堯輝明， 沈 鋼， 崔 巍

(1.同濟大學 鐵路與城市軌道交通研究院， 上海 201804； 2.上海軌平機電科技有限公司， 上海 200092)

經(jīng)過多年研究發(fā)現(xiàn)，地鐵曲線鋼軌波浪形磨損，縮短了鋼軌自身壽命；增加了養(yǎng)護工作量與養(yǎng)護成本；降低了車輛運行品質(zhì)和旅客舒適度;干擾了鐵路車輛正常運行；大大縮短了車輛部分零部件的使用時間;嚴重時甚至影響列車運行安全.

作為修復和預防鋼軌波浪形磨耗的措施之一，鋼軌打磨技術(shù)能明顯延長鋼軌壽命，避免大規(guī)模更換鋼軌，改善行車平穩(wěn)性和安全性[1-4].打磨與使用摩擦控制器來控制波磨的形成不同，鋼軌打磨能人為改善輪軌接觸的幾何關系，優(yōu)化其型面匹配，達到提高動力學，降低磨損速率的特點.在北美，美國鐵路聯(lián)盟和運輸技術(shù)中心在打磨方面做了很多工作[5]，加拿大地面運輸研究中心[6]也對打磨目標進行了說明.此外，澳大利亞、日本、法國、德國、瑞典等國[4-7]都采用鋼軌打磨來緩解鋼軌波浪形磨損的形成.匈牙利Bosch[8]和Takács等[9]使用以控制輪軌噪聲為基準的打磨方案.澳大利亞Zarembski[10]采用曲線段非對稱打磨方式，使曲線外軌接觸光帶由軌頂面向軌距內(nèi)側(cè)移動，而內(nèi)軌接觸帶向外軌角移動.此外日本Anami[11]和Ishida等[12]根據(jù)運行載荷百萬噸(MGT)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來規(guī)定打磨間隔.

作者前期對曲線鋼軌的波浪形磨耗形成機理進行了深入的研究，設計了小比例滾動試驗臺并提出了新的波磨形成機理推理理論[13].

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，地鐵小半徑曲線的波磨多見于曲線的內(nèi)軌或外軌軌頂，有時也在內(nèi)外軌同時發(fā)生.由于車輛和軌道系統(tǒng)性問題，只要車輛走行部的工作方式不改變，那么曲線鋼軌的波磨就不可避免.又由于隧道內(nèi)部難以采用摩擦控制技術(shù)，只有進行經(jīng)常性的小幅度打磨才能解決波磨對車輛和軌道的傷害.如果在早期，即波磨深度為0.1 mm左右即開始精確修復，則能夠大幅降低地鐵彎道波磨的發(fā)展速度，延長鋼軌使用壽命，減小車輛的振動和噪聲.為此，本文提出了一種新的針對地鐵短波波磨的基于多砂輪基準線的打磨方法，研制了高效率便攜式自動化地鐵曲線鋼軌多輪組打磨裝備[14-15]，并在上海地鐵2號線上多個區(qū)間多次進行了打磨試驗、振動測試和打磨治理作業(yè)，取得了良好的效果.

1 現(xiàn)有波磨打磨方法的特點和局限性

國內(nèi)現(xiàn)有城市軌道交通通常采用的鋼軌打磨車如圖1所示，稱為多磨頭廓型打磨列車，可用來消除鋼軌表面缺陷，修正軌頭輪廓，也可以對短波波磨進行一定的治理.

圖1 國內(nèi)現(xiàn)有進口鋼軌打磨車

然而，該鋼軌打磨列車成本高，操作復雜，對于指定位置的鋼軌波磨難以做到及時處理.目前，由于國內(nèi)還沒有一套自動化程度高，操作簡便，成本低，安裝運輸方便的地鐵打磨設備，因此在一定程度上阻礙了我國城市軌道交通的運行質(zhì)量和經(jīng)濟性.

由于技術(shù)原因，國內(nèi)外地鐵大都采用干線鐵路的大型打磨車，只是將磨頭控制在20個以下.但這種傳統(tǒng)的技術(shù)并不是為打曲線波磨而設計的，因此暴露出以下諸多不足：

(1) 磨頭獨立控制，采用壓力反饋是不合適的.因為鋼軌的波磨打磨是幾何目標，若壓力控制頻率響應高的話，則高點低點均會被磨掉，這樣對波磨打磨毫無意義.目前大都采用液壓進給延遲技術(shù)讓磨頭反應遲鈍，使波磨的高點比低點磨得多，但這個有波長選擇問題，也存在打磨精度問題，是一個不得已的折中辦法.

