国内外钢轨快速打磨技术对比与创新应用.pdf
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1、第 2 卷 第 3 期2 0 2 3 年 6 月高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed RailwayVol.2 No.3June 2 0 2 3国内外钢轨快速打磨技术对比与创新应用郭猛刚(北京铁福轨道维护技术有限公司,北京 100160)摘要:钢轨快速打磨采用被动式打磨技术,最先在德国投入工程化应用,其应用有较为成熟的经验。钢轨快速打磨技术引入国内十年以来,得到广泛运用和推广,适应国内高速铁路的快速打磨技术管理体系仍在不断完善。对国内外钢轨快速打磨技术的发展及应用进行对比和分析,以更好地促进快速打磨技术在国内的科学运用,完善快速打磨技术的创新和发展。关
2、键词:钢轨;快速打磨;预防性打磨;对比分析;创新应用中图分类号:U216.42+4 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.2097-0846.2023.03.001随着铁路运量和速度的提高,钢轨服役过程中各类疲劳和波磨伤损的出现,导致钢轨维护工作量增加,影响钢轨使用寿命。钢轨预防性打磨可以大幅延长钢轨服役寿命,成为国内外钢轨打磨应用的必然趋势1。但预防性打磨增加了钢轨的打磨维护频次,需要更高效的打磨技术适应钢轨预防性打磨。钢轨快速打磨车采用被动式打磨技术,单遍打磨量小,突出预防性优势;可实现 6080 km/h的打磨速度,相较于传统主动打磨作业速度提高56倍;快速打磨技术在高海
3、拔、长大坡道以及隧道占比较高的区段,作业优势突出;在施工组织上,具有高效、环保、安全、可靠的特点2。钢轨快速打磨可有效预防轨面滚动接触疲劳、轨面波磨不平顺等病害的产生和发展,在国内外钢轨打磨技术体系中扮演重要角色。1 国内外快速打磨装备技术 1.1国外快速打磨装备德国在 2006 年研制出第一代钢轨快速打磨车RC01,并在德国高速干线的试点项目中成功试用,RC01 成为世界第一台能够以 80 km/h工作的钢轨打磨车(见图1),并获得了德国联邦铁路局(EBA)和德国铁路股份公司(DB)的使用批准。随后为提高打磨效率,开发出第二代具有2节编组的HSG-2钢轨打磨车(见图2),主车装配有4个打磨单
4、元装置、集尘系统及控制室,辅车配置磨石料仓、发电系统和车间操作室3。由德国铁路股份公司每年对打磨车及相关装备等进行定期检验认定,保证设备各项状态指标均满足现场操作和打磨工艺规定的要求。1.2国内快速打磨装备目前国内已逐步开展钢轨快速打磨的机理研究和设备研制工作,其中西南交通大学通过制备快速打磨试验台对快速打磨机理进行了研究,开展了试验线测试4,并于2021年研制出国内首台快速钢轨打磨原型试验样车,用于关键技术的进一步国产化研制。中国铁建高新装备股份有限公司自主研发的KGM-80钢轨快速打磨车,具有自带走行动力的特点,2021年完成在包神铁路甘泉线的首次上线运用工作,但该设备打磨单元与控制系统等
5、核心技术仍然采用进口装备。近十年来,国内快速打磨技术的应用主要依赖引图1第一代钢轨快速打磨车RC01图2第二代钢轨快速打磨车HSG-2文章编号:2097-0846(2023)03000107收稿日期:20221210;修回日期:20230125作者简介:郭猛刚(1989),男,工程师,硕士。E-mail:高速铁路新材料第 2 卷进的HSG-2钢轨快速打磨车。结合国内铁路的运用需求,在现有装备的基础上,国内对打磨车的打磨单元、连接装置、监控、空调附属装备等进行了升级改造,同时国内设备运用管理单位提出了新一代的智能化高速钢轨打磨装备的研制方向,包括研制全自动磨石装配系统,以减少人工作业成本和提高作
