摘　要:本文主要介绍了打磨技术,并结合其在广州地铁的应用,分析了地铁轨道养护中进行打磨的必要性、打磨方法等,并就打磨标准进行初步探索等。

关键词:打磨;蠕滑;镟轮;轮毂;波磨;非对称打磨
 
1 历史概述
      据国外铁路文献记载,铁路上最早发现钢轨有波浪磨耗缺陷,是在本世纪20年代,但数量很少,未被引起注意,50年代后随着世界各国经济的迅速发展,货运量大幅增加,钢轨的波浪型磨耗也随之增加,造成铁路轨道和机车车辆受损。60年代,ｓｐｅｎｏ公司制成了第一列打磨车,带来了很好的效益,随之ｌｏｒａｍ公司也相继制成。美国、加拿大、澳大利亚及西欧等一些国家分别购置这类列车,对钢轨进行定期打磨。
       我国铁路最早发现轨顶波磨在1960年前后,此后若干年内,国家大量科研人员从轨道结构、线路平纵断面、机车车辆的构造和轴重以及振动、钢轨的成分及强度、钢轨冶炼和钢轨的扎制工艺、钢轨的矫直工艺以及钢轨内的残余应力等方面进行探讨,但效果均不理想。由于波浪型磨耗则日益增多,铁道部于1989年引进了第一列打磨车,起到了很好的效果,随后各铁路局先后引进了打磨车。现在打磨技术日趋成熟,已经从最初单纯的消除波磨发展成为多功能的铁路保养的技术。
2 地铁钢轨打磨的必要性
2.1 对地铁新建线路进行打磨的必要性
      对地铁新建线路进行打磨,可以修正钢轨制造公差和施工误差,改善轮轨接触。wWW.11665.com地铁轨道工程,普遍采用的是挂枕架轨法施工的整体道床,虽然铁垫板已经加工了相应的轨底坡,但由于各个轨枕是相对独立的短轨枕和施工中支撑的变形以及钢轨轨枕的制造公差等原因,使竣工后的轨底坡无法得到保证。每一块短轨枕处钢轨的轨底坡都略有差异,由于整体道床可调性差等原因,很难进行轨底坡的精确调整。《地下铁道工程施工及验收规范》规定,轨底坡的误差允许为1/50～1/30ｓ,1/50～1/30的轨底坡对应的倾斜角度为1°8′45"～1°54′33",根据实际的轮对踏面锥度,采用合适的打磨模式,正确的选择磨头的偏转角度和功率,可以在很大程度上消除这种施工误差,使轨面得到一个相对不变的钢轨倾斜度,从而改善轮轨轨接触关系。
      对地铁新建线路的打磨,可以缩短轮轨磨合期,延长轮轨使用寿命。根据广州地铁一号线的运营情况来看,对于地铁新建线路,钢轨和轮对有一定的磨合期,在此磨合期内,轮轨磨耗较为严重,通过磨合,轮轨逐渐吻合,钢轨光带逐渐稳定成型,磨耗相对均匀。根据广州地铁二号线首通段的运营实践,其磨合期通常为4～5个月,二号线全线开通前,对全线进行了打磨,经过打磨后的轨道,其磨合期为1～2周,打磨后的轨道光带稳定,轨面均匀无瑕疵,磨合期大大缩短,减少了磨合期内轮轨的异常磨耗,延长了轮轨寿命。
      对新线进行打磨,可以消除新轨轨面毛刺、锈迹等表面瑕疵,提高钢轨作用面的光洁度,完善新轨轨面,改善轮轨关系,减少列车运行噪音、提高乘客舒适度,延缓钢轨病害的发生。1991年,法国国家铁路(ｓｎｃｆ)决定,每条线路按规定在钢轨更换后进行系统打磨,以预防潜在的夹杂物和改善轨道状态、焊缝及走行部分的状态。