(2) 不同角度的磨頭縱向磨削鋼軌對于僅打磨波磨是不合適的.首先波磨軌并不一定要做軌廓校正，僅希望將波磨消除，即將整個軌廓在垂向同步下沉.因此這種打磨方法會將鋼軌切成多棱角狀，使表面更加粗糙，造成內(nèi)軌軌頂?shù)臅簳r嚴重粗糙，增大對外軌的橫向作用力，也增大了外軌的側(cè)磨和脫軌的傾向，形成新的軌頂疲勞源.

(3) 打磨車輛編組最少也有兩節(jié)，采用內(nèi)燃機車為動力，規(guī)模大，不適合用于空間有限的地下隧道.

(4) 打磨車需要從線路的一段進入，到達打磨點需要開行一段路程，對于有限作業(yè)天窗的地鐵也是浪費的.有的線路不一定相連，也難以將打磨車靈活調(diào)配.

(5) 打磨車成本高、設備折舊費用高、管理成本也高，并且需要較高水平的熟練操作技術(shù)工，對于地鐵線路上僅存在3～4處的幾百米波磨來說使用成本過于昂貴且不便.

(6) 目前國內(nèi)鐵路線路波浪型磨損修復主要為被動修復，即出現(xiàn)問題后并不立即進行打磨而是定期對鋼軌進行打磨，打磨采用大型打磨車，打磨一次耗費人力物力巨大，有的地方甚至因無打磨設備而采用更換鋼軌的辦法.

2 基于多砂輪基準線的打磨方法

鑒于現(xiàn)有鋼軌波磨打磨的現(xiàn)狀和局限性，本文提出一種基于多砂輪基準線的打磨方法，其基本原理示意圖如圖2所示.

圖2 基于多砂輪基準線的波磨打磨示意圖

Fig.2 Corrugation grinding based on reference axis of multi grinding wheels

該方法以多個砂輪組成的基準線為打磨基準，多個砂輪安裝在一個固定支架上，支架由具有驅(qū)動機構(gòu)的小車拖動在鋼軌上水平縱向行進.打磨基準線可以上下調(diào)整用以控制打磨切削量，可以設計機構(gòu)精確控制基準線的上下位移量.具體操作使用過程中可根據(jù)磨頭的切削力、切削強度、鋼軌波磨的深度和鋼軌材質(zhì)的硬度等適當調(diào)整基準線控制打磨量.該打磨方式采用較精確的幾何打磨量控制，而不是傳統(tǒng)大型打磨車的壓力反饋控制.砂輪磨頭繞橫向水平軸旋轉(zhuǎn)，相鄰磨頭旋轉(zhuǎn)方向可設置為相對旋轉(zhuǎn)，用以抵消磨頭切削鋼軌時對小車運行的干擾.磨石的輪廓廓形與鋼軌軌頭廓形一致，如圖3所示.

圖3 仿形砂輪磨頭示意圖

砂輪磨頭的廓形經(jīng)過短時間的打磨會與鋼軌的廓形更加貼合，使用舊磨頭打磨另一未打磨線路時，對鋼軌的打磨損傷更小.

此波磨打磨方法具有以下特點：①用多磨頭組成打磨基準線，可以有效實現(xiàn)僅打磨高區(qū)材料，不打磨低區(qū)材料的目的，也提高了打磨精度和效率；②磨頭繞橫向水平軸旋轉(zhuǎn)，磨石廓型與鋼軌軌頂一致，可以打磨出原軌廓鋼軌，減少打磨量，保持軌頂圓順光滑；③可以大大降低波磨打磨裝置價格，預計是現(xiàn)有20磨頭打磨車造價的1/10以下；④基于此打磨方法原理設計的便攜式多磨頭小型打磨設備，可靈活進入地鐵曲線波磨區(qū)段進行針對性主動波磨打磨修復；⑤可個性化實現(xiàn)鋼軌波磨打磨專用技術(shù)參數(shù)，實現(xiàn)高精確化主動打磨.

3 便攜式打磨裝置的研制

根據(jù)多砂輪基準線的波磨打磨方法，研制開發(fā)了針對地鐵曲線單鋼軌軌面不平順的輕便式鋼軌波磨打磨機，該打磨機結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、可現(xiàn)場拆解組裝，操作自動化程度高.圖4、圖5為所研制的便攜式波磨打磨裝置機械結(jié)構(gòu)設計圖和實物照片.

