高速铁路轨道不平顺及曲面打磨技术处治效果研究

摘要：以贵广高铁榕江站为研究对象，总结站线及道岔存在的病害，并基于有限元软件，分析4种工况下车辆横向及垂向加速度、脱轨系数的变化规律，比较2种轨道不平顺处治措施。选取曲面打磨技术对蓉江站6#岔进行处治，从打磨廓形、粗糙度和表面质量、动态指标对打磨效果进行评价。研究结果表明：曲面打磨技术优于平面打磨技术，经曲面打磨后的蓉江站6#岔均由不合格变为优良，表面粗糙度不大于3μm，动态轨道质量指数均值上行达1.88，下行达1.80，均满足要求。

关键词：轨道不平顺；曲面打磨；数值模拟；处治效果

0" "引言

道岔具有结构复杂、使用寿命短、维修养护投入大等特点，一直以来是线路的薄弱环节[1]。高速铁路道岔暴露的问题，主要表现为动车组直向过岔稳定性下降诱发晃车、构架横向加速度报警等异常振动，以及道岔伤损导致钢轨使用寿命下降等方面，极大影响了铁路运输的安全性和舒适性[2-3]。

目前，国内外学者已对岔轨道不平顺及处治措施进行了一系列研究，谢铠泽等[4]基于有限元软件，研究了不同半径条件下轨道不平顺、道床横向阻力大小及位置对钢轨温度分布的影响，提出线路稳定性的变化规律。杨飞等[5]基于大量动检数据，分析高速铁路竖曲线半径、坡度等对轨道不平顺的影响，并提出竖曲线参数优化策略。陈宪麦等[6]基于ABAQUS有限元软件，建立CRTSⅠ型板式无砟轨道空间实体模型，研究不同积累概率不平顺条件下，轨道板混凝土应力-应变曲线变化规律。熊丽娟等[7]阐述轨道长波不平顺半测回法，并建立实时地球自转补偿的数学模型，使用姿态角增量对其进行补充。

轨道不平顺的测量及处治难度较大，采用意大利MECNO公司研制的MS-10C型曲面打磨机对轨道进行打磨处治效果良好，但目前对其处治效果的研究较少。鉴于此，本文以贵广高铁榕江站为研究对象，总结站线及道岔存在的病害，并基于有限元软件，分析4种工况下车辆横向及垂向加速度、脱轨系数的变化规律，比较2种轨道不平顺处治措施，并选取曲面打磨技术对蓉江站6#岔进行处治，从打磨廓形、粗糙度和表面质量、动态指标对打磨效果进行评价。

1" "工程背景

贵广高铁榕江站正线道岔为1/18号道岔。经过现场调查，确定站线及道岔存在以下病害：一是站线及道岔运行存在全光带接触现象，部分区域出现双光带，光带过度偏离轨距角。二是存在站线病害问题。站线病害主要集中在侧线及未打磨区域，连续病害包括鱼鳞伤、麻点，独立病害表现为硌伤、擦伤及接头光带不良等现象。三是存在道岔病害。道岔病害主要集中在道岔曲股，常见问题包括侧磨、肥边、鱼鳞纹、擦伤等。四是存在道岔钢轨廓形偏差。道岔钢轨廓形与设计廓形相比，轨距角处偏差较大，最大偏差达到0.9mm。

2" "道岔不平顺的数值模拟

本文基于有限元软件，对道岔轨道不平顺情况下列车行驶的动态响应以及脱轨系数的变化规律进行了分析。

2.1" "模型建立

本次建立了七刚体五自由度的车辆-道岔动力模型，如图1所示。本文模拟了以下4种工况：工况1为轨道平顺，工况2为轨道横向不平顺，工况3为轨道垂向不平顺，工况4为轨道横向与垂向均不平顺。

车体质量设定为25000kg，轮对质量设为2000kg，构架质量设为2800kg。车体x、y、z的轴向转动惯量分别为1.3×105kg·m2、2×106kg·m2、1.8×106kg·m2；构架x、y、z的轴向转动惯量分别为2600kg·m2、1800kg·m2、3500kg·m2；轮对x、y、z的轴向转动惯量分别为600kg·m2、100kg·m2、600kg·m2；一系悬挂纵向、横向、垂向刚度分别为1000kN/m、1000kN/m、1500kN/m；二系悬挂纵向、横向、垂向刚度分别为200kN/m、200kN/m、250kN/m。车辆定距为17.5m，转向架轴距为2.5m，二系横向、垂向阻尼分别为60kN·s/m、100kN·s/m。

