高速铁路钢轨预打磨技术

高速铁路钢轨预打磨技术

以开行CRH380A高速动车组为标志、时速高达350公里的高速铁路，不仅对轨道几何尺寸提出了很高要求，而且对钢轨轨面状态和轨头轮廓提出了极高要求。由于钢轨在制造、运输、焊接、铺设等环节存在难以避免的缺陷或病害，新铺设钢轨难以完全适应动车组高速平稳运行要求，轴向加速度、减载率、动力学指标无法有效控制，人体感觉有晃车、抖动等不良反应，严重影响列车运行品质，甚至威胁高速行车安全。2010年，上海客专维修基地精心组织、全力以赴，以最快速度消化吸收新型引进装备--PMC-96C钢轨打磨车设备技术，联合铁道部科学研究院、同济大学和设备制造商美国HTT 公司，分析研究高速铁路轮轨接触病害，科学试验作业效果，攻克打磨作业技术关键，在全路率先成功运用96头钢轨打磨车实施高速铁路钢轨预打磨，出色完成沪杭、沪宁城际高铁和京沪高铁先导段打磨任务，取得很好效果。

一、高速铁路轮轨接触病害分析

早在2010年我国武广高速铁路试运行期间，曾发生连续晃车报警致动车组自动停车。3月初，铁道部高速技术组在组织调研动车晃车原因分析时，发现除钢轨顶面正常轮轨接触光带外，钢轨内侧圆弧角处也出现明显接触光带，形成轮轨之间在同一钢轨断面的两处接触，即“双光带”，其表现形式或连续、或间断、或单侧、或双侧，这种“双光带”问题在我局先期开通运营的沪宁城际高铁也普

遍存在，是造成动车晃车的重要原因。

法国高速铁路铺设UIC60标准钢轨，设计轨底坡为1:20。我国高速铁路铺设U71MnK标准钢轨，钢轨轮廓与UIC60标准钢轨相同，但设计轨底坡1:40，与我国铁路普通既有线一致。显而易见，与1:20轨底坡设计相比，1:40的轨底坡减少了钢轨内倾幅度，钢轨内侧圆弧角相对抬高了0.9mm，这是导致其与车轮轮缘之间构成不良接触的结构性原因。为此，同样采用1:40轨底坡设计的德国高铁，于2003年起铺设修正轨廓的60E2型钢轨。

当然，如果改变轨底坡设计，必须改动轨下基础即轨道版或轨枕设计，对已经开通运营的数千公里高速铁路来说，不但影响巨大，而且即使改变成1:20轨底坡，也很可能导致钢轨外侧过高，轮轨接触光带外移，显然也不能保证最佳轮轨关系，同样可能影响动车组平稳运行。因此，保留1:40轨底坡设计不变，在高速铁路精调以后开通运营之前，通过钢轨打磨，即高速铁路钢轨预打磨，“修正”（实际上是“改变”）钢轨轮廓，是消除轮轨接触病害，实现良好轮轨关系的唯一途径。这可能意味着，要利用打磨车“制造”出中国高铁的60E2钢轨。

此外，钢轨制造、运输、铺设施工中无法避免的断面轮廓尺寸误差、轨面不平顺、轨头扭曲变形，尤其是焊接接头对轨错牙、扭曲、打磨质量难以控制等产生的局部不平顺和前后相邻轨顶面连续性不良，均在不同程度上加剧影响动车组运行品质，表现为晃车、抖动等人体感觉不良和水加、垂加等动态指标不佳，也需要通过钢

轨预打磨解决。

二、高速铁路钢轨预打磨目标轮廓设计

根据以上分析，我国高速铁路要求的钢轨轮廓，无疑只能通过钢轨预打磨实现。为此，铁道部科学研究院经过分析论证和仿真计算，针对我国高速铁路运行的I型、II型和V型三种动车组车轮断面，在《高速铁路钢轨维修实施细则》（暂行）中提出对应的三种钢轨预打磨断面轮廓标准。三种钢轨轮廓断面与我国标准钢轨轮廓之间在内侧圆弧角区域存在明显差异，内侧圆弧角区域需要更大的切削量，以避免其与车轮轮缘的不良接触。

