【精品】钢轨焊后打磨技术的研究

黑龙江交通职业技术学院毕业设计（论文)
题目：钢轨焊后打磨技术的研究——解析钢轨焊后打磨技术的“前世今生”
目录
内容摘要 (3)
引言 (4)
一.选题背景 (4)
二.钢轨焊后打磨的目的 (5)
三.钢轨焊后打磨的方法 (5)
（一）矫正性打磨（缺陷打磨） (6)
(二)过渡性打磨 (7)
（三)预防性打磨或周期性打磨 (7)
（四）修复性打磨 (8)
（五)特殊性打磨 (9)
（六）国外经典的打磨策略 (10)
结论 (15)
参考文献 (16)
致谢 (17)
摘要
随着铁路高速重载趋势的发展，钢轨的波形磨损和因解除疲劳而产生片状剥落、开裂等病害呈上升趋势,钢轨焊后打磨作为解决钢轨表面缺陷、控制轮轨接触位置和控制钢轨外形的手段，应用越来越广泛.随着既有线路的逐步提速和新建高速客运专线的投入运行冲击和通过总重量的增加对线路的破坏越来越明显，。

不管是对于去除钢轨表面缺陷，还是保持钢轨合适的外观轮廓，从保证行车稳定性和安全性这两点来说,钢轨焊后打磨都是非常经济和实用的技术.然而，钢轨焊后打磨是一项相对昂贵的作业手段,其应用必须跟预期获得的经济效益挂钩。

因此，就必须研究各种情况下最佳的钢轨打磨方法。

本文主要介绍了钢轨焊后打磨技术的发展情况和必要性,并结合其在广州地铁的应用,分析了地铁轨道焊接养护中进行焊后打磨的必要性、焊后打磨方法等,本文还介绍了日本，澳大利亚和印度等国的成功的钢轨焊接维护和焊后打磨的相关情况，并就其焊后打磨标准进行初步探索等。

本文主要分三个部分介绍钢轨焊后打磨技术，第一部分介绍了钢轨打磨技术的发展概况，第二部分阐述了钢轨焊后打磨技术的必要性,第三部分研究了钢轨打磨的方法.最后得出结论:钢轨焊后打磨技术经过多年的应用发展，已经广泛应用于高速铁路、重载铁路和城市轨道交通的钢轨养护维修中，有效地延长了钢轨的使用寿命。

关键词:钢轨焊后打磨焊后焊接维护打磨方法
引言
写作目的说明：
本论文是为完成学业，按照学院教学统一安排而作，同时也是方便指导教师进一步检验学生所学课题了解程度。

对我个人来说也是一次飞跃性的进步.
本文重点阐述:钢轨焊后打磨技术的打磨方法和技巧.
钢轨焊后打磨工艺的提出最早是为了控制钢轨波磨，钢轨波磨现象的破坏在19世纪60年代到70年代之间最为严重.钢轨打磨的目的在于消除钢轨的波形磨损和控制钢轨的接触疲劳，防止因接触疲劳而产生片状剥落、开裂等病害。

随着打磨技术和设备的不断更新提高，以及优质钢材和先进润滑技术的广泛应用，已经基本上能够消除钢轨的波形磨耗,有效地控制剥落现象，大幅度提高钢轨的服役期。

一、选题背景
据国外铁路文献记载,铁路上最早发现钢轨焊后有波浪磨耗缺陷,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，钢轨焊后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公司制成了第一列钢轨焊后打磨车，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,对钢轨进行定期的焊接维护和焊后打磨.
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年引进了第一列钢轨打磨车,起到了很好的效果，随后各铁路局先后引进了钢轨打磨车。

现在钢轨焊后的打磨技术已日趋成熟,并且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。

随着铁路跨越式发展，铁路货车也在发生着日新月异的变化，目前的货车技术状态和运输能力已今非昔比，在我出生至今的二十几年间起亲眼目睹了铁路货车的发展历程，由原来的滑动轴承为主,发展到现在的以滚动轴承为主,由原来弓形杆性制动梁发展到现在的组合式制动梁交叉支撑装置、空重车自动调整装置、闸瓦间隙自动调整装置等一系列新技术的出现，货车装载能力由原来30吨、50吨发展到现在的60吨70吨甚至80吨,可见铁路发展步伐之快。

