CN108625237A - 一种钢轨打磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢轨打磨方法，包括以下步骤：S1：确定不同通过总重时的钢轨裂纹的理论深度；S2：根据步骤S1获取的钢轨的裂纹理论深度，结合打磨周期及钢轨的磨耗率，获取最佳磨耗率；S3：依据获取的最佳磨耗率对钢轨进行打磨。与现有技术相比，本发明根据钢轨磨耗和疲劳裂纹情况，设计合理的钢轨打磨参数，即打磨周期和打磨量，在某一时期“捕捉”到裂纹的发展，从而平衡钢轨裂纹和磨耗，该平衡点就是最佳磨耗率，即在裂纹扩展的适当时机，将钢轨打磨和轮轨自然磨耗合理结合，以最小的钢轨金属磨耗量来达到消除钢轨裂纹，从而能够有效地延长钢轨的使用寿命，降低钢轨的维修养护成本，保证钢轨使用的安全性。

Description

一种钢轨打磨方法

技术领域

本发明涉及钢轨养护技术领域，尤其是涉及一种钢轨打磨方法。

背景技术

钢轨表面滚动接触疲劳裂纹和磨耗是影响铁路和城市轨道交通钢轨寿命的常见病害，轻则影响钢轨探伤、轮轨运行状态，重则减少钢轨使用寿命、增加养护维修成本，甚至引起断轨。这些钢轨伤损，除了与材质有关外，主要是受不良轮轨关系的影响。

为延缓钢轨滚动接触疲劳伤损和磨耗的发展、延长钢轨使用寿命，必须采用现代化的钢轨养护手段来实现。目前，世界各国的铁路和城市轨道交通都将钢轨打磨/铣磨技术作为缓解钢轨滚动接触疲劳和磨耗问题的主要手段。无论是钢轨打磨还是铣磨，其目的都是清除钢轨表面已经发生疲劳裂纹的金属层，阻断微裂纹向钢轨深处发展，恢复与车轮型面能良好匹配、得到应力较小的钢轨型面，从而达到延长钢轨使用寿命周期、减少养护和管理成本的目的。

在钢轨打磨/铣磨技术的应用中，存在多种打磨策略，包括：(1)新轨预打磨，即在新线钢轨铺设后对新铺钢轨进行打磨，在于消除钢轨生产及运输过程中产生的原始不平顺、钢轨头部表面脱碳层、钢轨头部表面残余应力层，并尽量减小钢轨头部表面的原始粗糙度，从而修正钢轨初始不平顺，延迟钢轨疲劳的发生时间；(2)预防性打磨，即在钢轨使用期内，在轨面裂纹萌生阶段、尚未扩展之前，对钢轨进行经常性的、快速的、少打磨量的打磨操作，以消除萌生裂纹、维持一个优化的钢轨外形断面，改善轮轨接触关系，最大限度地预防钢轨表面疲劳裂纹的出现；(3)修理性打磨，即当钢轨伤损超过一定限度后，实施打磨作业，以消除钢轨的各种缺陷为重点，采用大打磨量，恢复钢轨外形断面的打磨形式。

钢轨打磨/铣磨技术中的主要技术参数，包括钢轨打磨量(铣磨中称为钢轨切削量)和钢轨打磨(铣磨)周期，会影响打磨遍数、打磨设备作业速度等。为科学使用打磨设备、有效延长钢轨使用寿命，必须根据典型线路下钢轨滚动接触疲劳裂纹和磨耗的发展规律设计合理的钢轨打磨/铣磨作业技术参数。

现场观察发现，钢轨疲劳裂纹和磨耗的发展是同时存在的两种损伤形式，两者此消彼长、相互影响。对小半径曲线钢轨的跟踪观察证实，钢轨在上道初期就很快出现表面疲劳裂纹，并发展成剥离掉块，随着通过总重的累积，轮轨磨耗逐渐增加，则表面疲劳裂纹不再迅速增加，而呈一种相对“稳定”的状态，直至最后，钢轨因严重侧磨而下道。