2.2 对既有线进行打磨的必要性
      地铁既有线上的轨道,经过长期的运营,部分区段会出现剥落掉块、焊缝鞍形磨耗、肥边、擦伤、轨头表面由于冷作硬化出现轨道表面金属的破坏等缺陷,特别是曲线地段还会出现波磨。地铁运营采用的是ａｔｏ驾驶模式,车辆类型单一,轴重一致,同一区段行车速度一致等,行车密度大、轨道在同一种工况下反复作用,整体道床弹性差等特点,因此轨道一旦出现病害,同一种病害发展速度非常快。这些病害的发展,特别是波磨地段,列车高频率的颠簸,对车辆转向架裂纹、隧道道床病害、钢轨扣件的病害等起到了促进作用。广州地铁一号线部分区段换轨的主要原因就是波磨严重,最大的波磨深度达到1ｍｍ,此地段列车运行噪音大,颠簸严重,根据德国西门子公司对广州地铁一号线长寿路至陈家祠地段地铁车辆的振动检测表明,其垂向震动加速度最大值约为37ｍ/ｓ2,无波磨地段最大约15ｍ/ｓ2。2002年对该段波磨严重的地段更换了钢轨,2003年,对此区段进行了打磨,打磨完全消除了新出现的顶面波磨,经过打磨后,该段列车运营平稳性得到了很大的提高、噪音也与直线段基本相同,该段的车辆电机运转的声音流畅了很多。国内外一致认为打磨钢轨是目前最有效的消除波磨的措施。钢轨的定期打磨,可以消除和延缓波磨的发展、消除钢轨表面的接触疲劳层防止剥离掉块、对断面打磨还可以改善轮轨接触条件,降低接触应力。
3 打磨方式和打磨标准的探索
      对于轨道维护中的打磨,可以分为预防性打磨、修复性打磨和钢轨断面廓形打磨。
      (1)预防性打磨,这种打磨方式主要运用于消除钢轨表面缺陷、曲线地段和容易出现钢轨接触疲劳纹的地段。掉块、焊缝鞍形磨耗、肥边、擦伤、轨头表面由于冷作硬化出现轨道表面金属的破坏等缺陷地段,预防性打磨可以起到良好的效果。曲线地段,由于内外轨长度不一样,轮轨间产生"粘着-滑移"效应等原因,导致外轨出现了波磨。周期性的打磨,将会大大减缓波磨的发展速度,通常情况下预防性打磨,控制在0.2ｍｍ的范围内较为适宜。预防性打磨也是预防和消除钢轨表面疲劳纹的有效方式,其打磨周期短,在钢轨表面裂纹萌生时就予以消除。由于这些裂纹极浅,打磨深度一般为0.05～0.075ｍｍ,对外轨的内缘和内轨的外侧打磨深度一般为0.1～0.15ｍｍ,以防止由于钢轨塑性流动而使钢轨断面产生累积变形。预防性打磨与修复性打磨相比,打磨频率高,但对钢轨打磨的总量小,能够延长钢轨的使用寿命。联邦德国铁路(ｄｂ)经预防性打磨过的钢轨,其进行修理性打磨的临界值,比没有进行预防性打磨的钢轨增加60百万吨(ｍｇｔ)的通过总重,此外,一项由英国铁路研究所(ｂｒｉｔｉｓｈｒａｉｌｒｅｓｅａｒｃｈ)在英格兰的ｄｅｒｂｙ所进行的长达7年(1976～1984)的研究表明,由于预防性打磨钢轨的波浪型磨耗被推迟至少5年,因此,对于钢轨的打磨,应该在病害消除后由修复性打磨转向预防性打磨。