钢轨是轨道交通的主要部件,然而，钢轨是消耗品，
钢轨与列车的车轮直接接触，其质量的好坏直接影响到行车的安全性和平稳性。

轨道交通开通运营之后，钢轨就长期处于恶劣的环境中，由于列车的动力作用、自然环境和钢轨本身质量等原因，钢轨经常会发生伤损情况,如裂纹、磨耗等现象，造成了钢轨寿命减少、养护工作量增加、养护成本增加,甚至严重影响行车安全。

铁路快速的发展伴随而来的是钢轨的伤损和消耗，工务现场对伤损钢轨及时进行焊补，是延长钢轨使用寿命,提高线路养护维修质量和列车运行平稳性的有效举措，也是弥补工务成本紧缺的重要手段。

因此，就必须及时对钢轨伤损进行消除或修复，以避免影响轨道交通运行的安全。

这些修复措施如钢轨涂油、钢轨打磨等，其中钢轨打磨由于其高效性受到世界各国铁路的广泛应用。

钢轨焊后打磨技术主要是指通过打磨机械或打磨列车对钢轨焊接接头的打磨，以消除钢轨焊缝表面不平顺、轨头焊缝表面缺陷及将轨头轮廓恢复到原始设计要求，从而实现减缓钢轨表面缺陷的发展、提高钢轨表面平滑度，进一步达到改善旅客乘车舒适度、降低轮/轨噪音、延长钢轨使用寿命的目的。

本文主要分析了钢轨焊后打磨的目的和类型，并分析最新的国外铁路钢轨焊后打磨技术，以期对我国铁路及城市轨道交通的钢轨养护维修有所借鉴。

二、钢轨焊后打磨的目的
钢轨焊后打磨技术的最初应用是为了控制波磨的发展（图1)，以及改善钢轨头部焊缝断面形状，满足轮/轨接触特性（即所谓的最佳断面),从而减少钢轨及车轮的磨耗率。

随着钢轨焊后打磨技术的发展和推广,越来越多的高速铁路、重载铁路和城市轨道交通的钢轨在焊后都采用该项技术来延长钢轨寿命。

总的来说，钢轨焊后打磨的目的如下：
(一)通过修正钢轨焊接接头断面形状，改善轮/轨接触关系，从而减少轮/轨接触应力和磨耗;
（二）修正/控制钢轨波磨以及低接头。

这些缺陷会增加轮轨噪音、加快车辆部件和轨道部件的恶化率，甚至造成列车限速；
（三）修正/控制滚动接触疲劳缺陷。

这些缺陷会增加钢轨损伤的风险,甚至降低超声波钢轨探伤的效果；
（四)修正/控制其他钢轨缺陷（如车轮滚伤、压溃、轨头垂向及纵向裂纹）；
（五）减少车轮和转向架运动的不利影响，这种情况下,会加剧钢轨磨耗和缺陷的恶化；
(六）减少噪音和振动，减少普通接头和焊接接头的垂向不平顺，控制钢轨焊后波磨；
（七)缓和大轴重车轮作用的不利影响，改善轮/轨接触条件；
（八）减少车辆横向不稳定性（蛇行运动）.
焊后打磨的目标对打磨的策略和工序有很大的影响。

三、钢轨焊后打磨的方法
据国外铁路文献记载,铁路上最早发现钢轨焊后有波浪磨耗缺陷,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，钢轨焊后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公司制成了第一列钢轨焊后打磨车,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,对钢轨进行定期的焊接维护和焊后打磨。

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年引进了第一列钢轨打磨车,起到了很好的效果，随后各铁路局先后引进了钢轨打磨车。

现在钢轨焊后的打磨技术已日趋成熟，并且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。

随着铁路跨越式发展，铁路货车也在发生着日新月异的变化，目前的货车技术状态和运输能力已今非昔比，在我出生至今的二十几年间起亲眼目睹了铁路货车的发展历程，由原来的滑动轴承为主,发展到现在的以滚动轴承为主,由原来弓形杆性制动梁发展到现在的组合式制动梁交叉支撑装置、空重车自动调整装置、闸瓦间隙自动调整装置等一系列新技术的出现,货车装载能力由原来30吨、50吨发展到现在的60吨70吨甚至80吨，可见铁路发展步伐之快.
钢轨是轨道交通的主要部件，然而,钢轨是消耗品，钢轨与列车的车轮直接接触，其质量的好坏直接影响到行车的安全性和平稳性.轨道交通开通运营之后，钢轨就长期处于恶劣的环境中，由于列车的动力作用、自然环境和钢轨本身质量等原因，钢轨经常会发生伤损情况,如裂纹、磨耗等现象，造成了钢轨寿命减少、养护工作量增加、养护成本增加，甚至严重影响行车安全。

