高速铁路钢轨轨端不平顺整治技术探索与实践.pdf

高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed Railway第 2 卷 第 3 期2 0 2 3 年 6 月Vol.2 No.3June 2 0 2 3高速铁路钢轨轨端不平顺整治技术探索与实践宋松（中国铁路上海局集团有限公司 徐州工务段，江苏 徐州 221010）摘要：针对现场钢轨轨端不平顺和动车组通过时周期性响动问题，通过开展现场钢轨平直度测量，分析小机打磨和大机快速打磨的技术特点，依据打磨资源和病害程度，制定了钢轨不平顺现场排查方法，确定了小机打磨和大机快速打磨相结合的分级整治方案。分析打磨整治技术应用后，现场不平顺区域的钢轨平直度控制到0.2 mm/1 m 以内，相对而言，大机快速打磨整治效果更优，有效提升了钢轨轨端平顺性，解决了周期性响动问题。关键词：高速铁路；钢轨；不平顺；钢轨打磨中图分类号：U216.42+4 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.03.007局管内某线路的日常添乘检查发现，动车组以200 km/h通过管内线路局部区段时，会出现2 s左右周期性的轮轨轻微撞击声，车体伴有轻微振动。现场调查发现，距焊缝2 m左右位置，钢轨母材顶面光带存在突变；钢轨平直度测量结果表明，距离焊缝2 m左右位置的钢轨母材存在高点或低点不平顺，高点平直度最大+0.3 mm/1 m、低点平直度最大0.4 mm/1 m。周期性响动和钢轨母材不平顺特征均与其他线路出现的钢轨轨端不平顺情况十分相似1-3。2018年线路开通前，已对该线路19.8 km区段内幅值大于0.3 mm的轨端不平顺进行了整治，经过4年的运营后，仍出现了轨端不平顺问题，这也表明钢轨轨端不平顺若不及时、有效整治，将不断劣化。现场钢轨轨端不平顺已超出 TG/GW1162013高速铁路有砟轨道线路维修规则 的规定（轨端13 m区域母材平直度不大于 0.3 mm/1 m）。既有研究表明，现场出现的钢轨轨端不平顺与钢轨轧制工艺存在一定关联4:轧件在三架轧机中稳定轧制时，轧件处于平直状态。但这种平直状态是通过机架间的轧制力和连轧张力控制的，轧件脱离孔型时会出现张力突然消失的情况，产生“甩尾”现象，“甩尾”产生的摆动力会使下一孔型的金属充填出现瞬间异常，该异常导致钢轨轧制尾端局部不平顺。针对现场出现的钢轨轨端不平顺问题，分析了小机打磨和大机快速打磨技术特点，确定了打磨整治的作业流程、技术要求及施工组织方案，提出了一套小机打磨和大机快速打磨相结合的分级整治技术方案并在现场应用，最后通过分析整治前后钢轨轨端不平顺变化情况验证整治效果。1 现场情况调查为了确定钢轨轨端不平顺最大位置，采用“套尺定位法”进行钢轨轨端不平顺现场测量。利用电子平直尺以距离焊缝前（后）2 m位置为起点、焊缝另一侧2 m位置为终点，测量35尺，测量示意见图1（a）。通过“套尺定位法”找到钢轨最低点，并记录最低点不平顺幅值（低塌量）；测量最低点至焊缝距离并在现场做标记，采用“+”号表示线路的大里程方向，“”号表示小里程方向。现场测量情况见图1（b）。焊缝钢轨54321(a)示意图(b)现场测量2 m2 m图1钢轨平直度最低点检查文章编号：2097-0846（2023）03004005收稿日期：20230428；修回日期：20230516基金项目：中国铁路上海局集团有限公司科研项目（2022113）；中国铁道科学研究院集团有限公司科技研究开发计划项目（2021YJ229）作者简介：宋松（1980），男，工程师。E-mail：第 3 期宋松：高速铁路钢轨轨端不平顺整治技术探索与实践测量结果表明，在同一根百米定尺钢轨，不平顺仅出现在一端，不会两端同时出现；轨端不平顺主要表现为低塌不平顺，最低点位置距离焊缝约 2 m。钢轨轨端低塌不平顺的形貌主要呈现为V形和W形2 种（见图 2），以 V 形低塌不平顺居多。