这说明钢轨疲劳裂纹扩展和磨耗发展之间有相互影响的机制，当钢轨磨耗速率较大时，表面疲劳裂纹还未来得及发展成形或密布于表面就被磨耗掉，这时，钢轨寿命受磨耗控制；当磨耗速率较小时，大部分表面疲劳裂纹没有被磨掉而继续向钢轨内部发展，这时，钢轨寿命受裂纹控制。但是，在轮轨实际接触过程中，特别是抗磨耗强的硬质合金钢轨使用后，轮轨之间的作用往往导致较低的磨耗率，通过曲线时，虽然钢轨磨耗率较大，但轮轨之间作用力更大，导致疲劳裂纹萌生和扩展更快。因此，为了控制和减缓疲劳裂纹伤损，就需要引入人工磨耗干预，即钢轨打磨，从而平衡磨耗和裂纹的消长关系。

钢轨打磨是一个可控制的人为磨耗的过程，通过掌握钢轨磨耗和疲劳裂纹发展情况，设计合理的钢轨打磨技术参数，如打磨周期和打磨量，在某一时期“捕捉”到裂纹的发展，从而平衡钢轨头部裂纹和磨耗，这个平衡点就是最佳磨耗率。即在裂纹扩展的适当时机，将钢轨打磨和轮轨自然磨耗合理地结合，以最小的钢轨头部金属损失量来达到消除钢轨头部裂纹，从而达到裂纹-磨耗消长平衡的目的。在每个预防性钢轨打磨周期后，就形成了没有裂纹的、良好状态的、保留运行面硬化层的钢轨表面。这与修理性打磨形成了鲜明的对照，后者对已经变形和表面产生裂纹的钢轨头部进行大量、多遍数的打磨，磨掉了硬化层，留下了存在一些残余裂纹的软质金属层(因为最深的裂纹没被消除)，结果更容易产生塑性变形和滚动接触疲劳。周期性、预防性打磨也促使最大剪应力的深度逐渐向钢轨头部内部深入，防止应力在钢轨头部内部任何一点保持一定的时间。这对含有杂质的钢轨尤为重要，对相对纯净的钢轨也同样有效。然而，现有技术依靠经验决定打磨参数，无法保证获取参数的准确性和钢轨使用的安全性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种钢轨打磨方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种钢轨打磨方法，包括以下步骤：

1)确定钢轨的裂纹理论深度；

2)根据步骤1)获取的钢轨的裂纹理论深度，结合打磨周期及钢轨的磨耗率，获取最佳磨耗率；

3)依据获取的最佳磨耗率对钢轨进行打磨。

优选地，所述的裂纹理论深度为通过总重为Q时的裂纹理论深度其表达式为：

式中，Q为通过总重，h_Q为通过总重Q时钢轨的裂纹实际深度，为通过总重Q时的裂纹观测位置上的钢轨头部垂直磨耗量。h_Q采用金相观测、无损检测或仿真预测获取。

在预防性打磨周期内，影响最佳磨耗率的因素包括以下两种情况：

(1)从磨耗考虑，最佳磨耗率包括钢轨垂直磨耗速率与单位通过总重下的打磨量；

(2)从理论裂纹深度考虑，最佳磨耗率与通过总重的乘积等于该通过总重时钢轨的裂纹理论深度。

因此，获取最佳磨耗率ΔS_m的公式为：

式中，为钢轨垂直磨耗速率，为打磨量，Q_G为打磨周期，其中，的表达式为：

钢轨的裂纹理论深度及钢轨头部垂直磨耗量选取平均值、平均值与标准差的组合或最大值的不同百分比的数据。

因钢轨打磨通常为打磨车对左右两股钢轨同时进行作业，本发明利用打磨车对左右两股钢轨同时进行打磨，总的打磨周期根据左右两股钢轨各自不同的打磨周期和最佳磨耗率取交集确定。当打磨周期在500万吨～1亿吨通过总重，打磨量在0.1mm～1.5mm变化时，最佳磨耗率为最佳磨耗率与打磨量、打磨周期的曲面的交线。

与现有技术相比，本发明根据实际钢轨磨耗和疲劳裂纹发展情况设计打磨周期和打磨量，目的是在某一时期“捕捉”到裂纹的发展，从而平衡钢轨头部裂纹和磨耗，该平衡点就是最佳磨耗率，即在裂纹扩展的适当时机，将钢轨打磨和轮轨自然磨耗合理地结合，以最小的钢轨头部金属损失量来达到消除钢轨头部裂纹，从而能够有效地延长钢轨的使用寿命，降低钢轨的维修养护成本，保证钢轨使用的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的流程图；

