阴火线小半径曲线钢轨打磨工艺及效果分析

李海丽

中国神华能源股份有限公司轨道机械化维护分公司 河北沧州 062350

概述：晋神铁路公司阴火线地处晋西北地区河曲县境内，是山西、陕西、内蒙古三省交汇处煤炭物流的重要通道。包括沙泉站、高石涯站、刘元头站、火山站，全线约33公里，小半径曲线铺设的是包钢生产的60N U71MnG 17、18钢轨和60N U75VH 21 VⅢ，管内多为300-600m小半径曲线。多年来由于年运量大，钢轨伤损日趋严重，侧磨快、斜裂纹、剥离掉块、肥边、压溃等病害急剧增加，小半径曲线侧磨、肥边，速率增加约30％，严重影响了钢轨的使用寿命。神维分公司根据阴火线小半径曲线钢轨存在问题，利用MS-10C曲面打磨车制定打磨工艺，在尽量不影响运输行车组织和列车安全的前提下，对小半径曲线钢轨进行修理性打磨，取得了良好的效果。

关键词

阴火线；小半径曲线；MS-10C曲面打磨车；打磨工艺

1 影响小半径曲线钢轨寿命的原因分析

钢轨磨损和疲劳破坏是钢轨伤损的主要形式，是随着通过总重累积而发展的,钢轨表面的轮轨间蠕滑力是产生伤损的主要原因。日常运营线钢轨上经常看到的塑性流动、斜裂纹、剥离掉块、肥边皆由此引起。

图1.1

当车轮行进在曲线线路上时，轮缘与上股钢轨内侧接触，往往在轮缘根部和钢轨轨距角处会形成一个间隙，国际上通常用这个间隙的最大值来定义轮轨接触的贴合性。当最大间隙＞0.5mm时，称之为非贴合型两点接触；反之，则称之为贴合型两点接触。贴合型接触比非贴合型接触更有利于形成较大的转向力矩。曲线上股钢轨与车轮接触状态对轮轨界面剪切能的影响。轮轨界面上的剪切能是评估轮轨关系重要参数,它是接触区内轮轨蠕滑位移和蠕滑力的乘积。剪切能实际上是车轮在钢轨上滚动时所耗费的能量，或者说是轮轨界面蠕滑力（阻力）所做的功，蠕滑力越大说明轮轨接触时消耗的能量越多。贴合型轮轨接触的蠕滑力比非贴合型轮轨接触的蠕滑力小。另外，总剪切能总是随线路曲线半径的减小而增大。从磨损的角度看，在蠕滑较大的区域内一定伴随着钢轨表面磨损的增加。由于在上下股钢轨轨顶处的剪切能都比较小，因此轨顶处的磨损并不是钢轨破坏的主要形式。但是，在钢轨轨距角处剪切能在非贴合型接触时变得很大，所以钢轨内侧的磨损在非贴合型接触时高于贴合型接触时。

通过打磨钢轨可以保持车轮对钢轨的良好接触，从而减少过大的轮轨接触应力，而这些应力会使钢轨表面产生塑性流动及疲劳破坏，从而降低钢轨轨距角处的剪切能，还可以减小车轮作用于钢轨的横向力，这对于降低钢轨侧磨、减小轮轨伤损、改善轮轨关系、避免钢轨翻转和车轮脱轨，延长钢轨的使用寿命都具有十分重要的意义。

2 MS-10C曲面打磨车简介

2.1．MS-10C曲面打磨车1列；

图2-1 打磨车外概图

2.2.打磨车参数见下表2-1：

关键技术参数	内容	备注
外形尺寸（单位：mm）	17600mmX2200mmX3100mm	符合铁路限界
金属切削能力	0.1-0.3mm/遍	可根据需要调节
自运行速度	30km/h
作业速度	1-3km/h	可调
最小作业半径	20m
最大作业坡度	80‰	可支持半坡启动

表2-1打磨技术参数表

该设备的打磨原理示意图如图2-2：

图2-2 打磨原理示意

该设备共有两种打磨单元：分为B型打磨单元和G型打磨单元

B型打磨单元通过机械固定打磨头的偏转角度及切线角度，确保打磨头始终处于同一位置，打磨过程中可通过横移电机改变该打磨头的横移量，该打磨单元可高效消除钢轨肥边、剥离等病害。

G型打磨单元为双磨头联动的打磨单元，在一个平面内同时提升或下降；两个磨石相距约600mm,该打磨单元能有效消除600mm波长内的波磨病害。

3 小半径曲线钢轨打磨案例分析及工艺探讨

3.1阴火线小半径曲线钢轨病害情况

(1)病害现象：主要表现上股从直缓到圆缓区域:明显的肥边，而圆缓区域则会发展成侧磨，圆曲线的波磨、侧磨、压溃、斜裂纹，下股光带大于60mm、轨面伤损、剥离掉块、内外凸台（如图3.1-3.6）。