相对平顺性正常区域，钢轨低塌位置光带会明显变宽（见图3）。进一步依据轨端不平顺的低塌程度，将其分为4级：0.10.2 mm（不含）、0.20.3 mm（不含）、0.30.4 mm（不含）、0.4 mm及以上。图4显示了各级低塌量占比情况，低塌量大于0.3 mm的轨端不平顺占比达到了14%。2 整治技术及实施过程2.1整治策略为了科学、有效地整治线路出现的钢轨轨端不平顺病害，针对现场特点，建立了病害分级管理机制及病害分析库；根据分析结果划分整治单元，即把病害按照区间或站内划分为若干单元，并对大机无法覆盖、低塌量偏大的区域予以重点关注。考虑到大机快速打磨无法覆盖站内区域、严重不良靠人工打磨一次达标效益不高，按照先站内、后区间；先严重、后一般；大值区域、长大区间采取“小机+大机”的整治思路合理编排了计划。主要思路为：一方面对低塌量较大的病害先利用小机打磨进行预整治、降低其峰值，后利用大机快速打磨对全区段钢轨打磨达标；另一方面对低塌量一般的病害一次性人工打磨达标。2.2整治手段钢轨打磨是钢轨不平顺整治的重要手段之一，目前分为小机打磨、大机常规打磨、大机快速打磨3类。其中小机打磨和大机快速打磨对钢轨不平顺的整治效果最为显著5。2.2.1小机打磨小机打磨是指利用垂磨机、精磨机、仿型打磨机等小型打磨机械，依靠人为操作对钢轨进行更精细化的打磨。小机打磨作业模式灵活，可以有效处理局部钢轨轨面不平顺病害。但打磨质量依赖操作人员的操作水平，且在处理钢轨局部不平顺的过程中，钢轨母材低塌不平顺越大，打磨难度越大，打磨效率也越低。小机打磨现场情况见图5。低塌不平顺/mm1.000.750.500.250.00-0.25-0.50-0.75-1.0002004006008008001 000沿钢轨方向位置/mm02004006008008001 0001.000.750.500.250.00沿钢轨方向位置/mm低塌不平顺/mm-0.25-0.50-0.75-1.00(b)W形最大值+0.00最小值-0.32(a)V形最大值+0.00最小值-0.40图2钢轨低塌不平顺形式图3钢轨不平顺表面光带51%2%12%35%0.4 mm及以上0.20.3 mm（不含）0.30.4 mm（不含）0.10.2 mm（不含）图4按低塌程度分类占比情况图5小机打磨现场41高速铁路新材料第 2 卷2.2.2大机快速打磨大机快速打磨车（见图6）采用被动性曲面打磨技术6，通过动力牵引车高速运行（6080 km/h），带动砂轮在钢轨上高速旋转，利用砂轮与钢轨间相对运动来磨削钢轨，可以实现轨面局部高低点的差异化打磨，对治理钢轨波磨及轨面不平顺具有突出优势，但切削量较小（每遍约0.03 mm），廓形打磨能力相对较弱，不具备主动改变或重塑轨头廓形的能力。2.3小机打磨实施流程2.3.1确定打磨位置一是看标记，用前期测量时的钢轨标记快速定位；二是看光带，钢轨低塌位置会产生一个明显的光带突然变宽现象；三是看距离，利用电子平直尺，采用“套尺定位法”定出最低点。2.3.2标记根据钢轨平直度最低点周边实际状况，统一以箭头在轨底标记出打磨范围和打磨量。现场打磨标记示意见图7。2.3.3技术要求（1）对快速打磨能覆盖的区段，将钢轨低塌量整治到0.20 mm以内；对快速打磨无法覆盖的，将钢轨低塌量整治到 0.15 mm以内。现场整治时打磨顺坡率控制在0.2及以内，钢轨廓形前后顺接偏差不大于0.2 mm。（2）每遍打磨切削量约0.1 mm。根据需要自行调整打磨遍数，每遍打磨廓形角度应覆盖1240，直至平直度满足要求。（3）打磨时应遵循“少量、多次、勤测量”原则。每遍打磨量不宜过大，随时关注廓形变化，廓形质量满足相关标准要求。（4）打磨后、复测前应及时清理轨面，保持洁净，避免磨屑损坏检测仪器。2.3.4施工组织根据打磨机械需4人搬运、打磨操作和测量需2人完成的作业特点，每个打磨小组按1台打磨机、1台平直度测量仪、23人为基本配置。现场整治时为节省天窗和劳力资源，6个打磨小组集中从一个通道口上下，搬运机械时不分组、统一上下，按照上下行分开流水作业、逐处推进，减少天窗内走行时间，提升效率。