图2为钢轨纵断面裂纹-磨耗消长平衡机制示意图；

图3为钢轨横断面裂纹-磨耗消长平衡机制示意图；

图4为磨耗和理论裂纹深度控制的股钢轨的最佳磨耗率曲线图；

图5为打磨量与确定的打磨周期的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种钢轨打磨方法，其处理流程如图1所示，包括以下步骤：

S1：确定钢轨裂纹的理论深度。

S2：根据步骤S1中的钢轨裂纹的理论深度，结合打磨参数及钢轨的磨耗率之间的关系，进行打磨参数和最佳磨耗率的优化计算。

S3：依据获取的最佳磨耗率对钢轨进行打磨。

如图2～图5所示，钢轨磨耗和裂纹的扩展有一定关联，磨耗的快慢制约着裂纹扩展的明显与否。裂纹的存在说明需要钢轨打磨或铣磨等人工磨耗的介入，才能更好的减缓和控制钢轨裂纹扩展。

根据裂纹和磨耗观测数据，以及与通过总重结合得到的裂纹扩展速率和磨耗发展速率，就可以分析裂纹理论深度、打磨周期与磨耗发展率之间的关系。

这也就是预防性钢轨打磨技术的目的，即通过磨耗和打磨来捕捉到裂纹的发展，从而平衡钢轨头部裂纹和磨耗，这个平衡点就是最佳磨耗率。因此，裂纹-磨耗消长平衡机制的原理就是，在掌握理论裂纹和磨耗发展速率的基础上，将钢轨打磨考虑进来，设计合理的打磨周期和打磨量，即在裂纹扩展的适当时机(打磨周期)，以最小的打磨量和打磨周期内的自然磨耗量，将钢轨疲劳裂纹消除和控制，达到裂纹-磨耗的消长平衡，这时根据钢轨打磨和自然磨耗所确定出来的单位通过总重的磨耗速率即为最佳磨耗率。这种最佳磨耗率使钢轨具有状态良好、无明显裂纹的滚动表面，或者使钢轨具有稳定的、适度裂纹的钢轨表面，如图2～图3所示。

因此，在裂纹扩展的适当时机，将钢轨打磨和轮轨自然磨耗合理地结合，以最小的打磨量和钢轨头部金属消耗量来达到消除大部分钢轨头部裂纹的目的。既能很好的控制滚动接触疲劳裂纹，又以较少的打磨量、快速的打磨效率，节约了打磨成本，充分发挥了打磨设备的效率。

最佳磨耗率的确定：

(1)裂纹的理论深度

每次取样的通过总重时的裂纹理论深度包括通过总重时钢轨的实际裂纹深度以及裂纹测量位置上、被通过总重垂直磨耗掉的深度，可用以下公式计算：

式中，Q为通过总重(百万吨MGT)；

为通过总重Q时的裂纹理论深度(mm)；

h_Q为通过总重Q时金相观测或无损检测或仿真预测得到的钢轨的实际裂纹深度(mm)；

为通过总重Q时的裂纹观测位置上的钢轨头部垂直磨耗量(mm)。

(2)最佳磨耗率和打磨参数

最佳磨耗率与裂纹理论深度、轮轨自然磨耗和钢轨打磨有关，钢轨打磨参数如打磨周期和打磨量影响着最佳磨耗率。

因此，在预防性打磨周期内，最佳磨耗率可以从以下两方面考虑：

从磨耗考虑，最佳磨耗率包括钢轨垂直磨耗速率与单位通过总重下的打磨量两部分；

从理论裂纹深度考虑，最佳磨耗率与通过总重的乘积正好等于该通过总重时钢轨表面的理论裂纹。

因此，最佳磨耗率由下列公式得到：

式中，ΔS_m为最佳磨耗率(mm/MGT)；为打磨量(mm)；Q_G为打磨周期(百万吨MGT)。

为钢轨垂直磨耗速率(mm/MGT)，其表达式为：

根据垂直磨耗速率数据、裂纹理论深度数据，带入上述公式(2)，计算最佳磨耗率、打磨周期和打磨量之间的关系。

当打磨周期在500万吨～6000万吨通过总重、打磨量在0.1mm～1.0mm变化时，最佳磨耗率是公式(2)所代表的曲面的交线。当垂直磨耗发展率取现场跟踪观测(或预测)的平均值、裂纹理论深度取金相分析(或无损检测)的最大值时，圆曲线上股钢轨的最佳磨耗率如图4所示。