6、业效率;研制快速打磨智能化检测系统,实现作业过程实时监控钢轨打磨状态和质量;研制作业速度更高的打磨作业走行装置、打磨参数更加丰富的作业单元等。1.3磨石研究与应用对比对于被动式快速打磨磨石,目前仅德国Vossloh公司技术相对成熟并成功应用于钢轨快速打磨车,其磨石制备工艺属于保密技术,国内外暂无相关资料。国内对于主动打磨磨石的研究较为广泛,并制定了专门的主动打磨磨石的质量标准5,但对被动打磨磨石尚未开展系统研究。鉴于国内线路钢轨打磨试验不可逆且高风险、高投入、长周期等特点,国内仅在试验台条件下研究了被动式打磨磨石的磨损机制以及磨损对磨石磨削行为的影响机理6。现阶段国产试验磨石的安全性、稳定性和
7、磨削性能等指标暂不满足工程化运用的要求,国内钢轨快速打磨作业磨石仍采用国外进口。国外快速打磨作业,根据不同的打磨工艺要求开发出不同粒度、尺寸的磨石,在钢轨轨顶面和轨角,磨石设置了不同的作用角(磨石旋转端面与钢轨方向的倾角)。国外预防性快速打磨一般采用两遍粗磨、一遍细磨的工艺,快速打磨每次通过可去除0.030.05 mm的材料(取决于钢轨硬度)。为提高磨石的连续打磨距离和磨削性能,国内高速铁路快速打磨均采用粒度更高、尺寸更大的磨石,并统一了磨石作用角,试验证明,这显著提高了作业效率和质量。国内外快速打磨磨石使用参数区别见表1。2 国内外快速打磨技术管理标准对比 钢轨快速打磨技术起源于德国,并在欧
8、洲推广使用,德国铁路(简称:德铁)针对快速打磨的规范化管理制定了相对成熟的企业标准。其中 Ril 825.3312 HSG-2快速打磨车技术规范7对快速打磨技术的适用范围、装备技术参数、施工组织、打磨技术要求等内容进行了规定。Ril 824.8310 钢轨打磨验收标准8对德国铁路钢轨打磨的验收要求进行了详细阐述,对被动式快速打磨的钢轨验收标准做了专门规定。国内面向钢轨主动打磨管理制定的相关标准和规范较多,但被动式快速打磨相关标准较少。目前仅有TG/GW 2162018 高速铁路钢轨快速打磨管理办法9,该文件结合国内对快速打磨技术引进吸收的运用经验和使用要求起草制定,主要对快速打磨车在国内的组织
9、管理、技术要求、施工作业要求、质量验收、安全运用等内容进行了规定。3 快速打磨技术国内外运用管理 3.1应用范围快速打磨技术首次在德国纽伦堡到因戈尔施塔特的新建高速铁路上开展工程试验应用,2008年1月开始正式利用快速打磨技术进行预防性打磨。随后在德国第一条速度超过300 km/h的科隆至法兰克福高速铁路、世界上最长的铁路隧道圣哥达基线隧道内铁路、柏林-汉诺威铁路等推广应用,应用范围包括高速、普速客运和货运铁路等。国内 2013 年引进快速打磨技术,首次在速度350 km/h的京沪高铁进行周期性的钢轨预防性打磨,对提高轨面平顺性、降低轮轨高频振动起到显著作用。随后在国内面向不同工况的高速铁路正
10、线钢轨推广使用,包括预打磨、预防性打磨和修理性打磨。德铁Ril 825.3312文件和国内TG/GW 2162018文件对钢轨快速打磨的适用范围均进行了规定,其内容对比见表2。我国铁路运营里程长,作业条件复杂,但钢轨快速打磨机组配置少,尚无法完全利用钢轨快速打磨进行周期性的预防性打磨养护。目前钢轨快速打磨主要作为高速铁路钢轨主动打磨养护技术的补充。3.2施工环境要求德铁 Ril 825.3312 文件中规定,快速打磨宜在035 的室外温度下进行作业。根据国内打磨经验,在中雨及大雨或极寒温度的环境下,对磨石的磨削性能将会产生影响,TG/GW 2162018文件中规定中雨表1国内外快速打磨磨石运用
11、参数区别参数尺寸/mm粒度作用角/()国外轨顶面磨石直径160,宽度84F14(粗磨)或F30(细磨)60轨角磨石直径120,宽度7340国内直径160,宽度84F14(粗磨)60表2国内外钢轨快速打磨适用范围及打磨策略项目适用范围打磨策略国外未做限定预防波磨不平顺和滚 动接触疲劳出现的预防性打磨国内适用于200 km/h及以上铁路和200 km/h以下仅运行动车组铁路的钢轨预防性打磨,也可用于不改变 廓形的钢轨预打磨和修理性打磨2第 3 期郭猛刚:国内外钢轨快速打磨技术对比与创新应用或中雪及以上天气不宜进行打磨作业。国内对HSG-2快速打磨车的作业环境进行了更为明确和严格的要求,以更好地保证
