮角度的调整，从而利用砂轮转动对钢轨轨头进行打磨。打磨装备通过循环往复走行，实现整个断面打磨，利用包洛氏打磨，最终将钢轨表面病害消除，形成符合运营标准的钢轨截面。21世纪，我国轨道交通建设蓬勃发展，轨道维护作业水平逐步赶超国际先进水平，西安、北京、广州等地轨道交通公司通过引进与再创新，开始采用打磨车进行运营线维护，效果颇佳。以美国Harsco Rail公司为代表的钢轨打磨车，配合驾驶、打磨组件和安全系统等部件，通过配置软件可满足城市轨道钢轨打磨作业需要的各规定角度。同时，美国Loram打磨车装配8、16磨头，其打磨效率与打磨精度也非常理想。2014年由我国自主研发的GMC16A型打磨车交付使用，开启了我国城市轨道钢轨维护作业的新篇章。下文将以RGHC打磨车为例，从打磨车维护作业模式、打磨系统、保障系统等方面介绍城市轨道交通钢轨打磨技术与装备。

（1）维护作业模式

RGHC打磨车通过柴油系统提供推进动力，利用空气制动，针对磨头定位采用液压辅助，同时配备防火系统，作业期间驾驶员通过计算机完全控制打磨车作业，应用计算机辅助作业，可将10个以内打磨位置、99种打磨方式存入系统，提高作业效率。作业时可选模式有8头、10头两种，同时可以进行单元结构作业，单元结构作业有8、16、20、24、30、32和40磨头。其打磨车相较其他车型，在作业线路长度、作业机动性、作业经济性上明显占优。

（2）打磨系统

RGHC打磨车采用液压系统独立驱动打磨头，各打磨单元分别通过磨石、马达和滑动部件组成，其优点是结构简单、经济成本低、磨头灵敏性好和易于拆卸维护，但作业期间要特别注意防止漏油等问题的出现，以免导致火灾。通过此设备可以精确地将砂轮放置于待维护钢轨上，驾驶员通过参数设置调整打磨组件倾角，各磨头可调整工作范围为内侧75°至外侧45°。为提高打磨效率，利用链接单元保证砂轮与钢轨接触，以便保持磨石边缘中心位置与钢轨打磨位置一致。本车型虽然由于驱动方式不同，在火灾事故率、运行平稳性等方面比其他类型打磨车具有劣势，但综合考虑城市轨道线路特点，本车型与城市轨道钢轨打磨作业匹配性更好。

（3）保障系统

RGHC打磨车拥有控制系统、集尘系统、防火系统、I/O控制系统和测量系统，涉及城市轨道打磨作业、作业保障、安全作业和作业评价等方面，同时其由于采取了特殊设计，可降低噪声、防止飞溅和提高作业安全性。

3城市轨道钢轨打磨技术发展趋势

当前，由于我国城市轨道建设与运维技术飞速发展，加上国铁钢轨维护作业日渐成熟，以砂轮端面打磨、砂轮周面打磨为主的打磨技术正在从国铁领域应用于城市轨道钢轨打磨领域。与此同时，利用铳刀盘与砂轮配合打磨相关技术切削效果明显，从工艺上能够满足修复性打磨要求。随着信息化技术逐渐渗透各大产业，国家先进制造业发展和我国综合国力的增强，城市轨道钢轨打磨技术将迈向智慧集成化和绿色高效化，因此，先进装备的研发也刻不容缓。

3.1智慧与集成运维

随着城市轨道运营里程不断增加，交通拥堵使社会对城市轨道需求越来越大，钢轨打磨作业“天窗”时间也逐步减少，城市轨道钢轨打磨方式正向“预打磨+修复性打磨”方式转变，这些情况将造成打磨重复次数增加等后果，大大影响城市轨道运营的顺畅性。与此同时，伴随着城市轨道钢轨打磨质量评价体系的逐步推进与出台，钢轨打磨结果的实时监测也将花费资金与时间。为了保证检测、打磨、监测和打磨方式选取的科学性，城市轨道钢轨打磨技术将朝着智能化、集成化转变。在保证城市轨道钢轨打磨效果的基础上，将检测钢轨状态、在线比对标准廓形、自动生成打磨策略、打磨设备实时监管和钢轨寿命预测进行集成创新，应用互联网、云计算等模式进行智慧运维，将成为城市轨道钢轨打磨作业的发展趋势。

3.2高效与绿色作业

目前钢轨打磨技术已经从理论奠基向可持续发展转变，不论是轨道交通单位还是作业人员都十分渴求高效的钢轨打磨技术，如何摒弃繁琐耗时的多次打磨，如何利用管理经验培训与提高作业人员效率，如何从砂轮材料、打磨车结构和打磨管理手段等方面进行技术创新，成为钢轨病害整治领域的研究发展趋势。同时，由于我国幅员辽阔，轨道打磨技术指导作业还不具有针对性，不同线路条件、不同钢轨和不同地区的差异化，导致作业经济性不高，存在普适性作业技术居多而特色性作业技术不足的问题，不但对城市轨道钢轨打磨技术的发展产生了阻碍，还与绿色减排的口号相悖，这也是本领域应该注意的问题。

3.3装备与工艺升级

钢轨打磨依靠装备工具进行作业，随着我国金属加工与制造行业、车床自动化、人工智能等领域的发展，从工艺层面优化打磨流程、从制造领域加快装备升级、从技术层面发掘新型运维理念都有希望成为我国城市轨道钢轨打磨技术的突破口。此外，随着高速铁路关键技术的攻关克难，研发与创新针对我国国情的城市轨道运维工艺与配套装备刻不容缓，特别是针对预打磨、修复性打磨方面，以创新驱动生产和产学研共享优质资源为手段的先进装备制造，是今后城市轨道钢轨打磨技术跨越式发展的核心。

4结语

近年来，随着我国交通强国目标的制定，城市轨道运营里程不断攀升，这给城市轨道维护尤其是钢轨打磨作业带来巨大压力。本文基于国内外城市轨道钢轨打磨发展历程，借鉴国铁钢轨打磨先进技术，在简述钢轨打磨理论的基础上，介绍国内外城市轨道钢轨打磨方式，并以RGHC打磨车为例分析打磨车维护作业模式、打磨系统、保障系统等方面特点，从智慧与集成运维、高效与绿色作业和装备与工艺升级三方面提出城市轨道钢轨打磨技术发展趋势。

参考文献

[1]李成辉.轨道[M].成都：西南交通大学出版社，2010.

[2]杨洋，林洁，何壮彬.锰渣对水泥乳化沥青砂浆性能影响的研究[J].新型建筑材料，2019，46（2）：45-48.

[3]刘月明，李建勇，蔡永林，等.钢轨打磨技术现状和发展趋势[J].中国铁道科学，2014，35（4）：29-37.

[4]Magel E，Roney M，Kalousek J，et al. The Blending of  Theory and Practice in Modern Rail Grind[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures，2003，26（10）：921-929.

[5]溫士明.地铁线路小半径曲线钢轨打磨廓形研究[D].成都：西南交通大学，2018.

[6]井红跃.城市轨道交通用钢轨维护现状及解决方案研究[J].装备制造技术，2015（6）：140-142，155.

[7]贺振中.国外钢轨打磨技术的应用与思考[J].中国铁路，2000（10）：38-40.

[8]March S. Rail Grinding Strategies Adopted in Australia [J].Rail engineering international Edition，2005，34（1）：4-6.

[9]郭战伟.基于轮轨蠕滑最小化的钢轨打磨研究[J].中国铁道科学，2011，32（6）：9-15.