图4中，粗线网格曲面由公式(2)中结合现场跟踪观测或者仿真预测的不同通过总重时的磨耗数据(取平均值)得到，为从磨耗角度考虑的最佳磨耗率；细线网格曲面由公式(2)中结合金相分析(或者无损检测)的不同通过总重时的裂纹理论深度数据(取最大值)得到，为从裂纹深度角度考虑的最佳磨耗率。当粗线网格曲面在细线网格曲面上方时，即由磨耗发展率平均值计算得到的最佳磨耗率大于由裂纹理论深度最大值得到的最佳磨耗率，说明不仅理论裂纹深度最大值及其以内的裂纹都会被全部磨耗掉，而且一部分无裂纹的完好金属也可能被磨耗掉，即出现过度磨耗；反之，当粗线网格曲面在细线网格曲面下方时，则说明理论裂纹深度最大值以内的裂纹只会部分被磨耗掉，钢轨仍然残留裂纹，即欠磨耗；当两者计算得到的最佳磨耗率相等时(图4中的黑色实线)，则说明理论裂纹深度最大值及其以内的裂纹会被磨耗掉，而且没有多余的完好金属被过度磨耗。

俯视图4，即将打磨量和打磨周期分别作为横、纵坐标，就形成图5。可以发现，在两曲面的交线处，当打磨参数取最小时(图5的A点)，即打磨量约为0.3mm、打磨周期约为1200万吨，对应的最佳磨耗率约为0.0502mm/MGT。考虑到钢轨垂直磨耗限值为12mm(75kg/m钢轨)，这种情况下钢轨的磨耗寿命大约为2.4亿吨通过总重(12/0.0502)，这是由于钢轨打磨恢复为标准型面后，初期钢轨头部磨耗较大，导致最佳磨耗率较大、钢轨寿命因磨耗和打磨而缩短，因此，这种打磨参数及对应的最佳磨耗率对钢轨寿命不利。

当最佳磨耗率取最小时(图5的B点)，即最佳磨耗率约为0.0216mm/MGT，这时对应的打磨周期约为5500万吨通过总重，打磨量约为1.0mm，虽然随着通过总重的累积，钢轨钢轨头部轮廓被磨耗成与车轮外形匹配的外形，因而轮轨磨耗率降低，但是裂纹深度已经较大，需要大量的、多遍的打磨才能消除裂纹，增加了打磨实际作业量，属于修理性打磨。图5中的F点，情况同上，打磨周期约4600万吨通过总重，这时打磨量约0.9mm。

所以要使打磨参数和最佳磨耗率两者最佳匹配，打磨参数和最佳磨耗率都最优，如图5中的C点，最佳磨耗率约为0.0274mm/MGT，对应的打磨周期约为2400万吨、打磨量约为0.5mm，预计的钢轨磨耗寿命大约为4.4亿吨通过总重；图5中的D点，最佳磨耗率约为0.0263mm/MGT，对应的打磨周期约为2700万吨、打磨量约为0.6mm，预计的钢轨磨耗寿命约为4.6亿吨通过总重；图5中的E点，最佳磨耗率约为0.0248mm/MGT，对应的打磨周期约为3400万吨、打磨量约为0.7mm，预计的钢轨磨耗寿命大约为4.8亿吨通过总重；因此，当考虑垂直磨耗发展率平均值、裂纹理论深度最大值时，圆曲线中部的上股钢轨打磨周期约为2400～3400万吨，打磨量约为0.5～0.7mm，这种打磨周期内的最佳磨耗率约为0.0248～0.0274mm/MGT，这时预计的上股钢轨寿命约为4.4～4.8亿吨通过总重。

同理，分析下股钢轨的最佳磨耗率和打磨参数发现，打磨周期约为3000～5000万吨、打磨量约为0.5～0.6mm时，最佳磨耗率约为0.0223～0.0237mm/MGT，这时预计的下股钢轨寿命约为5.0～5.4亿吨通过总重。

考虑到打磨车的作业效率，一条曲线通常是两股钢轨同时进行打磨作业，则预防性钢轨打磨的打磨周期可以考虑在3000～3400万吨通过总重时进行，打磨量约分别为0.5～0.7mm(上股钢轨)和0.5～0.6mm(下股钢轨)，这时对应的最佳磨耗率分别为0.025～0.027mm/MGT(上股钢轨)、0.022～0.024mm/MGT(下股钢轨)。

