★小半徑曲線鋼軌磨耗分析及整治措施

1、小半徑曲線鋼軌磨耗分析及整治措施小半徑曲線的換軌周期，主要由上股鋼軌的側(cè)面磨耗和波形磨耗來控制。我國鐵路行業(yè)小半徑曲線上的鋼軌有 98%是由于側(cè)面磨耗超限而報(bào)廢的。對(duì)于小半徑曲線上的鋼軌而言，輪軌的磨耗和損傷十分嚴(yán)重，具體表現(xiàn)在曲線上股鋼軌側(cè)磨加劇，導(dǎo)致幾何形狀發(fā)生改變， 有效截面減小，影響運(yùn)營安全。因此，必須在鋼軌磨損達(dá)到一定限度時(shí)就更換鋼軌，以保證 列車的運(yùn)營安全。嚴(yán)重的鋼軌側(cè)面磨耗減少了鋼軌的強(qiáng)度，加劇了鋼軌的傷損， 縮短了鋼軌的使用壽命，不僅浪費(fèi)大量的資金，而且還干擾運(yùn)營任務(wù)的完成。因此，延長鋼軌使用壽命對(duì)解決軌道交通因鋼軌磨耗而出現(xiàn)報(bào)廢的問題具有積極意義。1曲線鋼軌磨損機(jī)理鋼軌磨耗主

2、要有垂直磨耗、側(cè)面磨耗、鞍型磨耗和波形磨耗（簡稱波磨）等。其中影響 最大的是鋼軌的側(cè)面磨耗和波形磨耗，下面就這兩種磨耗機(jī)理進(jìn)行簡單闡述。1.1波磨機(jī)理波形磨耗是指鋼軌使用后鋼軌頂面出現(xiàn)的波形不均勻磨耗。按其波長分為短波（波紋形磨耗）和長波（波浪形磨耗）兩種。據(jù)研究，鋼軌波形磨損形成的充要條件是輪軌接觸點(diǎn)上 的法向力和切向力聯(lián)合作用結(jié)果，使舊鋼軌軌頭內(nèi)產(chǎn)生27mm深的塑性區(qū)，并且在縱向負(fù)蠕滑率作用下，塑性區(qū)向上向前產(chǎn)生碾壓變形基礎(chǔ)單波，同時(shí)踏面經(jīng)過不均勻磨耗和壓寬， 由單波發(fā)展成多波， 從而導(dǎo)致波形磨損的發(fā)生和發(fā)展。在輪軌系統(tǒng)中，影響鋼軌波磨形成的因素很多，大致分為兩類：一是輪對(duì)的扭轉(zhuǎn)粘滑振動(dòng)的

3、強(qiáng)度，它決定了是否會(huì)形成鋼軌波磨；二是在車輛運(yùn)行條件下，鋼軌波磨是否會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，是加速還是減緩波磨的發(fā)展，則取決于軌道彈性和阻尼、機(jī)車車輛及其走形部構(gòu)造特性、曲線半徑、輪軌間粘著系數(shù)及輪軌蠕滑力特性曲線、軌道不平順等因素 （見圖1）。fill濾I示雹99圖1 波磨示意圖1.2側(cè)磨機(jī)理鋼軌側(cè)磨發(fā)生在小半徑曲線的外股鋼軌上，是目前曲線上傷損的主要類型之一。列車在曲線上運(yùn)行時(shí)，輪軌的摩擦與滑動(dòng)是造成外軌側(cè)磨的根本原因。當(dāng)機(jī)車車輛在直線軌道上運(yùn)行時(shí)，一般輪軌間僅為一點(diǎn)接觸，但列車通過小半徑曲線時(shí)，外輪緣與外軌的軌距線相互貼 靠，產(chǎn)生兩點(diǎn)接觸現(xiàn)象， 并在該點(diǎn)上產(chǎn)生鋼軌對(duì)車輪的導(dǎo)向力。與此同時(shí)，輪軌接觸