12、打磨质量,但对作业环境温度未做要求。3.3最小作业距离钢轨快速打磨速度高,控制其最小打磨距离,可实现利用快速打磨对钢轨局部重点区段进行维护作业,提高作业灵活度。德铁对施工路段的最短长度规定为500 m,国内并未明确。最小作业距离主要受机车在保证稳定作业速度下的安全启停、打磨单元的控制与响应、现场组织等条件影响,结合国内应用经验,最小打磨距离可控制在 200 m,但打磨区间两侧应保证各1 km的安全启停制动距离,如此可通过HSG-2快速打磨车实现钢轨局部重点打磨工艺。3.4最长连续打磨距离快速打磨连续打磨长度受打磨架上可使用磨石数量和单颗磨石的使用寿命决定,钢轨快速打磨车每个打磨单元具备4排磨石
13、组进行自动装配,单个打磨单元可连续使用48颗磨石。由于国外在钢轨内侧采用小尺寸磨石,其连续打磨距离为4050 km;国内打磨单元均采用尺寸较大的磨石进行作业,减少停车更换磨石的频次,连续打磨距离更长,提高到了7080 km,更有利于施工组织的安排。3.5道岔打磨普速线路大多采用固定辙叉,快速打磨车磨石工作状态下超出道岔有害空间的限界要求,对普速铁路道岔结构不采用快速打磨技术。德铁一般在道岔前后预留50 m安全距离,提前将磨石机构提起,打磨车高速通过,道岔结构钢轨采用岔磨机械单独处理。对于高速铁路,20132015年,德铁通过一系列工程试验,验证了快速打磨车运用于可动心道岔打磨的可行性,试验表明
14、快速打磨车顺向过岔和逆向过岔打磨通过时都有相同的打磨效果10,实现了高速铁路正线和道岔钢轨的同步周期性养护、整体打磨成本的可持续降低,进一步提高了快速打磨技术的应用范围和施工效率。快速打磨技术在国内高速铁路运用以来,为保证道岔及伸缩调节器钢轨的安全,TG/GW 2162018文件要求道岔及伸缩调节器前后100200 m不打磨,道岔结构的打磨工作全部由岔磨机械利用维护天窗单独完成。从安全角度考虑,国内打磨的安全冗余距离较国外长,国内尚未开展各类高速铁路道岔快速打磨的试验论证。3.6打磨作业组织基于快速打磨工作作业速度快、施工灵活的特点,国外在普速铁路、货运铁路进行打磨施工时,无需单独申请作业天窗
15、。利用列车运行图的间隙,对钢轨进行快速打磨,提高了铁路运输的经济效益。国内铁路幅员辽阔,站间距较长,快速打磨技术在国内高速铁路上施工需要占用维修天窗,作业效率要综合考虑打磨封锁区间范围、打磨车停驻地往返、打磨机组换端转线、打磨架磨石更换等时间因素。目前国内高速铁路每4 h的施工维修天窗内,平均快速打磨里程约在140 km。考虑同一段钢轨连续打磨,保持轨面较高的粗糙度有利于被动式打磨质量的提高,国内外对快速打磨的施工组织均进行了要求,其中德铁Ril 825.3312文件要求 3遍快速打磨应在 24 h内完成,TG/GW 2162018 文件要求钢轨快速打磨作业天窗宜连续进行。国内外钢轨快速打磨作
16、业要求不同点对比见表3。4 国内外预防性快速打磨策略实施 4.1预防性打磨周期与时机HSG-2快速打磨车定期在德国铁路和其他欧盟国家的铁路上施工,打磨频率为每年23次。以纽伦堡到德国南部因戈尔施塔特的高速铁路为例,采用每4个月去除钢轨表层0.1 mm厚度的策略,这相当于在 4.5 Mt运量后进行一次快速打磨的打磨周期11。国内高速铁路钢轨运行动车组轴重轻,曲线半径大,病害发展速率较慢,钢轨硬化不明显,钢轨浅表层伤损出现频率较低,其中在国内高速铁路发现的浅表层疲劳伤损和波磨病害见图3,故国内高速铁路钢轨预防性打磨周期整体较国外长。国内不同高速铁路的年通过总重和钢轨状态的演变规律不同,预防性打磨的
17、周期也不同,一般不超过2年进行一次预防性打磨12。TG/GW 2162018 中规定快速打磨与主动打磨相结合,原则上每2030 Mt通过总重进行一次快速打磨。表 3国内外快速打磨作业要求不同点比较作业要求作业环境要求最小作业距离/m最长连续打磨距离/km道岔及温度调节器打磨道岔安全距离/m施工组织要求国外室外温度035 5004050可对可动心道岔进行打磨道岔前后503遍快速打磨应在24 h内完成国内中雨或中雪及以上天气不宜进行打磨作业2007080不可打磨道岔前后100200钢轨快速打磨作业天窗宜连续进行3高速铁路新材料第 2 卷4.2预防性打磨工艺国外利用被动式快速打磨技术主要用来去除深度
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