6个小组线上区段划分方式和线上施工方向见图8。2.4大机快速打磨实施流程基于大机快速打磨和大机常规打磨计划，充分考虑现场钢轨轨端不平顺严重区段，优化大机快速打磨范围和遍数，将全线打磨3遍调整为98 km的重点地段打磨6遍；协同快速打磨和常规打磨的技术优势7，快速打磨前的大机常规打磨为快速打磨预留钢轨顶面3030的打磨量，以保障“常规打磨+快速打磨”后的钢轨廓形和平顺性均处于良好状态。3 整治技术应用效果2022 年底至 2023 年初完成重点地段人工打磨360处、大机快速打磨98 km，有效改善了钢轨轨端不平顺情况，添乘动车组通过整治区段时无周期性异常响动出现。3.1小机打磨区段选取小机打磨整治区段的20处典型轨端不平顺，对比分析整治前后钢轨的平直度，如图 9所示，整治前，钢轨轨端平直度最大为0.52 mm/1 m，平均值为0.34 mm/1 m；整治后，平直度最大为0.19 mm/1 m，平均值为0.12 mm/1 m。轨端低塌情况得到有效改善，如图10所示，钢轨低塌量由0.32 mm降至0.09 mm，降低了0.23 mm。同时，打磨后，钢轨不平顺形貌由明显的V形不平顺变为小幅波动的不平顺，波动幅值不超过0.1 mm。3.2大机快速打磨区段取大机快速打磨整治区段的20处典型轨端不平顺，对比分析整治前后钢轨的平直度，如图 11所示，整 治 前，平 直 度 最 大 为 0.43 mm/1 m，平 均 值 为0.26 mm/1 m；整治后，平直度最大为0.19 mm/1 m，图6大机快速打磨车轨底打磨标记钢轨表面0.2 mm0 mm图7现场打磨标记示意图下行上行6组2组4组5组1组3组通道门图8打磨现场组织图42第 3 期宋松：高速铁路钢轨轨端不平顺整治技术探索与实践平均值为0.10 mm/1 m。大机快速打磨区段整治前后，典型轨端不平顺形貌变化见图12，可以看出轨端低塌量由 0.55 mm 降至 0.18 mm，降幅 0.37 mm。与小机打磨整治相比，大机快速打磨不平顺幅值降幅更大，打磨后轨顶更为平滑。4 结论针对现场出现的钢轨轨端不平顺问题，分析了小机打磨和大机快速打磨技术特点，确定打磨整治的作业流程、技术要求及施工组织方案，提出了一套小机打磨和大机快速打磨相结合的分级整治技术方案并现场应用，结论如下：（1）动车组出现周期性响动区段钢轨存在不同程度轨端低塌不平顺，约14%的低塌量超过0.3 mm；轨端不平顺形貌主要为V形和W形，不平顺位置钢轨表面光带明显变宽。（2）基于现场钢轨轨端不平顺病害程度和打磨资源配置，制定了重点区段小机打磨和大机快速打磨相结合的分级整治方案并现场应用，提出了不同区段小机打磨和大机快速打磨整治策略和技术要求。（3）整治后，周期性响动问题得到有效解决。小机打磨区段钢轨轨端低塌量均控制到0.2 mm以内，平均0.12 mm；大机快速打磨区段钢轨轨端低塌量也控制到0.2 mm以内，平均0.1 mm，平顺性控制效果略优于小机打磨区段。参考文献：1 李晨光，侯永胜，杜涵秋，等.高速铁路钢轨百米周期性不平顺整治技术 J.铁道建筑，2023，63（3）：19-22.2 刘永乾，郭猛刚，侯银庆，等.有砟客运专线钢轨周期性不平顺整治技术研究 J.中国铁路，2020（9）：98-105.测点0.20.0-0.2-0.4-0.6平直度/mm(1 m)-102468101214161820整治前整治后图9小机打磨区段钢轨平直度低塌不平顺/mm沿钢轨方向位置/mm02004006008008001 000(b)整治后最大值+0.06最小值-0.09 1.000.750.500.250.00-0.25-0.50-0.75-1.00低塌不平顺/mm沿钢轨方向位置/mm02004006008008001 000(a)整治前最大值+0.00最小值-0.32 1.000.750.500.250.00-0.25-0.50-0.75-1.00图10小机打磨前后效果对比平直度/mm(1 