道岔的导曲线半径为1200m，前段长度为29.12m，后段长度为35.17m，轨距为1435mm。钢轨质量为74.41kg/m，其横向、垂向抗弯刚度分别为1200kN·m2、9500kN·m2。扣件的横向、垂向刚度均为80kN/m，横向、垂向阻尼分别为30kN·s/m、70kN·s/m。

2.2" "车体动力响应分析

列车以80 km/h侧向驶入道岔时，车体横向及垂向加速度在4种工况条件下的峰值变化如图2所示。由图2可知，以列车经过辙叉部分时车体的横向加速度为例，工况1下车体横向加速度为0.59m/s2；在工况2中，车体横向加速度增至0.69m/s2，较工况1增加了16.95%；工况3下车体横向加速度仍为0.59m/s2，表明施加垂向不平顺对车辆横向加速度没有显著影响；在工况4中，车体横向加速度达到0.96m/s2，较工况1和工况3分别增加了62.71%，较工况2增加了39.12%。这表明同时施加横向和垂向不平顺会显著增大车辆的横向加速度。

2.3" "脱轨系数计算与分析

2.3.1" "脱轨系数计算方法

通常脱轨系数用来度量车轮脱轨的指标，具体计算方法如下：

式中：β为脱轨系数；α为轮缘角；μ为钢轨侧面和轮缘的摩擦系数。

2.3.2" "脱轨系数对比

列车以80km/h侧向驶入道岔时，脱轨系数在4种工况条件下的峰值变化如图3所示。由图3可知，以列车经过辙叉部分的脱轨系数为例，工况1下车体脱轨系数为0.2；在工况2中，脱轨系数增至0.25，较工况1增加了25%；工况3的脱轨系数为0.21，较工况1增加了5%，较工况2减小了16%；在工况4中，脱轨系数达到0.31，较工况1增加了55%，较工况2增加了24%，较工况3增加了47.62%。

由此可见，4种工况的危险性从大到小依次为：工况4＞工况2＞工况3＞工况1。这说明轨道不平顺严重影响列车行驶的安全性，必须对轨道不平顺进行及时处治。

3" "道岔不平顺处治措施

3.1" "平面打磨技术

3.1.1" "平面打磨机理

国内外对钢轨轨面打磨技术种类繁多，其中平面打磨作为最简便且常用的方法之一。在法向应力F的作用下，砂轮以转速n旋转，砂轮与轨面之间的夹角为，并以速度v沿轨面移动。通过一定数量的砂轮组合，结合不同角度和横移量，并辅以合理的打磨功率、作业速度和打磨遍数，能够实现对钢轨廓形的包络式打磨，从而达到预期的目标廓形。

3.1.2" "平面打磨技术的不足

平面打磨技术常存在以下几个不足：为了形成钢轨廓形，需要多条包络线的配合。然而在护轨、尖轨和辙叉区域，由于砂轮接触位置的限制，容易与轨旁设备或钢轨其他部位（如翼轨）发生意外碰撞和过度打磨，导致切削量较小、打磨效率低下。此外，曲股道岔打磨的受限区域较多，进一步降低了打磨效果。

目前，道岔打磨通常采用大机打磨为主、小机打磨为辅的方案。然而这种方式在受限区的钢轨外侧廓形容易产生正偏差超限现象，严重影响了轮轨关系，进而导致动车组通过道岔时的稳定性下降，引发动车组低频晃车等问题。

3.2" "曲面打磨技术

3.2.1" "曲面打磨技术的优势

曲面打磨技术与传统平面打磨技术的最大区别，在于砂轮的接触方式。传统打磨技术通过砂轮的断面（即平面）与钢轨接触，而曲面打磨技术则利用砂轮的圆周面（曲面）与钢轨进行磨削。通过调整砂轮的厚度以及砂轮在三维空间中的位置，可以灵活改变接触面积，从而实现对目标廓形的精确打磨。砂轮在切削过程中具有自锐特性，使得砂轮与钢轨的接触面形状，会随着法向压力F、砂轮转速n、作业速度v以及砂轮旋转面方向（参数β和γ）的变化而动态变化，最终实现对钢轨表面的三维整形。