4、點(diǎn)上的輪對(duì)運(yùn)行方向與軌距線的切線方向形成一個(gè)沖角a，輪緣將緣著切線方向?qū)夘^邊緣不斷削磨，產(chǎn)生側(cè)磨。側(cè)磨的大小可用導(dǎo)向力與沖角的乘積即磨耗因子來表示。因此，導(dǎo)向力和沖 角是決定鋼軌側(cè)磨大小的兩個(gè)主要因素。疲勞裂紋圖、鋼軌外軌磨耗示意圖分別如圖2、圖3所示。02液動(dòng)授觸疲勞裂埴圖2滾動(dòng)接觸疲勞裂紋帽坑玻動(dòng)接觸疲勞珥蚊X *軌謨腦啊凱忡瓠席疑示直留圖3鋼軌外軌磨耗示意圖2曲線鋼軌磨耗的影響因素分析曲線鋼軌磨耗的影響因素存在于軌道和機(jī)車兩個(gè)方面。從軌道方面而言，影響因素有： 曲線半徑、外軌超高、曲線軌距加寬，輪軌間的摩擦系數(shù)、 輪軌游間以及曲線狀態(tài)的好壞等; 從機(jī)車方面而言，影響因素有：機(jī)車的類型、

5、軸重、機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)造、機(jī)車牽引性能以及行 車速度。2.1軌道參數(shù)對(duì)鋼軌磨耗的影響2.1.1曲線半徑大小的影響鋼軌曲線段車輪與鋼軌相互作用產(chǎn)生對(duì)列出輪對(duì)的導(dǎo)向作用，車輪與鋼軌產(chǎn)生相互間的粘著、蠕滑，輪軌的磨耗和損傷十分嚴(yán)重。而且半徑越小，鋼軌磨耗越嚴(yán)重。表 1列出了某 地鐵線路小曲線半徑處的鋼軌磨耗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。表1小曲線半徑對(duì)磨耗影響表事成?？陔拘好髍車I眉籬 政維明31»:*»!=艮荒4F.II.flwlrIIII年 2JX9- *!*st皿.武小J12<fr 3.1<711Q3 >3735,上W51111電S.l34AFJ上MlMS丁府iUJX219Sg

6、W4網(wǎng)Tf1 *(L0611.4925gll4191物w1檢11iS»£ WBAIB更2EI: JfiIS?1_12.1.2 軌距如圖 4 所示：a =（DA-DB）/（4n）S =8 + q（n為踏面斜率；D為滾動(dòng)圓直徑）如果軌距變大，則游間a增大（輪軌游間值為軌距與輪對(duì)寬度之差）。列車進(jìn)入曲線時(shí),運(yùn)行的蛇形幅度變大，列車左右擺動(dòng)加強(qiáng)，作用于鋼軌的橫向力增大，輪軌間撞擊力也變大, 從而加劇輪軌磨耗和軌道變形?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，適當(dāng)減小軌距，可以改善機(jī)車車輛通過曲線的條件，使兩輪的滾動(dòng)半徑差增大，滑動(dòng)力減小，輪緣與外軌側(cè)面之間的摩擦力也就減小， 同時(shí)車體橫向搖擺減弱，輪軌導(dǎo)向力

7、也適當(dāng)減小，從而減輕側(cè)磨 （見圖4）。11圖4兩車輪滾動(dòng)半徑2.1.3 超高由于超高影響導(dǎo)向力和沖角的變化，因而直接影響鋼軌軌頭側(cè)磨速率的大小。經(jīng)過對(duì)欠超高與過超高對(duì)曲線鋼軌側(cè)磨的影響的大量觀測(cè)試驗(yàn)表明，有著適當(dāng)?shù)那烦邔?duì)減緩鋼軌側(cè)磨是有利的。表2超局對(duì)側(cè)磨影響表不司峪辰也用倒筑胃解量的：討止bt/mmB, '"WmMi mnab JOOh=t2n23713.46M35IHfi4*tins*4 924i77北京鐵路局與北方交大合作也曾對(duì)此進(jìn)行長期研究，并在石家莊至太原鐵路線小半徑曲線地段建立了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)段。如表2所示，試驗(yàn)段實(shí)測(cè)的列車平均速度為v=78km/h,曲線半徑R=60

