城市轨道交通曲线钢轨病害及打磨对策研究

摘 要：随着国内轨道交通的高速发展和居民出行方式的变化，大客流运输和高密度行车已成为轨道交通的常态，高质量、高标准的乘车体验也越来越受到大家的关注。本文主要探讨了曲线钢轨产生的病害类型、萌生机理、影响因素和对乘车体验的影响，并进一步探讨了钢轨病害的主要处理手段即钢轨打（铣）磨，通过从打磨的作用、产生的效益、机具的种类、效果的对比和策略的选择等方面进行了打磨措施的研究分析。

关键词：曲线 钢轨病害 剥离掉块 波磨 鱼鳞纹 打磨 铣磨

城市轨道交通因受周边地理环境的制约和线路走向的需要，通常采用很多曲线设计，而曲线因为轨道、车辆的特殊结构和轮轨相互作用的影响，常常会出现很多钢轨病害，曲线地段的钢轨病害主要分为两类：一类为曲线外轨的侧磨和鱼鳞纹、疲劳掉块等；另一类为曲线内轨的波磨、压溃掉块等。（见图1）这些钢轨病害的频繁复发，不仅降低了钢轨的使用寿命，增加了轮轨维修成本，而且进一步促使轮轨振动引起其它部件伤损，甚至引起钢轨断裂，影响行车安全。另外，钢轨病害也会产生异常振动、噪音，降低车内乘车舒适度。

1 钢轨病害的研究分析

1.1 钢轨病害主要原因

钢轨是轨道交通电客车的直接载体，主要起承载、导向、传力的作用。在电客车动态荷载的反复冲击作用下，轨面产生滚动接触疲劳塑性流动，随着高频次、高密度的轮轨接触，裂纹在接触疲劳层加剧扩展，外加曲线粘滑振动、加减速、杂散电流腐蚀等因素的共同作用下，导致钢轨踏面陆续出现疲劳斜裂纹、波浪形磨耗、压溃裂损、剥离掉块、肥边等诸多损伤病害，并不断劣化、破坏钢轨断面形状及表面质量，恶化钢轨与车轮接触关系，加剧病害程度和范围。

1.2 钢轨病害主要类型

1.2.1 鱼鳞纹伴随剥离掉块

钢轨鱼鳞纹伤损是指在车轮滚动与蠕滑交变应力作用下，轨面内部产生的最大剪切应力大于钢轨材料的屈服强度极限，致使表层塑性变形并逐渐扩展，随着不断地高频次轮轨切向力和法向力的交变作用，塑性流动发展为不可逆，当其达到钢材的变形极限，作用边便出现细微的斜裂纹，并向下扩展、相互贯通出现零星掉块，若不及时修整，进一步发展为钢轨踏面、轨距角的大面积剥离掉块。

1.2.2 波磨伴随剥离掉块

钢轨波磨的萌生、发展较为复杂，目前还未形成统一定论，主要原因大致为轮轨间的蠕滑和法向力的波动引起了粘滑振动的产生，粘滑振动进一步引起钢轨踏面塑性变形，最终产生波磨。由于内股钢轨的荷载较小，更易引起粘滑振动，所以波磨更多地出现在内轨。部分特定波长的波磨是由轨道、车辆系统的共振等动力特性引起，市面上一些钢轨调频阻尼产品便是基于此机理避开或改变轨道结构相关主频来减缓波磨的产生、发展。

1.3 钢轨病害影响因素

影响钢轨病害发展的因素较多，下面主要从线路的设计构造和后期的养护维修进行分析。影响钢轨鱼鳞纹伤损的发展主要与钢轨材质、曲线半径、轨面介质、线路整修有关，影响钢轨波磨的发展主要与曲线半径、轨道刚度及阻尼、轨道几何参数有关。