3.2.2" "常用中型曲面打磨机的特点

常用中型曲面打磨机行驶速度约为3km/h以下，其具备以下特点：一是打磨角度范围大。可实现约-45°～+70°的打磨角度范围，相较于传统平面打磨技术的-15°～+60°，范围更广。二是打磨受限区小。能够有效打磨道岔的直股和曲股区域，减少打磨盲区。三是打磨切削能力强。具备更强的切削能力，提高打磨效率。四是打磨火花方向可控。通过控制砂轮的转向及旋转面方向，确保打磨火花在两股钢轨之间，极大降低了安全风险。五是打磨后钢轨表面质量好。通过多个砂轮的不同旋转面方向和横移量组合，能够形成更加光滑的钢轨表面，避免产生打磨平面。

3.3" "打磨方法及处治效果

3.3.1" "打磨方法

在榕江站实施打磨的采取意大利MECNO公司研制的MS-10C中型曲面打磨机。按照中铁运维科技出具的廓形设计方案，实施针对性的打磨。对于有“病害”的道岔、线路按照先消除“病害”再修复廓形的方式进行修理性打磨。本文从打磨廓形、粗糙度和表面质量、动态指标等角度对打磨效果进行比较。

3.3.2" "处置效果

打磨后测量GQI（Grinding Quality Index打磨质量指数），其代表实测廓形与目标廓形的贴合度，贴合度越高GQI越高。廓形验收标准如表1所示。

蓉江站6#岔廓形验收评级如表2所示。由表2可知，曲面打磨完成后，榕江站6号道岔的几何尺寸、长波高低以及垂向、横向加速度等均符合相关规范要求。动态轨道质量指数上行方向的均值为1.88，下行方向的均值为1.80。由此表明，主动式砂轮曲面打磨技术，能够显著提升道岔区域的动态平顺性，打磨效果良好。

4" "结束语

本文以贵广高铁榕江站为研究对象，总结站线及道岔存在的病害，并基于有限元软件，分析4种工况下车辆横向及垂向加速度、脱轨系数的变化规律，比较2种轨道不平顺处治措施。选取曲面打磨技术对蓉江站6#岔进行处治，从打磨廓形、粗糙度和表面质量、动态指标对打磨效果进行评价。得到如下成果：

站线及道岔运行光带存在全光带接触、双光带和光带过度偏离轨距角等问题，病害主要集中在侧线及未打磨区域和道岔曲股，常见问题包括鱼鳞伤、擦伤、侧磨等，道岔钢轨廓形最大偏差达0.9mm。

列车通过辙叉时，工况4下的横向加速度为0.96m/s2，显著高于其他工况，表明横向与垂向不平顺同时存在时会显著增大横向加速度。列车经过辙叉部分时，工况1、2、3、4下的车体脱轨系数分别为0.2、0.25、0.21、0.31。由此可见，4种工况的危险性从高到低依次为：工况4＞工况2＞工况3＞工况1。曲面打磨技术优于平面打磨技术，打磨后榕江站6号道岔达到优良标准，表面粗糙度小于3µm，动态轨道质量指数符合规范要求。

参考文献

[1] 王晓凯，蔡德钩，王鹏.铁路工程轨道精调现状及改进方法研究[J].铁道工程学报，2022，39（11）：33-37.

[2] 高闯，孙守光，任尊松，等.轨道几何不平顺对高速列车车轴动应力的影响[J].中南大学学报（自然科学版），2022，53（5）：1719-1729.

[3] 李再帏，吴鹏飞，刘晓舟，等.高速铁路无砟轨道不平顺分形特征分析[J].振动与冲击，2022，41（6）：281-288.

[4] 谢铠泽，王琪，刘万里，等.基于轨道不平顺的无缝线路稳定性统计分析[J/OL].铁道科学与工程学报：1-12[2024-01-26].

[5] 杨飞，孙宪夫，宁迎智，等.高速铁路竖曲线对轨道动态不平顺的影响[J].铁道工程学报，2023，40（09）：16-22+61.

[6] 陈宪麦，王日吉，徐磊，等.不同累积概率不平顺状态下轨道板离缝损伤研究[J].铁道科学与工程学报，2023，20（05）：1666-1676.

[7] 熊丽娟，朱嫣，朱洪涛，等.轨道长波不平顺半测回法测量精度的研究（Ⅱ）[J].铁道学报，2021，43（8）：117-125.

（中国铁路成都局集团有限公司贵阳高铁工务段，贵州贵阳" "550003）