m)-1测点0.20.0-0.2-0.4-0.602468101214161820整治前整治后图11大机快速打磨区段钢轨平直度低塌不平顺/mm沿钢轨方向位置/mm02004006008008001 000(b)整治后最大值+0.00最小值-0.181.000.750.500.250.00-0.25-0.50-0.75-1.00低塌不平顺/mm沿钢轨方向位置/mm02004006008008001 000(a)整治前最大值+0.03最小值-0.551.000.750.500.250.00-0.25-0.50-0.75-1.00图12大机快速打磨前后效果对比43高速铁路新材料第 2 卷3 杨光，宋松，杜涵秋，等.钢轨低塌不平顺区域轮轨动态响应分析 J.高速铁路新材料，2022，1（6）：22-27.4 杜涵秋，李晨光，杨光.高速铁路钢轨母材低塌整治及验收标准研究 R.北京：中国铁道科学研究院集团有限公司，2022.5 陶功明，吕攀峰，李佑琴，等.钢轨“高点”缺陷分析与控制J.轧钢，2015，32（2）：85-89.6 陶功明，吴郭贤，朱华林.U-E连轧失张对钢轨“高点”的影响分析 J.轧钢，2018，35（3）：57-60.7 石瑞喜，杨冀超，王伟，等.高速铁路钢轨快速打磨研究 J.城市建设理论研究，2014（10）：1-5.Exploration and Practice of Rectification Technology for Rail Ends Irregularity in High-speed RailwaySONG Song（Xuzhou Track Maintenance Depot，China Railway Shanghai Group Co.，Ltd.，Xuzhou Jiangsu 221010，China）Abstract：Focus on the issue of rail ends irregularity and periodic noise during the passing of high-speed trains,on-site rail straightness measurement was carried out,and the technical characteristics of large machine rapid grinding and small machine grinding were analyzed.Based on the grinding resources and degree of disease,on-site inspection methods for rail irregularities and a graded rectification plan combining large machine rapid grinding and small machine grinding were developed.After analyzing the application of polishing and rectification technology,the straightness of rails in the irregular areas was controlled within 0.2 mm/1 m.Relatively speaking,the rapid polishing and rectification effect of large machines was better.It effectively improved the smoothness of the rail ends and solve the problem of periodic noise.Keywords：high-speed railway;rail;irregularity;rail grinding(责任编辑 陈凌云)44