钢轨打磨量的分析计算_贾怀珍

1 概述

我国于20世纪80年代引入钢轨打磨技术，目前大部分铁路局配备了钢轨打磨列车，钢轨打磨技术逐渐成为一项基本的线路维护技术[1]。我国现代化钢轨打磨列车主要依靠进口，大型打磨设备及打磨工艺落后于铁路发达国家[2]。1989年，我国引进第一台钢轨打磨列车，在丰

沙线和石太线实施打磨作业，以消除钢轨波形磨耗[3]。自此开始了钢轨打磨列车应用技术研究，并取得了一些实际应用经验。然而，我国大型养路机械钢轨打磨列车的研发和制造还处于起步阶段，为了推进钢轨打磨列车的引进和国产化进程，中国北车股份有限公司签订了大型养路机械96头钢轨打磨列车技术转让协议及采购合同。2009年11月，中国北车股份有限公司与瑞士SPENO公司通过技术引进、联合设计、合作生产、国产化制造和联合调试等模式，研制了首列GMC96型钢轨打磨列车[4]。目前，该型钢轨打磨列车的国产化比例达到70%。但SPENO公司仅提供6种适用于钢轨直线段的打磨模式，对我国铁路运输状况复杂、密度大、客货混运，以及运输距离较长等实际情况，6种钢轨打磨模式难以满足需求。

基金项目：铁道部科技研究开发计划项目（2010G008-C）。

钢轨打磨量的分析计算

贾怀珍：北京铁路局北京大型养路机械运用检修段，工程师，北京，100070蔡永林：北京交通大学，副教授，北京，100044崔宁宁：北京交通大学，硕士研究生，北京，100044李建勇：北京交通大学，教授，北京，100044姚 迪：北京交通大学，硕士研究生，北京，100044

摘　要：以GMC96型钢轨打磨列车为研究对象，论述钢轨轨廓数据采集与处理。分析打磨前后钢轨轨廓数据，针对打磨接触点、打磨面积计算、单个打磨头的平均打磨量计算进行阐述，提出钢轨打磨量计算方法；分析多种钢轨打磨模式下其打磨量与影响因素间的关系，得到打磨量与打磨角度及压力的关系，为GMC96型钢轨打磨列车打磨模式编制提供参考。

关键词：钢轨打磨；打磨量；打磨模式；GMC96型钢轨打磨列车

钢轨打磨量的分析计算 贾怀珍 等

钢轨打磨模式的研究可为打磨系统研究提供数据，并且有利于规范打磨作业过程和制定统一的打磨标准，从而获得更高的打磨质量，延长钢轨的使用寿命[5]。为此，以GMC96型钢轨打磨列车为研究对象，针对60 kg/m 钢轨进行试验（客运线路多为60 kg/m钢轨），研究不同打磨模式下钢轨打磨量的规律，为GMC96型钢轨打磨列车的打磨模式提供参考依据。

2　钢轨轨廓数据采集与处理

钢轨轨廓数据采集与处理是钢轨打磨模式研究的前提。采用丹麦Miniprof高速铁路钢轨（道岔）廓面高精密检测分析仪，对钢轨横断面进行高精度检测、数据化采集和软件综合分析。通过对GMC96型钢轨打磨列车跟踪与调研，完成多种模式下打磨前后钢轨轨廓数据的采集。打磨前后钢轨轨廓见图1。

3 计算钢轨打磨量

在打磨过程中，钢轨打磨列车的打磨砂轮与钢轨因打磨产生磨屑，在此钢轨打磨量指打磨前后钢轨横断面轨廓之间的面积。3.1 打磨接触点分析

60 kg/m钢轨断面轮廓由R 300，R 80，R 13三个弧段组成，其中R 80与R 13弧段交点处切线角度为±13°，

R 80与R 300弧段交点处切线角度为±2°。图2为钢轨打

磨列车控制面板显示的打磨模式50#下的参数设置，图中红色数据表示砂轮标号，左边为打磨角度，右边为压力。GMC96型钢轨打磨列车总长约145 m，由7节车组成，按功能划分为A车、B车和C车，排列为B1—C1—A—C2—C3—C4—B2。A车为动力车，B车和C车为打磨作业车。其中，B车相邻的2个砂轮固定联结，但角度有差异；C车相邻的4个砂轮固定联结，角度也有差异。