（1）钢轨材质。钢轨的金相组织稳定性越差，疲劳强度便越低，其伤损的萌生、发展概率也更快，如U71Mn差于U75V钢轨。（2）曲线半径。曲线半径越小，内外滚动半径差越大，轮轨的侧向剪切力、蠕滑效应随之更大，钢轨磨耗、疲劳加剧。通过分析兰州1号线的钢轨病害，其中R≤450m小半径曲线占全部剥离掉块67.8%；占全部波磨44.7%，占全部鱼鳞伤34.7%。（3）轨道刚度。减小垂向轨道刚度，加大轨道弹性，有利于减小对钢轨的冲击，减缓病害的发展。（4）轨道几何形位。设计、施工或养护导致的过（欠）超高、轨距、轨底坡的不同偏差也对钢轨病害产生不同差异的影响。（5）轨面介质。主要是露天地段雨水或钢轨涂油器油脂渗入初期的鱼鳞纹，在列车的挤压下产生油楔效应，加剧微裂纹的快速扩展。（6）减振道床。随着轨道交通周边环境对减振效果的高需求，较多的减振结构因能量守恒原理出现了更多的内部损伤，通过分析兰州1号线钢轨踏面病害，减振道床段病害占全部钢轨剥离掉块73.7%，占全部钢轨踏面波磨82.3%，占全部钢轨鱼鳞伤87.5%。（7）线路整修。主要从曲线的圆顺度整治和初期疲劳损伤的预防性打磨，使轮轨保持良好的接触关系，减小轮轨接触应力。

另外，钢轨病害还与轨道存在反向曲线、夹直线过短、竖缓重叠、大坡道等线路设计要素有关，这些因素导致轮轨受力更加复杂，促使钢轨病害加剧发展。

1.4 钢轨病害处理方式

为了消除钢轨病害，满足地铁安全、舒适的要求，除了优化线路几何尺寸来改善轮轨关系、减缓病害发展外，行业内消除病害的主要做法有钢轨打（铣）磨、更换钢轨两种方式。

1.4.1 钢轨打（铣）磨

可去除钢轨病害，恢复钢轨廓形，改善轮轨接触状态，延长钢轨服役寿命，由于其作业高效性、明显的经济效益和社会效益，受到行业内各大地铁的广泛应用，也被确定为钢轨病害的优先处理措施。

1.4.2 更换钢轨

因其流程复杂、风险较大，而且成段钢轨的提前下线，不仅大大增加了轨道运营成本，也造成了不必要的资源浪费。因此只有在钢轨多次养修达到容限标准或钢轨缺陷发展到无法通过打磨修正时才更换。

2 钢轨打（铣）磨对策研究分析

2.1 钢轨打（铣）磨作用

钢轨打（铣）磨总体来说是为了修正钢轨断面形状，改善钢轨表面的质量、廓形，减少或消除轨面的疲劳裂纹、塑性变形和剥离掉块等缺陷，改善轮轨接触关系，减少轮轨接触应力，满足轮轨接触特性，提高钢轨的表面平顺度和对列车高速平稳运行的导向能力，降低车辆及轨道部件的恶化率，减小钢轨、车轮的损伤风险，降低对钢轨探伤等的影响。

2.2 打（铣）磨社会经济效益

钢轨打（铣）磨，虽然成本较贵，但其产生的社会经济效益也很明显：显著降低运营养修成本，延长钢轨至少一倍使用寿命；降低钢轨、扣件及车轮的损伤、失效风险，减少运营行车隐患；降低车内噪音，提高乘车体验，降低传递至地表附属建筑物的振动，减少沿线居民投诉。

2.3 轨道交通行业内现状

2.3.1 打（铣）磨设备类型

目前行业内主流打（铣）磨机具为小型的钢轨打磨机和大型的钢轨打磨车、钢轨铣磨车三类。

2.3.2 行业内设备情况

考虑钢轨病害的危害性和打磨的高效性、高效益，目前轨道交通行业内基本都购置了钢轨打磨车，更有部分一线地铁购置更昂贵的钢轨铣磨车来全面、彻底地修正钢轨问题；部分地铁尝试更灵活、更具性价比的方式即租赁钢轨打（铣）磨服务，部分网络化运营地铁在已有打磨车的基础上，为了精细化、精益化、精准化的养修，也在探索租赁方式，用钢轨铣磨服务来处理中度及以上钢轨病害、用快速打磨服务进行全线范围的预打磨。钢轨打磨机，因为单个打磨单元，手持操作，打磨效率低、修复精度差，可处理的病害深度有限，加之近距离产生的颗粒物对人体肺部影响大，基本只用来修复打磨车无法打磨的病害。