铁路快速的发展伴随而来的是钢轨的伤损和消耗，工务现场对伤损钢轨及时进行焊补,是延长钢轨使用寿命，提高线路养护维修质量和列车运行平稳性的有效举措，也是弥补工务成本紧缺的重要手段.因此，就必须及时对钢轨伤损进行消除或修复，以避免影响轨道交通运行的安全。

这些修复措施如钢轨涂油、钢轨打磨等，其中钢轨打磨由于其高效性受到世界各国铁路的广泛应用。

钢轨焊后打磨技术主要是指通过打磨机械或打磨列车对钢轨焊接接头的打磨，以消除钢轨焊缝表面不平顺、轨头焊缝表面缺陷及将轨头轮廓恢复到原始设计要求，从而实现减缓钢轨表面缺陷的发展、提高钢轨表面平滑度,进一步达到改善旅客乘车舒适度、降低轮/轨噪音、延长钢轨使用寿命的目的.本文主要分析了钢轨焊后打磨的目的和类型,并分析最新的国外铁路钢轨焊后打磨技术,以期对我国铁路及城市轨道交通的钢轨养护维修有所借鉴。

钢轨焊后打磨是一项相对昂贵的作业手段，其应用必须跟预期获得的经济效益挂钩.钢轨焊后打磨应用的效果如下：
1.增加钢轨50％-100%的使用寿命;
2.减少钢轨失效的风险；
3.减少车轮、轨道部件以及轨道几何形位的恶化率；
4。

允许列车以较高的速度运行；
5。

降低轮轨噪音.
有5种类型的钢轨焊接处焊后打磨策略：
(一）矫正性打磨(缺陷打磨）（图2）
该打磨策略的主要目的是消除或减少在线钢轨焊后的缺陷，一般采用积极打磨的工序,预先设计好打磨量（0。

5mm到4-6mm之间），并且，作业间隔相对较长，通常由缺陷的严重程度来决定.
矫正性打磨并不是非常经济，主要是因为需要除去钢轨表面的大量焊缝金属，还要求使用大量的打磨过程，减少了钢轨的潜在使用寿命。

但是，为了确保钢轨不会在短期内失效，矫正性焊后打磨是非常必要的，特别是在更换钢轨的预算较为紧张的时期。

不过这种条件的钢轨可能会导致列车限速。

(二)过渡性打磨（图3）
该打磨策略是钢轨长期使用策略（3～6年)，目的是将矫正性打磨制度转变成预防性或者周期性的打磨制度。

这种策略需要经历数次打磨周期，特别是钢轨不是很规范地养护的时候。

然而，从预防性打磨或周期性打磨策略的成本效果来看，过渡性打磨是一个较好的选择，可以保证有限资源的合理利用.
过渡性打磨策略的作用必须具有：
（1)减少某种钢轨伤损的严重性，如钢轨波磨和滚动接触疲劳或接头的焊接缺陷等；
（2）实现预期的钢轨断面形状，从而减少焊后伤损的发展率；
（3）逐步实现最佳的焊后钢轨断面形状.
过渡性打磨移除的钢轨金属量要少于矫正性打磨，例如，打磨量在0.3mm～1。

0mm 之间，且每个打磨周期的钢轨打磨量均逐步减少。

（三)预防性打磨或周期性打磨（图4）
由于主要的钢轨表面焊接缺陷已经被矫正性打磨或过渡性打磨所消除，接下来，就可以执行预防性打磨。

这种打磨策略的目的是消除或控制钢轨表面缺陷、保证钢轨表面状态和良好的外形。

通常需要移除少量金属（0。

2～0.3mm)，且打磨时期更为频繁或可控.
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
预防性打磨非常经济，特别是只需要去除少量金属,减少了打磨工具的使用量，最大化地延长了钢轨的使用寿命。

打磨周期依靠影响钢轨恶化率的因素：
（1）通过吨数；
（2）主要列车类型及货物类型，即静轮载和动轮载;
（3）钢轨类型；
（4）轨道特征,特别是曲线曲率、超高、钢轨支承条件；
（5）运营特征,特别是运行速度。

(四）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，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。

(五)特殊性打磨
这种打磨策略是为实现上述三种目的之外的某种特殊目的而进行的打磨。

例如：1。

实现特殊的钢轨断面形状，通过打磨量超过钢轨头部允许磨耗限度，从而延长钢轨短期使用寿命。

例如，当轮/轨接触区接近20～30mm宽时，接触区过于集中,可以采用这种打磨策略移除车轮和钢轨的相应金属量，并打磨钢轨轨距内侧面.钢轨打磨量必须与通过线路的主要列车车轮断面相配合。