考虑磨耗发展速率差异的最佳磨耗率和打磨参数：

采用上述分析方法，主要考虑的是垂磨发展率平均平均值情况下的最佳磨耗率和打磨参数，本节将磨耗量平均值+标准差考虑进来。

从上述分析可知，在控制钢轨头部裂纹的前提下，钢轨的寿命受轮轨自然磨耗和打磨的影响。现场测量到的典型曲线段的各个测点位置的钢轨磨耗量有大有小，具有一定的离散性(通常在曲线的各个正矢点位置测量钢轨型面，对比标准型面得到该测点的钢轨磨耗量，正矢点间距5m)，因此分别考虑各测点磨耗量平均值+1倍或2倍标准差计算磨耗速率，相当于假设的轮轨自然磨耗增加，裂纹理论深度也相应增加，这样的工况下，通过计算，得到的最佳磨耗率、打磨参数如下表1(仍以消除裂纹理论深度最大值为目的)。

表1打磨周期/打磨量

从表1可以看出，上股钢轨考虑了不同的轮轨磨耗量，随着磨耗量的增加，虽然裂纹理论深度增加，但磨耗量也较大，因此引起打磨量降低、打磨周期延长；下股钢轨轮轨磨耗量的增加，基本与由此引起的裂纹理论深度的增加相同，因此打磨周期和打磨量变化不大。

例如，根据实测磨耗平均值+1倍标准差考虑，同时考虑到上下股钢轨同时安排打磨作业，以及打磨设备的安排，打磨周期为32～45MGT内进行打磨，打磨量上股钢轨约为0.4～0.6mm，下股钢轨约为0.4～0.5mm。

需要说明的是，本发明中的钢轨打磨参数的确定方法，其中的打磨参数仅是以打磨量和打磨周期作为代表进行方法的应用，由于钢轨的打磨参数还包括多种，只要与本发明中的基本原理相同，同样可以对钢轨的其他类型的打磨参数进行计算以及优化，均在本发明的保护范围内；本发明中上述实施例中的数据的使用也仅代表该实施例的实现方式，根据不同的钢轨情况数据不同，也在本发明的保护范围内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种钢轨打磨方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定钢轨的裂纹理论深度；

S2：根据步骤S1获取的钢轨的裂纹理论深度，结合打磨周期及钢轨的磨耗率，获取最佳磨耗率；

S3：依据获取的最佳磨耗率对钢轨进行打磨。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨打磨方法，其特征在于，所述的裂纹理论深度为通过总重为Q时的裂纹理论深度其表达式为：

式中，Q为通过总重，h_Q为通过总重Q时钢轨的裂纹实际深度，为通过总重Q时的裂纹观测位置上的钢轨头部垂直磨耗量。

3.根据权利要求2所述的一种钢轨打磨方法，其特征在于，在预防性打磨周期内，影响最佳磨耗率的因素包括以下两种情况：

(1)从磨耗考虑，最佳磨耗率包括钢轨垂直磨耗速率与单位通过总重下的打磨量；

(2)从理论裂纹深度考虑，最佳磨耗率与通过总重的乘积等于该通过总重时钢轨的裂纹理论深度。

4.根据权利要求3所述的一种钢轨打磨方法，其特征在于，获取最佳磨耗率ΔS_m的公式为：

式中，为钢轨垂直磨耗速率，为打磨量，Q_G为打磨周期，其中，的表达式为：

。

5.根据权利要求1所述的一种钢轨打磨方法，其特征在于，钢轨打磨为打磨车对左右两股钢轨同时进行作业，总的打磨周期根据左右两股钢轨各自不同的打磨周期和最佳磨耗率取交集确定。

6.根据权利要求5所述的一种钢轨打磨方法，其特征在于，当打磨周期在500万吨～1亿吨通过总重，打磨量在0.1mm～1.5mm变化时，最佳磨耗率为最佳磨耗率与打磨量、打磨周期的曲面的交线。

7.根据权利要求2所述的一种钢轨打磨方法，其特征在于，钢轨的裂纹理论深度及钢轨头部垂直磨耗量选取平均值、平均值与标准差的组合或最大值的不同百分比的数据。