2.3.3 主流打（铣）磨设备对比

主流打（铣）磨设备对比及主要参数见表2。

2.3.4 行业内打（铣）磨经验

根据地铁病害处理效果、经验，考虑设备的处理能力和经济效益，不同程度的病害，往往采用不同的打（铣）磨设备更具性价比，以下为可借鉴的处理方式。（表３）

2.4 行业内打磨策略

2.4.1 预打磨

主要用于在建新线钢轨的处理，通常在开通前进行预打磨，消除踏面在轧制过程中产生的脱碳层、缺陷及施工原因造成的砸伤、划伤、锈蚀等造成的初始不平顺，以提升轨道的纵向平顺性。随着国内日益增长的高标准乘车需求，越来越多地铁重视钢轨预打磨，一般通过租赁快速打磨服务对全线预打磨。

2.4.2 预防性打磨

主要用于钢轨病害扩展深度不超过0.3 mm时进行周期性打磨，减缓滚动接触疲劳裂纹的发展，预防进一步产生剥离、掉块、压溃、肥边等病害。这是根据钢轨表面疲劳损伤的产生机理和发展规律，也是防止钢轨加剧磨耗、裂损、恶化的最佳时机。

预防性打磨可降低钢轨病害恶化的概率，因其去除量小，相比修复性打磨可更好地延长钢轨寿命，延长轨道的中大修时间，拉大线路的换轨周期，具有更好的经济性，已被各大地铁重视，最大化利用自有打磨车开展预防性打磨。如某地铁对R≤800m曲线预防性打磨1遍次/年，对R＞800m曲线预防性打磨1遍次/3年。

2.4.3 修复性打（铣）磨

主要用于消除轨道交通运营中一些曲线上产生的严重波磨、剥离掉块、疲劳鱼鳞伤、压溃、肥边和局部点蚀等损伤，由于病害深、范围广、破坏大，需采用打（铣）磨深度更大的措施去修复断面、廓形。

此种措施因磨削或铣削量大，在多次修复性处理后达到钢轨垂磨限值（11mm）后便要换轨，其经济性相对较差，会缩短钢轨服役期，但在实际养护中，由于钢轨病害较多，动车次数有限，不得不采取修复性打磨策略。

2.4.4 轮轨噪声打磨

在高频次轮轨激扰作用下，部分曲线轮轨接触条件劣化导致噪声异常，行业内通常也采取钢轨打磨来改善轮轨关系，从而降低异常噪声，提升服务质量。

3 结语

城市轨道交通线路，因小半径曲线多、行车密度大、启停及加减速频次高、减振形式多样、平纵断面复杂等原因，导致钢轨病害点多、面广、频发，主要类型为外轨的疲劳鱼鳞纹伴随掉块、内轨的波磨伴随掉块。轨道几何尺寸的精细化养修只能起到有限的减缓作用，更多的处理方式为钢轨的预防性打磨和修理性打磨。考虑最佳的经济、社会效益，局部的点状病害可由小型机具灵活打磨；针对一定范围钢轨鱼鳞纹、掉块或波磨深度不超过0.3mm的钢轨病害，采取灵活性的预防性打磨措施，防止病害进一步恶化、发展，也是打磨经济性最好的时机；针对大范围出现中度病害或剥离掉块时，采取钢轨铣磨则是一种效果较好、成本较低、效率较高的可选方式。因此，实际整治中应采用多样化的打（铣）磨策略，以全方位应对运营中出现的钢轨病害，进而延长钢轨及车轮使用寿命，改善轮轨关系，消除行车隐患，提高乘车舒适度和服务质量。

参考文献：

［1］李克飞，刘维宁，张厚贵.地铁钢轨波浪形磨耗的研究分析[J].都市快轨交通，2010（4）.

［2］金学松，杜星，郭俊，等.钢轨打磨技术研究进展[J].西南交通大学学报，2010（2）.