城市轨道交通新轨预打磨效果及轨面不平顺分析

Analysis of pre grinding effect and rail surface irregularity of subway track

李钰 1

1. 
   

2. 上海建科工程咨询有限公司，1990，女，工程师，上海 200300）

Yu Li¹

（1. Shanghai Jianke Engineering Consulting Co., Ltd , 1990 , Engineer, Shanghai）

摘要：随着当前我国城市轨道交通建设快速发展，对新建线路的品质提升要求越来越高。钢轨预打磨在我国的高速铁路已经得到了广泛应用，而在城市轨道交通建设中，钢轨预打磨尚未展开深入分析，亦未在工程实践中大量采用。本文以某地城市轨道交通为样本，发现新轨上道后的轮轨接触关系较差，轨面容易产生明显波纹现象。通过对实施预打磨作业的钢轨进行调研，借鉴国内外在钢轨平顺性方面的评价方法，对预打磨后的钢轨不平顺进行分析，发现新轨预打磨对提高轨面平顺性、改善轮轨接触具有非常积极的效果。

关键词：城市轨道交通；钢轨预打磨；轨面不平顺；轮轨接触

Abstract: With the rapid development of urban rail transit construction in China, the quality improvement requirements of new lines are higher and higher. Rail pre-grinding has been widely used in China's high-speed railway. However, in the construction of urban rail transit, rail pre-grinding has not been deeply analyzed and widely used in engineering practice. Taking an urban rail transit as a sample, it is found that the wheel rail contact relationship is poor after the new rail on the track, and the rail surface is easy to produce obvious corrugation. Based on the investigation of the rails that have been pre-polished and the evaluation methods of rail smoothness at home and abroad, the rail irregularity after pre-grinding is analyzed. It is found that the new rail pre-grinding has a very positive effect on improving the rail surface smoothness and wheel rail contact.

Keywords: Urban rail transit; Rail pre-grinding; Rail surface irregularity; Wheel-rail contact

中图分类号: U213.9

0 引言

城市轨道交通受场地条件所限，施工难度大，极易造成线路的初始不平顺。一方面，城市轨道交通主要是无缝线路，无缝线路具有大量的焊接接头，焊接接头的质量好坏将直接影响到钢轨平顺与否，焊接接头处是无缝线路最薄弱的环节之一^[1]。另一方面，城市轨道交通设计轨底坡通常为1:40，钢轨内侧圆弧角相对抬高0.9mm，这些因素均会导致轮轨间的不良接触^[2]。这种不良接触在线路开通运营后将引起轮轨接触应力过大，甚至远超过钢轨容许应力，将会很容易引起钢轨擦伤乃至造成波浪形不平顺。

钢轨预打磨可有效解决钢轨焊接接头的不平顺，形成与轮对匹配的钢轨廓形^[3]，促使钢轨不平顺度降低，大大减小对应频率处的噪声^[4]，不仅提高了城市轨道交通线路开通初期的运营品质，而且节约后期车辆与轨道养护成本。

1国内外研究现状

20世纪90年代，北美的铁路公司首先提出钢轨预打磨这一措施以保持钢轨型面和降低钢轨疲劳^[5]。自2014年，钢轨预打磨开始在我国的高速铁路逐渐得到广泛应用^[6]。王庆方研究了沪宁高铁预打磨后钢轨表面光带的变化，发现预打磨可以修正光带的位置，改善轮轨关系^[7]。张聪聪等人通过仿真分析和现场实测，对高铁钢轨预打磨的效果、伤损和发展特征进行了分析^[8]。

城市轨道交通影响钢轨质量的因素多且复杂，轨交本身具有行车密集、多曲线、小曲线半径、多减振地段等特点

^[9-10]，因此轨交对钢轨打磨的需求越来越高。李克飞等人在2019年从理论上提出了针对时速160km/h以下的城市轨道交通钢构预打磨技术要求及验收标准^[11]。作为较早开展城市轨道交通钢轨预打磨的城市，广州1、2号线均实施了钢轨预打磨，实践发现，预打磨后的钢轨光带更加稳定，轨面均匀无瑕疵；轮轨磨合期大大缩短，减少了磨合期内轮轨的磨耗^[12]。

但是目前城市轨道交通中运用新轨预打磨技术的必要性仍然没有形成共识，对其在城市轨道交通中的实际效果也没有形成系统性的结论。本文通过对部分已经应用新轨预打磨技术的城市轨道交通进行调研，追踪比较同一地段进行预打磨与未进行预打磨的钢轨状态，并对预打磨后的钢轨从多维度进行量化评估，分析钢轨预打磨在城市轨道交通中的实际效果。

2轨道交通新轨预打磨的方法

在G市轨道交通14号线进行预打磨作业前，对该市未采取预打磨作业的线路，在开通运营6个月后进行钢轨状态进行跟踪测量。结果表明，曲线地段钢轨轨面如图1所示出现明显波磨，波磨深度最深处达到约0.05mm；直线地段轨面甚至出现了“双光带”。这说明未经打磨的钢轨与车轮踏面之间存在着轮轨接触不良，不利于城市轨道交通的安全、平稳运行。钢轨预打磨是改善轮轨关系的有效手段之一，对打磨方法和打磨后的钢轨状态进行研究可以为预打磨作业提供较好的技术支撑。