      (2)修复性打磨。地铁轨道的修复性打磨主要运用在小半径曲线波磨较为严重的地段,修复性打磨对钢轨的磨削量大。由于打磨本身也是对钢轨进行磨削,对曲线地段的钢轨打磨,需要严格控制打磨量,打磨少了,起不到打磨的作用,打磨多了,将会大大降低钢轨的使用寿命,因此采用合理的打磨参数是很重要的。美国有关专家推荐采用ｃｉ指数来衡量波磨的严重程度,并用于控制打磨量,打磨量的多少和波磨的长度、深度、计算ｃｉ所需长度和该区段上出现抑制次数等有关,ｃｉ指数公式如下:

其中:ｄ-波磨深度(抑制深度,以毫米为单位)
       ｌ-波磨长度(抑制长度,以毫米为单位)
       ｓ-区段长度(计算ｃｉ所需长度,ｓ=5米)　　
       ｎ-区段上出现抑制次数
      计算法则为:计算一个增量为1米的5米距离内的一个ｃｉ值,对于所测得的一段距离的每一米长度,都要计算ｃｉ的值。该公式说明在一定深度(ｄ)前提下,波磨波长(ｌ)越长,波磨问题越不严重(与ｌ成反比),该公式用于计算波磨波长保持在30ｍｍ≤ｌ≤300ｍｍ的范围内,最小值为120微米的情况下有效。

      根据美国的打磨经验结合广州地铁在波磨最为严重的陈家祠至长寿路和体育西至体育中心两段半径为300ｍ,长度超过500ｍ的曲线打磨来看,对于仅仅是修复轨道消除波磨而言,波磨指数ｃｉ<250即可,如果要使ｃｉ进一步减小,将会大大增加对钢轨的打磨量,缩短钢轨的使用寿命。国内也有研究表明:波长在250ｍｍ以下,波深在0.8ｍｍ以下的易于消除,波深大于0.8ｍｍ的消除就比较困难,往往有0.1～0.3ｍｍ的残留量,波深消除到一定程度,再继续打磨时,其残余波深值无明显变化。美国某专门的打磨车制造公司进行的钢轨打磨测试数据也证明了一点:在未打磨时波长为355ｍｍ,波深为1.27ｍｍ,经过第一边打磨之后波长变为483ｍｍ,残留波深为0.64ｍｍ,磨削量为0.13ｍｍ,经过第四遍打磨后,波长为914ｍｍ,残留波深为0.46ｍｍ,磨削量为0.05ｍｍ,从上述试验数据可以看出,随着打磨遍数的增加,波长加大,磨削量逐次降低,从最初的0.38ｍｍ降至0.05ｍｍ,所以,长波打磨之后的残留波磨是不可避免的。
      (3)钢轨断面廓形打磨。加拿大太平洋铁路的经验表明,直线地段对轨距角少许打磨,可以提高列车的临界摆动速度。由于地铁轨道为整体道床为主,由于施工条件的影响及钢轨、轨枕、铁垫板等施工条件的影响,轨道竣工后的状态难以完全符合设计,而地铁轨道的可调性较差,经过一段时间的运营,可以发现有的地方光带或宽或窄,或偏向一侧等不正常情况。有效的方法是根据光带的实际情况,选择合适的打磨模式,对轨道进行非对称打磨,适当的改变轨道的廓形,可以很大程度上弥补上述原因造成的误差。曲线地段的钢轨,由于轮轨关系复杂,轮轨磨耗都很严重,它与轮轨的材质及机械性能、转向架的结构(如定位方式、定位刚度、轴距等)、线路状态(如曲线半径、坡度等)、轴重、运行速度、轮轨断面的几何形状、润滑方式等有关,其动力学因素分析如下。