圖4 便攜式自動化多輪組曲線鋼軌波磨打磨機設計圖

波磨打磨機主要結(jié)構(gòu)組成包括承載裝置、絲桿伺服給定調(diào)節(jié)裝置、夾緊裝置、打磨裝置及導向走行裝置.承載裝置主要包括打磨機構(gòu)架、支架，打磨機構(gòu)架和支架用于承載重物和支撐.絲桿伺服給定調(diào)節(jié)裝置主要包含前后砂輪打磨深度和力的自動程序給定，由手持控制器手動操作給定或可編程控制器(PLC)自動設置給定.

圖5 多輪組鋼軌波磨打磨機實物

整個打磨機在水平面上成丁字形結(jié)構(gòu)，長邊即打磨側(cè)總長為1 800 mm，橫向?qū)挾葹? 600 mm，高度為700 mm，縱向有效打磨長度為1 530 mm；便攜式設計為打磨機機械設計的主要設計目標之一，總重約140 kg，實際打磨過程中可將打磨機拆解成5大部分，最大組件重量為60 kg，便于運送至打磨區(qū)段進行組裝打磨.表1為打磨機的主要參數(shù).

表1 打磨機參數(shù)

打磨機的走行驅(qū)動機構(gòu)為前后驅(qū)動走行，并有導向輪和夾緊機構(gòu)進行導向便于通過曲線，整體打磨機有效打磨長度為1 530 mm，在曲線段打磨時為近似直線打磨，因此該打磨機能有效地對鋼軌曲線段波磨進行打磨.

打磨機采用PLC(programmable logic controller)實現(xiàn)對伺服電機、打磨交流電機和行走交流電機的底層數(shù)據(jù)控制、速度控制和行走方向速度等的硬件層控制，通過手持式控制器實現(xiàn)用戶的操控界面交互控制、程序化打磨控制、數(shù)據(jù)圖表過程顯示和打磨步驟操作等功能.

4 現(xiàn)場試驗驗證及動力學測試

針對上海地鐵進行曲線鋼軌波磨控制打磨工程試驗.上海地鐵經(jīng)過長時間的運行，在多條線路上已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度上的波磨，多半波磨位于小半徑曲線鋼軌上，以上海地鐵2號線和8號線出現(xiàn)的波磨損傷危害較為典型.

上海地鐵2號線虹橋站至徐涇東區(qū)間出現(xiàn)了多段波磨，乘客反映在此區(qū)間乘坐時車廂內(nèi)會出現(xiàn)嘯叫聲和強噪聲.通過與上海地鐵工務公司技術(shù)人員溝通與協(xié)調(diào)，決定采用本文研制的第三代多輪組自動化波磨打磨機進行線路的打磨試驗.打磨施工前，對上海地鐵2號線徐涇東—虹橋站區(qū)間進行振動測試和曲線鋼軌波磨測量調(diào)研，并且對上海工務公司的工作人員進行人員施工培訓.

4.1 打磨前振動測試和波磨測量的調(diào)研

本文采用添乘測量的方式對在徐涇東—虹橋站區(qū)間以及虹橋站—徐涇東區(qū)間的車輛振動和噪聲情況進行測試，現(xiàn)場測試照片如圖6所示.

圖6 虹橋站—徐涇東車廂添乘測試

Fig.6Online test from Hongqiao Station to Xujingdong Station

添乘和振動測試發(fā)現(xiàn)，徐涇東至虹橋站及虹橋站至徐涇東區(qū)間內(nèi)車輛在通過曲線時出現(xiàn)了較強的噪聲，車廂振動出現(xiàn)了明顯的異常，尤其是虹橋站至徐涇東下行線段甚至出現(xiàn)了非常刺耳的嘯叫聲，大致判定異常振動在虹橋站出站100～200 m處.所測試的噪聲波形及振動波形如圖7所示.

由圖7a可以看出，車輛從上海虹橋站駛出，行駛至40～55 s區(qū)間，振動和噪聲較大，并在48 s左右出現(xiàn)了輪軌刺耳嘯叫聲，此時的振動幅度也較大，如圖7b所示.圖7c為振動全局頻譜分析，可見振動的主要頻率成分在100～300 Hz左右.

a 區(qū)間全程噪聲波形

b 區(qū)間車廂振動加速度波形

c 車廂振動全局頻譜分析

d 打磨前所測K1+410處鋼軌波磨

對打磨現(xiàn)場情況進行了打磨前的查看和測量.在K1+223曲線外軌處發(fā)現(xiàn)波磨，肉眼可見.通過激光波磨測量儀可知其波深約0.2 mm，波長約50～70 mm，如圖7d所示.