图3.1上股-波磨	图3.2上股-侧磨、压溃、斜裂纹	图3.3 上股-双光带

图3.4下股-擦伤	图3.5下股-光带大于60mm、轨面伤损	图3.6下股-剥离掉块、内外凸台

图3.7 钢轨断面角度分布图

3.2打磨策略及打磨参数选择

神维分公司针对小半径曲线钢轨的磨耗的独特性，结合线路调查的具体情况。使用便携式廓形仪（图3.8-1）对小半径曲线进行了分段测量，确定了以原始廓形60N为基准，以打磨前后廓形为对比，方便随时检验钢轨轨头廓形的状态，通过断面打磨的方式将顶面的轮轨接触区弧面半径调小，从而减少过大的轮轨接触应力，保持车轮对钢轨的良好接触，达到延长小半径曲线钢轨使用寿命的目的。而钢轨既有的伤损，是次要矛盾。解决了根源问题，伤损很难再发展和扩大。因此，当时的施工队伍——MS-10C曲面打磨列车作业人员，将首要考虑断面打磨，其次才考虑在打磨过程中兼顾消除和减轻钢轨既有伤损。即，先断面打磨，然后在期间使用修理性打磨思路。

根据这个思路，作业方设计了4个打磨模式（下股打磨模式为1#、2#,上股打磨模式为3#、4#）：

第一个模式是（设为1#）： 从外侧-15°至-5°（如图 3.7）安排35mm磨石，其余安排在5°至60°间均匀过渡，功率设为60%，速度1.5Km/h。这个模式主要是形成轨顶弧面，同时修理外侧凸台及轨距角的伤损。

第二个模式是（设为2#）：考虑到下股顶面裂纹和波磨，从外侧-15°至内侧10°安排60mm磨石，其余安排在内侧5°至60°间均匀过渡，C模块功率设为50%，速度1.5Km/h。

第三个模式是（设为3#）：考虑到上股圆缓区域的肥边和波磨，从外侧-15°至内侧10°安排60mm磨石，其余安排在内侧5°至60°间均匀过渡，功率设为60%，速度1.5Km/h。

第四个模式是（设为4#）：考虑到上股圆曲线区域侧磨磨耗严重，从外侧-15°至内侧10°安排60mm磨石，功率60%，进行修复廓形。考虑到内侧压溃和斜裂纹，需要进行抑制和预防，其余磨头安排在内侧5°至60°见均匀过渡，功率50%，速度1.5Km/h。

   针对小半径曲线的钢轨状态，选用这4种模式进行组合，基本能够达到设定的廓形。根据工务的现场指导，对不同的曲线病害存在的情况，采取不同的打磨模式。总言之，根据钢轨的伤损程度选择打磨遍数及施加打磨压力。

3.3打磨过程及结果

3.3.1小半径曲线上股打磨

图3.8  K19+940上股（肥边-侧磨发展区域；打磨前钢轨踏面）	图3.8-1  K19+940（打磨后钢轨踏面）
图 3.8-2  K19+942上股（红色为钢轨打磨前廓形，蓝色为原始廓形60N）	图3.8-3  K19+942上股（侧磨-钢轨打磨前踏面）
图3.8-4  K19+942上股（红色为钢轨打磨后廓形，蓝色为原始廓形60N）	图3.8-5  K19+942上股（钢轨打磨后踏面）

图3.8  K23+140上股 （波磨-钢轨打磨前踏面）	图3.8-1 K23+140上股（钢轨打磨后踏面）

3.3.2小半径曲线下股打磨

图3.9  K13+955下股（红色为打磨前廓形，兰色为钢轨原始廓形60N）	图3.9-1  K13+955下股（打磨前钢轨踏面）
图3.9-2  K13+955下股（打磨第一遍钢轨踏面）	图3.9-3  K13+955下股（打磨后钢轨踏面）
图3.9-4  K13+955下股（打磨后第一天光带）	图3.9-5  K13+955下股（打磨三周后光带，通过总重约80万吨）

图3.10  K18+345下股（红色为打磨前廓形，蓝色为原始廓形60N）	图3.10-1  K18+345下股（红色为打磨后廓形，蓝色为原始廓形60N）

4效果分析

通过对阴火线小半径曲线进行钢轨打磨，钢轨在运行3周后，通过总重约80万吨，（见图3.9-5）钢轨光带保持较为完整，没有继续产生裂纹和剥离掉块等钢轨伤损，波磨、肥边也得到有效控制。证明通过修复轨顶廓面形状，改善轮轨运行的接触关系，能起到很好的修正和预防重载铁路小半径曲线的钢轨病害，提高钢轨使用寿命的作用。
参考文献：
[1] 朔黄铁路小半径曲线轨道钢轨打磨目标型面研究[J]. 贾晋中;司道林.中国铁道科学,2014(04)

[2] 大准铁路小半径曲线钢轨打磨廓形及工艺研究[J]. 周杰;司道林;王树国;王璞.铁道建筑,2018(12)