       列车在运行过程中,车轮在支承列车重量的同时,还要在钢轨上滚动,当列车通过曲线时,由于离心力的作用,使得轮对外轮的轮缘和外轨的顶面和内侧面接触,因锥形踏面在轮缘贴靠钢轨时,踏面与钢轨的接触面为图一所示的ａ～ｃ～ｂ整个面,这种接触,轮毂和轨头凹凸部分在互相咬合的状态下,由于滑动摩擦力的作用,使得这些微小的凹凸部分在咬合和分离反复进行的过程中产生疲劳现象,最终造成破坏和磨耗,使轮毂和钢轨磨耗严重,成为镟轮的主要原因,这也是新线开通后磨合期内磨合的重点内容之一,同时,由于"粘着-滑移"效应等原因,使得顶面靠近内侧,即图一中ａ～ｃ点产生严重的波磨,这种情况在广州地铁一号线小半径的长大曲线上普遍存在。
      借鉴国外的经验,根据地铁轨道的实际情况,分析理想的轨道状况为:(1)、对轨道而言,下股轨道光带外靠,以使锥形踏面的小半径部分与内轨接触,减小内轨的行走距离,上股轨道光带尽量内靠,使锥形踏面的大半径作用在外轨上,以尽量平衡上下股之间的长度差,进而减少外股作用车轮的滑动,理论上如果内外轨的滚动半径差引起的内外轨行走距离差略大于内外轨的长度差时,外侧轮缘与轨道不接触,完全由轮轨蠕滑力导向,从而防止或减缓波磨和侧磨的产生;(2)、对轮对而言,为减小由于轮毂的磨耗引起的镟轮,可以适当的打磨外股轨头内侧的圆弧,即ｃ点,经过打磨成型后的轨道如图二ａｄｂ所示,此时轨道接触的ａ点和ｂ点,即两点接触,可以避免轮毂和轨头凹凸部分在互相咬合的状态下,由于滑动摩擦力的作用,使得这些微小的凹凸部分在咬合和分离反复进行的过程中产生疲劳现象而出现的磨耗掉块等,此时ａ点为承载点,ｂ为导向点,以ａ点为瞬时中心而滚动,以ｂ点为导向点滑动,通过打磨。改善轮轨作用后,ｂ点以轮轨的蠕滑力导向,即可以大大减缓侧面磨耗,也可以减缓顶面波磨的发生。

      对钢轨的断面廓形进行非对称打磨,显著降低了轮轨横向力和冲角,在减缓钢轨侧磨、延长钢轨使用寿命方面取得了很大效果,国外应用经验表明:将这种技术用于重载铁路,横向力可以减少50%～90%,延长曲线地段钢轨使用寿命50%以上。其他地铁的应用也表明,两点接触和非对称打磨是预防钢轨疲劳纹的措施之一。
      通过以上分析可知,采取合适的打磨方法,可以使外轨的滚动半径增加,内轨的滚动半径减小,增大内外轨的滚动半径差,以补偿内外轨的长度差,从而减小导向轮缘力、冲角以及轮对在曲线上的滑动,达到减磨的目的,同时,通过非对称打磨,还可以减缓轮毂的磨耗引起的镟轮等,节约运营成本。
4 结束语
      打磨技术的应用,能够有效地的改善轮轨关系,减少由于轮轨关系的恶化而引起的换轨、镟轮、转向架维修等大量费用,同时还可以改善列车行车条件,减小噪音震动,增加乘客乘坐的舒适度。对钢轨进行打磨,最初用于整治波形磨耗,现已发展成为一种多功能的现代化养路技术,打磨的重点也已从钢轨修理转向钢轨保养。对于打磨能够有效的改善轮轨接触关系,延长钢轨的使用寿命这一点,国内外已经形成了共识。由于对打磨技术的研究起步比较晚,特别是对于城市轨道交通,打磨技术还处于起步和摸索阶段,继续深入的研究地铁轨道养护中的打磨技术将能够大大地节约维修成本,提高运营效益。
 
参考文献:
[1]　预防性钢轨打磨的基本益处,张未,《上海铁道科技》1997年第3期,上海
[2]　赵淑贞《联邦德国交通运输业的研究》
[3]　钢轨波形磨耗打磨工艺,宋旭,《铁道建筑》1995年第6期,北京