(1)未打磨钢轨波磨超限测量结果 （2）未打磨钢轨表面波磨

图1.未打磨钢轨波磨超限测量与现场状态

2.1选取打磨廓形

打磨廓形是指导打磨机进行预打磨的依据，不同的打磨廓形将导致不同的轮轨接触位置，直接影响到钢轨的磨耗和变形。新轨预打磨一般有3种廓形方案，分别是标准轨廓形方案、小改廓形方案和大改廓形方案。三种方案的特点如表1所示：

表1 预打磨廓形方案

选取钢轨预打磨的廓形应遵循以下原则，包括：a.消除钢轨初始缺陷；b.钢轨打磨尽量不改变轮轨的接触形态；c.钢轨打磨的廓形断面尽可能降低金属磨削量，以保障钢轨寿命，并节省打磨费用。通过以上打磨原则，对线路钢轨进行打磨试验，选取标准轨廓形作为预打磨廓形。

2.2确定打磨深度

打磨深度是消除表面脱碳层、表面微小伤损和轨面不平顺的关键因素。国外铁路新轨预打磨的打磨量为0.2~0.3mm；我国高速铁路新轨预打磨的打磨量为0.2~0.5mm，其中，轨头非工作边处的打磨量应大于0.2mm，轮轨主要接触部位的打磨量应大于0.3mm。考虑到城市轨道交通小半径曲线多、列车速度快、重量轻等特点，钢轨磨耗速度较快，一般新轨预打磨的深度为0.1mm。

2.3钢轨表面硬度及粗糙度

李 克飞研究表明城市轨道交通钢轨预打磨后钢轨表面粗糙度不大于10μm，钢轨表面硬度应满足其母材的硬度要求。

G市轨道交通14号线的预打磨里程达84.86公里，共打磨12遍，单次打磨总量达1017.8公里，磨削量为0.1mm。预打磨作业3个月后，钢轨打磨后光带位置如图2所示，轮轨接触的光带集中，且位置居中、略偏内侧，宽度为20~ 25mm，满足安全运营的要求。

本次钢轨预打磨工作完成后，选取典型区段的线路，对线路上实施预打磨前后的关键指标进行抽样测试，对钢轨预打磨质量进行量化评估。部分评估项目结果如表2所示。

表2 预打磨廓形方案

3.钢轨预打磨前后轨面不平顺状态分析

3.1不平顺(粗糙度)水平的计算

轨面不平顺可采用粗糙度公式进行计算：

^[13]

式中：Lr为粗糙度水平，dB；r为轨面不平顺的均方根，μm；r₀为参考值，取1μm。

3.2轨面不平顺的评价

现阶段，国内对轨面不平顺的评价尚无定论，本文借鉴EN13231-3:2006中的验收标准对轨面不平顺进行评价。如表3所示：

表3 EN13231-3:2006钢轨打磨、铣削和轨道规划作业验收标准的波长范围及限值

3.3钢轨预打磨的效果分析

对预打磨作业完成3个月后的线路进行跟踪测量，每5公里选取100m范围为测量区段，得出测试区段的打磨前后的钢轨表面峰峰值移动平均值。选取10~30mm、30~100mm、100~300mm、300~1000mm这 4段不同波长范围，分别对左、右轨的钢轨表面峰峰值移动平均值的超限情况进行分析，如表4、表5所示。

表4.左轨打磨前后峰峰值移动平均值超限统计

表5.右轨打磨前后峰峰值移动平均值超限统计

由统计结果可知：

（1）对左轨进行分析，打磨前，300~1000mm波长段超限率为9%；打磨后，100~300mm波长段超限率降为1%，其余10~30mm、30~100mm、300~1000mm波长段超限率均降至0%。

（2）对右轨进行分析，打磨前，100~300mm波长段超限率为7%，300~1000mm波长段超限率达到16%；打磨后100~300mm、300~1000mm波长段钢轨超限率均降低至1%，10~30mm、30~100mm波长段钢轨超限率均降低至0%。

（3）通过4段不同波长范围内左、右双轨打磨前后峰峰值移动平均值超限分析可知，钢轨打磨大大降低了各个波长段钢轨表面峰峰值移动平均值的超限率，钢轨打磨效果显著。

4小结

钢轨预打磨是解决城市轨道交通新铺设钢轨初始不平顺及钢轨波磨等病害的有效方法。通过分析城市轨道交通新轨预打磨之后轨面光带变化、钢轨打磨前后不平顺及轨面峰峰值移动平均值超限比例，可以得出如下结论：

（1）钢轨预打磨不仅可以优化钢轨表面廓形，且能修正光带的位置，有效改善轮轨接触关系；

（2）钢轨预打磨可以消除轨顶脱碳层，同时对于运营阶段造成的缺陷也有显著的修复效果；

（3）钢轨预打磨可以显著缓解轨面不平顺及峰峰值超限率，有助于延长钢轨波磨维修周期。

综合以上优点，应加大新轨预打磨技术在城市轨道交通中的应用，并对预打磨的廓形设计、预打磨的质量管理做进一步研究。

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