2.实现特殊的钢轨断面形状从而减少车轮悬空的概率。

经过这种打磨策略,为了将钢轨接触区沿车轮踏面横移，可以沿着轨道线路的方向将钢轨断面形状进行变化。

如轮轨接触区宽度为20～30mm,经过数公里后，轮轨接触区可能从钢轨头部中间移至靠近轨距内侧面。

3。

实现一个非常平滑的钢轨接触表面，从而减少轮轨接触区噪音的发生。

这种打磨策略在高速线路和城市轨道交通线路上的应用越来越普遍.经过特殊打磨工序，钢轨表面的粗糙度少于12.5μmRA，但最好的钢轨表面粗糙度是4~6μmRA，这时的最大钢轨打磨宽度为4~6mm。

这种作业情况下，钢轨类型尤为重要，因为对于低硬度的钢轨，打磨的效果很快会被车轮所清除，而高硬度的钢轨,打磨效果会保持相当长的一段时间.
以广州地铁一号线为例，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焊接接头的波磨。

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，对此区段进行了焊接补修和焊后打磨，打磨完全消除了新出现的焊接顶面波磨，经过焊后打磨后,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焊后
钢轨是目前最有效的消除波磨的措施.钢轨的定期焊接和焊后打磨,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.
对地铁新建线路的焊接维护和焊后
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。

（六）经典的打磨策略：
1.日本铁路
东日本铁路公司在东北新干线（TOHOKU）和上越新干线（JOETSU）开通运营之初，就采用了预防性钢轨焊后打磨策略,主要目的是:
（1）减少焊接接头处的噪音和振动。

(如居民区和商业区沿线轮轨噪音超过110分贝的地区、其他噪音超过110分贝的地区、特别需要降低噪音的地区，如隧道等都进行预防性钢轨打磨策略）；
(2)降低钢轨焊接接头处的表面疲劳，减缓钢轨伤损。

（发生钢轨轨头剥壳的地段及积累通过运量超过3千万吨的地段都进行预防性钢轨打磨策略).
东日本铁路公司的打磨设备包括：新型SPENO 32磨石打磨列车、2台SPENO 16磨石打磨机（RR 16M）、2台SPENO 48磨石打磨机（2x RR 24M）以及2台日本制6磨石打磨机。

这些机械可以实现大约1500km/年的钢轨打磨量。

东日本铁路公司研究出了考虑钢轨焊后打磨目标的打磨工序（钢轨打磨次数和打磨模式）制定方法，即钢轨焊后打磨的目标是减少振动和噪音还是消除钢轨表面焊接缺陷。

该方法如下图5所示。

①打磨次数
使用打磨机对钢轨焊接接头打磨，其中打磨次数是考虑如下因素来制定：打磨机的金属移除能力、每次打磨的金属移除量、打磨范围（图6）.
（D为打磨区域的长度，d为打磨深度）②打磨模式
钢轨焊后打磨模式的制定要考虑主要轨道线型的因素，如直线轨道、曲线轨道或伸缩接头。

打磨模式由轨道线型情况和打磨次数联合决定。

打磨模式分如下几类：（1)轮/轨接触区打磨
①侧边打磨：首先，把磨石放置于钢轨轨距边角和外侧边角的位置，使钢轨头部保持“凸"形，相应也增加了磨石的接触面积、提高了打磨效率（图7的A和B图）；
②钢轨头部打磨：为了移除轮轨接触区的波磨，将磨石放置到钢轨头部中心位置进行打磨(图7的C图）；
形成钢轨新的外形：打磨钢轨的滚动表面，恢复钢轨头部表面的理论外形或原始外形（图7的D图)。

（2）轨距边角打磨
根据轨道线型如曲线、直线或伸缩接头来布置磨石的位置，如下：
①曲线半径在2000m～4000m(图8的A图）：根据磨耗的范围,在钢轨断面倾斜的角上布置磨石(最大为70度)。

②切线或直线地段（图8的B图）：当线路为半径大于4000m的曲线、轨距边角磨耗较少；或半径小于2000m的曲线、移除钢轨头部波磨比打磨轨距边角更重要的情况下，在钢轨顶面相对小的角度位置布置磨石（—40度)，并在钢轨头部布置磨石。