4.2 曲線鋼軌打磨試驗過程

打磨機可拆成4部分運抵至地鐵車站組裝，組裝過程需約30 min左右，后推行至指定打磨位置.供電采用地鐵線路用電.作業(yè)過程如操作熟練一般2～3 h可以對曲線線路40～50 m區(qū)間進行約0.2 mm左右的打磨.

打磨過程中，多輪組自動化打磨設備能自行在鋼軌上驅(qū)動行走，并能通過手動遙控操作臺控制打磨機的前后運行、前后打磨輪的垂直給定、打磨復位和異常處置等操作.操作過程需根據(jù)打磨深度和經(jīng)驗值判定需給定的打磨給定量，并且應根據(jù)打磨過程出現(xiàn)的火花大小，隨時調(diào)節(jié)給定.應防止打磨車出現(xiàn)停止走行的現(xiàn)象，如發(fā)生停止走行將導致鋼軌出現(xiàn)打磨損傷.圖8所示為曲線段波磨鋼軌打磨前后的對比.打磨后，鋼軌的高點被打平，打磨效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)打磨機.

a 未打磨鋼軌

b 已打磨鋼軌

4.3 打磨前后測量結(jié)果比較分析

打磨后利用同樣的聲學傳感器和振動加速度傳感器在同一區(qū)間進行了測量，發(fā)現(xiàn)車輛在該區(qū)段的運行噪聲和振動明顯降低了很多，48 s附近打磨前出現(xiàn)的嘯叫聲也基本消除，如圖9所示.

由于采用添乘測量，記錄數(shù)據(jù)的起始點只能以列車發(fā)車的時間點為記錄數(shù)據(jù)起始點，加上打磨前后列車運行時的列車速度存在差異，因此造成數(shù)據(jù)點的絕對位置在打磨前后難以保持同步，所以從圖10可看出，打磨前后的最大幅值點存在縱向上的時移，但通過分析振動幅值的最大值明顯可以看出，車輛在打磨前的振動幅度最大值顯著較大，打磨后這一時間段振動幅度最大值明顯降低，整體打磨后的振動數(shù)據(jù)也較平穩(wěn).

如圖11所示，打磨后的鋼軌波浪形磨耗基本控制在0.1 mm以下，打磨前最大波磨為0.15 mm左右，打磨后的最大波磨幅度在0.04、0.05和0.07 mm左右，打磨后的鋼軌波幅大幅下降，且波浪周期性不明顯.

打磨試驗驗證了多輪組打磨機在治理曲線波磨方面的實際打磨效果，打磨效率較現(xiàn)有的設備高.通過對地鐵施工人員的培訓及現(xiàn)場人員的實際操作，驗證了設備使用上的易操作性和實用性.

通過振動加速度測試和聲學測試，經(jīng)過多輪組打磨機打磨治理后，車輛的運行條件明顯改善，輪軌振動幅值和聲學噪聲明顯降低，減少了對車輛的運行的損傷.同時驗證了多輪組打磨機在連續(xù)打磨作業(yè)中，能保證波磨的消除，且打磨后鋼軌外形基本保持不變；所需的打磨量與傳統(tǒng)多磨頭大型打磨車或洗磨車相比要小得多，對鋼軌的損傷也要小得多.

a 打磨前聲學波形數(shù)據(jù)

b 打磨后聲學波形數(shù)據(jù)

a 打磨前振動加速度波形數(shù)據(jù)

b 打磨后振動加速度波形數(shù)據(jù)

a 打磨前鋼軌波磨(最大為0.15 mm)

b 打磨后鋼軌波磨(最大為0.07 mm)

5 結(jié)論

本文提出了基于多砂輪基準線的波磨打磨方法，并在此基礎之上進行了便攜式自動化曲線鋼軌打磨裝置的研制，進行了打磨裝置的現(xiàn)場工程試驗和測試.試驗結(jié)果表明，使用所研發(fā)打磨機進行治理的曲線鋼軌波磨區(qū)段的異常振動和嘯叫聲明顯消失，打磨后車廂振動明顯降低，噪聲明顯減弱.

作者研發(fā)的曲線鋼軌的主動修復技術(shù)和專用打磨設備，能有效地降低波磨的發(fā)展速度,延長鋼軌的使用壽命，大大提高地鐵車輛運行品質(zhì)，有效保護車輛本身的各大重要零部件，減少車輛維修和維護保養(yǎng)工作量.由于提高了線路和車輛的使用壽命，擴大了產(chǎn)生經(jīng)濟效益的運營時間，可為地鐵運營單位帶來可觀的經(jīng)濟效益，另一方面也可大大節(jié)省運營維護成本，間接提升產(chǎn)值.