为保证通过钢轨预打磨实现高速铁路良好的轮轨关系，上海客专基地组织专题研究，确定以“轮轨接触光带集中且居中”为原则，以铁科院提出的三种轮廓标准为基础，根据上海局城际高铁运行动车组种类，选择主型动车组对应的钢轨轮廓要求为主要对象，综合考虑其他型号动车组和钢轨原始缺陷、病害打磨要求，研究提出钢轨预打磨目标轮廓设计（见图1）。

图1：高速铁路钢轨预打磨目标轨廓

这一目标轮廓，首先保证0.4mm顶面基本切削量，以消除钢轨表面脱碳层、细小裂纹和焊接接头不平顺；重要的是，在内侧圆弧角处1.2mm的大切削量设计，可以有效消除钢轨制造、运输、铺设、焊接过程中产生的局部扭曲变形，避免钢轨内侧圆弧角与车轮轮缘间的非正常轮轨接触，彻底破坏形成“双光带”所需的必要条件；与此同时，外侧0.5mm的较大切削量，有利于轮轨接触区域更加集中且居中，可避免光带外移。经请示铁科院专家认可后，正式确定为我局高铁钢轨预打磨目标轮廓。

三、高速铁路钢轨预打磨模式

96头钢轨打磨车是铁道部“十一五”计划引进的新型高效打磨设备，作业时打磨车保持一定速度前进，作业系统装备的96个打磨电机，驱动砂轮高速旋转磨削钢轨。鉴于高速铁路钢轨打磨的特殊要求，设备制造商美国HTT公司并没有现成的打磨技术和施工经验。

为此， HTT公司设计部门进行了仿真计算，按两遍打磨模式，提出砂轮布置、角度设定、电机功率、作业速度等参数组合设计方案。为验证方案的实际效果，基地专门在浦东铁路新线安排作业试验，以尽量保证与高铁打磨原始轨廓一致的作业工况。经同济大学交通运输工程学院专家教授轨廓测试仪现场测试，切削量和轨廓断面并不能完全满足目标要求。经过技术分析，多次试验改进方案，修正作业参数组合，终于使作业效果符合目标轨廓和切削量要求。9月初，正值沪杭城际高铁开通前夕，上海客专基地96头新打磨车上道试生产，就率先全路直接投入高铁钢轨预打磨施工。

但是，由于高铁与既有线钢轨存在一定的硬度差异，高铁施工期间，继续跟踪测试实际打磨作业效果是必要的。外侧切削量不足，内侧轨廓变化斜率过大、最大切削量位置内偏、光带略为偏宽等不足，通过进一步参数调整最后都得以圆满解决，最终确定的高速铁路钢轨预打磨作业模式、参数最佳组合为：

打磨2遍，作业速度18km/h，电机功率60～75%。

第一遍轨廓模式：砂轮角度从内侧59°到内侧3°、外侧3°到外侧9°。

第二遍顶面模式：砂轮角度从内侧24°到外侧10°。

四、高速铁路钢轨预打磨作业效果

上海客专基地96头打磨车按照这一模式作业，实现了轨顶面0.4mm、外侧0.5mm、内侧圆弧角1.2mm切削量要求和目标轨廓设计要求，光带集中、位置居中（略偏内侧），宽度20～25mm，内侧距钢轨作用边22～25mm，外侧距钢轨外侧25～27mm。

自2010年9月上道以来至2011年5月，该打磨车已安全优质连续完成沪杭、沪宁城际高铁和京沪高铁先导段及其蚌埠南至虹桥全部上下行线路共计1646km高铁钢轨预打磨任务，最高日进度达38km，为我国铁路在沪杭城际和京沪高铁先导段连续创造416.8和486.1km/h运营铁路行车速度世界纪录做出了重要贡献。

京沪高铁先导段动检车测试结果显示，钢轨预打磨后轨道动力学指标得到明显改善，轴向加速度、减载率峰值明显下降；同时，人体晃车、抖动等感觉不良处所大幅度减少，动车运行品质明显提