分析打磨模式和每种打磨模式在60 kg/m钢轨上的砂轮分布，得到以下结论：

（1）在打磨内侧模式中，B车砂轮主要分布在R 13弧段，C车砂轮主要分布在轨顶。

（2）在打磨轨顶模式中，B车、C车的打磨砂轮交错排列，共同打磨轨顶。

（3）在曲率大的弧段，安排砂轮数量较多；曲率小的弧段，安排砂轮数量较少。

（4）在切线角±13°和±2°处砂轮分布界限明显。

3.2 打磨面积的计算方法

打磨中的左右两侧钢轨各分布48个砂轮，即打磨后的钢轨横断面轨廓线由48条小线段连接形成。60 kg/m 钢轨的宽度约为73 mm，得到小线段的平均长度约为2 mm，可看作为光滑曲线。在打磨模式2#下，（打磨内侧）48个砂轮在60 kg/m钢轨横断面上的切点见图3，图中数字2、3表示在该点有2个或3个砂轮与钢轨轨廓相切。

为得到单个打磨头的打磨量，用3对平行线分别表示3个相邻角度砂轮在打磨前后钢轨轨廓上的切线位置，单个打磨头的打磨量即为中间砂轮对应的打磨量。

打磨量计算方法采用微积分原理，将其微分成无数个细

图1 打磨前后钢轨轨廓

图2 打磨模式50#参数

图3 砂轮切点示意图

打磨后轨廓　

打磨前轨廓

打磨量

2 32 2

2 2

2 2 2

3

钢轨打磨量的分析计算 贾怀珍 等

4　结论

以GMC96型钢轨打磨列车为研究对象，采集多种钢轨打磨模式及打磨前后的钢轨轨廓数据，采用微积分方法计算打磨量；通过分弧计算平均打磨量，得到平均打磨量与角度的关系，砂轮倾斜角度越大，平均打磨量越大；通过分车分压力计算平均打磨量，得到平均打磨量与压力的关系，并且砂轮压力越大，平均打磨量越大，两者基本呈线性关系。研究结果可为GMC96型钢轨打磨列车打磨模式编制提供依据。

参考文献

[1] 赵凤德. 钢轨打磨列车国产化研制[J]. 铁道标准设

计，2010(5)

[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(1)[3] 贺振中. 国外钢轨打磨技术的应用与思考[J]. 中国 铁路，2000(9)[4] 曹垚鑫. 钢轨打磨列车打磨模式研究[D]. 北京：北 京交通大学，2011[5] 雷晓燕. 钢轨打磨原理及其应用[J]. 铁道工程学

报，2000(1)

责任编辑 葛化一收稿日期　2012-10-29

小矩形后做积分求和。微分后在打磨前的钢轨曲线上选取相邻两个点（点1和点2），在打磨后钢轨曲线上取对应两点（点3和点4），求出梯形面积。3.3 单个打磨头的平均打磨量计算

通过分析各种打磨模式，采用分弧和分车分压力方法计算砂轮平均打磨量。采用单个打磨头平均打磨量表征打磨量的特点和规律。3.3.1 分弧计算平均打磨量

按60 kg/m钢轨的R 13、R 80、R 300三个弧段，将打磨前后的钢轨轨廓分为3个区域（见图4）。设s 为各区域的面积（mm 2），n 为对应区域内打磨砂轮的数量（个），则单个砂轮的平均打磨量为s /n （mm 2/个）。计算出在打磨模式2#（打磨内侧）、打磨模式20#（打磨内侧和轨顶）、打磨模式32#（打磨内侧）和打磨模式34#（打磨内侧）工况下钢轨打磨前后轮廓的平均打磨量，得到砂轮倾斜角度越大打磨量越大的结论。

3.3.2　分车分压力计算平均打磨量

分析采集的打磨模式，得到打磨砂轮的压力F （以电机电流表征压力）范围为25～30 A，且同一节车的16个打磨砂轮打磨压力均相同。因此，按压力分区即按车分区。以打磨模式32#（打磨内侧）分车分压力计算打磨量为例，B车压力为25 A，C车压力为27 A，以93号和17号砂轮为分界线，对应的砂轮角度分别为-22.5°和-21.5°。

计算得到压力F 下打磨量s ，除以对应的打磨砂轮的个数n ，即可求得F 压力下单个打磨头的打磨量s /n 。通过计算采集的数据，得到统计规律图形（见图5）和结论：压力越大单个打磨头的打磨量越大，且基本呈线性关系。

图4 钢轨轨廓3个区域示意图

图5 不同压力下单个打磨头的打磨量

R 300区域　

R 80区域　

R 13区域打磨量

2 3

标准钢轨横断面轮廓曲线

2 2

2

2 3

打磨量/m m 2

0.50

0.45

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

25 26 27 28 29 30

电流/A