淺談延長(zhǎng)重載鐵路曲線(xiàn)鋼軌使用壽命的方法

1、    淺談延長(zhǎng)重載鐵路曲線(xiàn)鋼軌使用壽命的方法    宋學(xué)兵摘 要：在重載鐵路曲線(xiàn)鋼軌中，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整曲線(xiàn)超高、對(duì)鋼軌表面初始裂紋進(jìn)行預(yù)防性打磨，可改善輪軌關(guān)系，將鋼軌傷損消滅在萌芽階段，從而延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命，并減少了設(shè)備隱患，從而保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?、高效、穩(wěn)定。因此，對(duì)延長(zhǎng)重載鐵路曲線(xiàn)鋼軌使用壽命的方法措施進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：重載鐵路；曲線(xiàn)鋼軌；軌道超高；輪軌關(guān)系：u298 ：a doi：10.15913/ki.kjycx.2015.18.075大秦鐵路自1992年全線(xiàn)開(kāi)通以來(lái)，運(yùn)量逐年增長(zhǎng)，2015年運(yùn)量已經(jīng)達(dá)到4.5×109 t，成為世

2、界上運(yùn)量最大、最繁忙的鐵路。在大秦鐵路中，曲線(xiàn)鋼軌傷損越來(lái)越重，這不僅埋下了安全隱患，還會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力監(jiān)測(cè)軌道的安全狀況和維護(hù)軌道的正常營(yíng)運(yùn)。根據(jù)研究表明，周期性地對(duì)曲線(xiàn)鋼軌打磨和設(shè)置合適的曲線(xiàn)超高，是減少曲線(xiàn)鋼軌傷損、延長(zhǎng)曲線(xiàn)鋼軌壽命的有效途徑。1 軌道曲線(xiàn)超高調(diào)整1.1 軌道超高的基本概念軌道超高的目的是用車(chē)輛自身質(zhì)量的橫向分量來(lái)抵消車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力，以免車(chē)輛在上股道形成過(guò)大的橫向力，從而減少鋼軌側(cè)磨和降低脫軌的風(fēng)險(xiǎn)。圖1是車(chē)輛在彎道行駛時(shí)的受力圖。車(chē)輛在行駛中會(huì)受到重力（mg）、離心力 和風(fēng)力（hw）的作用。圖1 車(chē)輛受力圖及輪軌受力圖圖1中，m為車(chē)輛質(zhì)量；g為重力加速度

3、；v為車(chē)輛速度；r為曲線(xiàn)半徑。如果忽略風(fēng)力的作用，當(dāng)重力的橫向分量與離心力達(dá)到平衡時(shí)，其數(shù)學(xué)表達(dá)為：. （1）式（1）中： 為車(chē)輛中心的橫向分量；h為軌道超高；d為軌距； 為車(chē)輛轉(zhuǎn)彎的離心力。如果d=1.5 m，g=9.81 m/s2，將速度單位由m/s轉(zhuǎn)換成km/h，將超高單位改為cm，則式（1）可以簡(jiǎn)化為常用的軌道超高設(shè)計(jì)公式：. （2）式（2）還可以表示為：. （3）式（3）中：h為超高偏差。當(dāng)h=0時(shí)，式（3）表示的是平衡時(shí)速度與超高的關(guān)系（平衡超高狀態(tài)）；當(dāng)h>0或h<0時(shí)，式（3）分別表示過(guò)超高或欠超高時(shí)速度與超高的關(guān)系。1.2 軌道欠超高研究在20世紀(jì)90年代初，我國(guó)

4、曾對(duì)軌道超高進(jìn)行過(guò)研究。在該研究的眾多結(jié)論中，有2點(diǎn)與軌道超高有關(guān)：欠超高可減小沖角，從而降低上股道鋼軌的側(cè)磨；欠超高可防止下股道壓潰。此次研究認(rèn)為，欠超高有利于對(duì)鋼軌的保護(hù)。根據(jù)此結(jié)論，大秦線(xiàn)線(xiàn)路的養(yǎng)路維護(hù)曲線(xiàn)基本采用欠超高。1.3 軌道超高的現(xiàn)狀分析以大秦線(xiàn)k385+100和k386+400兩條曲線(xiàn)為例，曲線(xiàn)中點(diǎn)位于k385+151和k386+404處兩個(gè)相鄰曲線(xiàn)的上股道鋼軌側(cè)的磨損相差巨大，如圖2所示。圖2中的藍(lán)色線(xiàn)為新鋼軌，紅色線(xiàn)為已磨損的鋼軌。然而，這2條曲線(xiàn)的條件基本一致、半徑均為800 m、鋪設(shè)時(shí)間均為2009-06、車(chē)速相差不大；2條曲線(xiàn)唯一的差別是超高不同，位于k385和k3

5、86兩處的曲線(xiàn)超高分別為70 mm和60 mm，相差10 mm。圖3為超高與側(cè)磨的關(guān)系，可見(jiàn)超高較大的鋼軌側(cè)磨小，超高較小的鋼軌側(cè)磨大。a.位于k385的曲線(xiàn) b.位于k386的曲線(xiàn)圖2 大秦重車(chē)線(xiàn)k385、k386處2009-02測(cè)量的上股道鋼軌的廓面形狀圖3 大秦重車(chē)線(xiàn)k385-k386兩段曲線(xiàn)的上股道鋼軌的側(cè)磨與超高在進(jìn)一步對(duì)車(chē)速分布的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，在k386曲線(xiàn)上與60 mm超高對(duì)應(yīng)的平衡速度為63 km/h，如圖2所示，在通過(guò)該曲線(xiàn)的車(chē)輛中，有71%的車(chē)輛的速度大于該速度，其所產(chǎn)生的離心力沒(méi)有被重力水平分量所抵消，因此，車(chē)輪被離心力推向上股道，導(dǎo)致輪緣與軌側(cè)接觸，進(jìn)而造成嚴(yán)重的鋼軌

6、側(cè)磨；在k385處曲線(xiàn)上的軌道超高為70 mm，這一超高對(duì)應(yīng)的平衡速度為69 km/h，僅有54%以上車(chē)輛的速度大于該速度。雖然k385曲線(xiàn)的超高設(shè)置并不完善，但與k386曲線(xiàn)相比，大于平衡速度的車(chē)輛的比例較低，且側(cè)磨較輕。圖4 在k385-k386兩段800 m曲線(xiàn)的車(chē)輛通過(guò)速度分布2 鋼軌打磨2.1 鋼軌打磨的目的鋼軌的傷損主要表現(xiàn)為鋼軌磨損（垂直磨耗和軌側(cè)磨損）和疲勞破壞（裂紋和剝離掉塊）。鋼軌的失效主要表現(xiàn)為磨損超標(biāo)和因疲勞破壞而產(chǎn)生的鋼軌重傷。對(duì)大秦重車(chē)線(xiàn)鋼軌使用情況的調(diào)查表明，曲線(xiàn)上、下股在鋪設(shè)后2個(gè)月出現(xiàn)了不同程度的剝離掉塊，而這種剝離掉塊不僅會(huì)嚴(yán)重影響鋼軌的使用壽命，還會(huì)給超聲

7、波探傷作業(yè)造成困難，進(jìn)而給運(yùn)輸安全埋下隱患。采用鋼軌打磨的方法（以最佳重載輪軌廓面為基礎(chǔ)）控制鋼軌廓面形狀，可改善輪軌關(guān)系，延緩和消除鋼軌的接觸疲勞和疲勞破壞。2.2 鋼軌打磨的原則和方法鋼軌打磨要以最佳鋼軌廓形為基礎(chǔ)，減小或消除輪軌蠕滑。鋼軌打磨的3項(xiàng)基本原則為“嚴(yán)格根據(jù)重載鐵路鋼軌最佳廓面、預(yù)防性地去除鋼軌上的疲勞初始裂紋、打磨中將磨削量降至最低”。鋼軌疲勞破壞起源于鋼軌的表面初始裂紋，初始裂紋會(huì)在鋼軌表層擴(kuò)展，最終導(dǎo)致剝離掉塊。此外，初始裂紋還會(huì)向鋼軌深層擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致鋼軌重傷，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)斷軌。因此，消除初始裂紋就能消除疲勞破壞，采取預(yù)防性地鋼軌打磨是通過(guò)鋼軌打磨去除疲勞初始裂紋的

8、有效途徑。在直線(xiàn)上，初始裂紋大部分出現(xiàn)在鋼軌頂面兩側(cè)的塑性流動(dòng)部位，因此，對(duì)直線(xiàn)鋼軌的打磨主要是削掉鋼軌兩側(cè)的塑性流動(dòng)層，并收窄接觸帶。對(duì)曲線(xiàn)下股道的打磨與在直線(xiàn)上的相似，主要是削掉鋼軌兩側(cè)的塑性流動(dòng)層，并收窄接觸帶，以去除鋼軌頂面兩側(cè)出現(xiàn)的初始裂紋。對(duì)于曲線(xiàn)上股的鋼軌，裂紋出現(xiàn)的主要部位在軌距角附近和軌肩表面，因此，打磨軌肩附近的淺表層是必要的，以去除初始裂紋。此外，上股的頂部也會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞，如果出現(xiàn)大面積的疲勞裂紋，則應(yīng)打磨頂部。3 結(jié)束語(yǔ)綜上所述，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整重載鐵路曲線(xiàn)鋼軌的曲線(xiàn)超高、對(duì)鋼軌表面初始裂紋進(jìn)行預(yù)防性打磨，可改善輪軌關(guān)系、將鋼軌傷損消滅在萌芽階段，從而延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命，并減少了設(shè)備隱患，保證了鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?、高效、穩(wěn)定。參考文獻(xiàn)1b.c.，邢納新.曲線(xiàn)上車(chē)輛脫軌和鋼軌磨耗的原因j.國(guó)外鐵道車(chē)輛，2005（05）.2任洪俊.曲線(xiàn)鋼軌磨耗的原因及防治j.中州煤炭，2003（01）.3胡森.曲線(xiàn)鋼軌磨耗機(jī)理及整治辦法的研究j.上海鐵道科技，2005（01）.編輯：張思楠 科技與