8、0m按傳統(tǒng)的超高公式計(jì)算的平衡超高為h=120mm實(shí)測(cè)側(cè)磨量數(shù)據(jù)表明， 在平衡超高時(shí)鋼軌側(cè)磨量最大，試驗(yàn)同時(shí)也表明在小于平衡超高時(shí)鋼軌側(cè)磨量最小，得到了與其上相同的結(jié)論。各方專家研究表明，按平均速度算得的超高減少15%來設(shè)置曲線超高是比較合理的。2.1.4軌底坡對(duì)輪軌接觸幾何關(guān)系的研究表明，輪軌接觸角不同時(shí)，輪對(duì)中心將偏離軌道中心線以不同的滾動(dòng)半徑運(yùn)行。 加大內(nèi)軌軌底坡，減緩?fù)廛壾壍灼?，可加大?nèi)外輪滾動(dòng)半徑差，減小車輪在外軌上的滾動(dòng)距離，從而達(dá)到減緩側(cè)磨的目的。石太線對(duì)R=300m的兩曲線改變軌底坡后，月均側(cè)磨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表 3所示。分析結(jié)果表明，曲線內(nèi)軌軌底坡加大，曲線外軌軌底坡減小，將會(huì)減少

9、輪對(duì)通過曲線時(shí)的輪軌滑動(dòng)量，進(jìn)而有利于減緩曲線鋼軌磨損。表3軌底坡對(duì)側(cè)磨影響表月月IIUTL時(shí)U的SLiSw1/H01網(wǎng)頑1IZ2A0.360K73 +0,5831.仲ft 3432.1.5曲線圓順度曲線鋼軌不均勻側(cè)磨的形成與曲線的圓順度有關(guān)系。曲線不圓順就意味著曲線半徑不一致，有的所處半徑變大， 有的所處半徑變小。 小半徑曲線鋼軌磨損嚴(yán)重，大半徑曲線鋼軌磨 損較輕，從而形成不均勻磨損，減少鋼軌的使用壽命。曲線圓順度的不良直接引起輪軌橫向 力及導(dǎo)向力的改變，在圓順度不良曲線范圍內(nèi)的后四分之一段，其導(dǎo)向力和沖角增大較多， 鋼軌側(cè)磨加劇。因此，進(jìn)行撥道使曲線圓順及整治接頭和消滅硬彎是防止不均勻磨耗

10、的有效 措施。2.2鋼軌材質(zhì)對(duì)磨耗的影響由于各條線路的鋼軌情況不同，所以影響輪軌磨耗的程度也不盡相同。各國鐵路部門都在增加鋼軌重量和提高鋼軌技術(shù)性能兩方面下功夫。據(jù)德國文獻(xiàn)資料，速度由120km/h提高到160km/h時(shí)鋼軌應(yīng)力增加10.8%,這就需要增加鋼軌的重量和改善鋼軌的性能。石家莊工 務(wù)段在石太線上行 23個(gè)曲線的6.745km線路上鋪設(shè)各種高強(qiáng)度、高硬度鋼軌，磨耗情況如 表4所示。高強(qiáng)度鋼軌能有效延長鋼軌的使用壽命，故改進(jìn)鋼材的生產(chǎn)工藝，保證鋼軌質(zhì)量的均一性，對(duì)減緩鋼軌磨耗可以起很大的作用（見表4）。表4鋼軌材質(zhì)對(duì)磨耗影響表不同材.朋銅妹邸尚»日11窗H捋英普政,函雄半徑F

11、03WM5 丁聃Sih(X眼使 HWRf4.421.53曲線鋼軌磨耗的減緩措施3.1.1輪軌潤滑列車在曲線段上行駛，在輪軌接觸面涂油，可以降低滑動(dòng)摩擦因素，大大降低摩擦力， 達(dá)到減緩鋼軌磨耗的目的。輪軌涂油的效果已為國內(nèi)外的鐵路運(yùn)營實(shí)踐所證實(shí)。根據(jù)美國的試驗(yàn)資料，涂油后鋼軌側(cè)磨量降至原來的1/51/7 ,效果非常明顯。為了減緩輪緣與軌頭側(cè)向磨損，可采用輪緣和鋼軌軌頭工作邊潤滑方法。(1)人工涂液態(tài)油人工涂油只能使用液態(tài)油，用量難于控制。油滲入疲勞紋將加速疲勞紋的發(fā)展，同時(shí)加大了車輪橫向滑動(dòng)。因此已經(jīng)較少采用人工涂油。(2) 在列車上安裝固體涂油裝置車載式鋼軌涂脂裝置投資少、見效快，是減緩輪軌磨

12、損和延長輪軌使用壽命的有效方法。 只要進(jìn)行科學(xué)的管理和使用，一定會(huì)達(dá)到理想的減磨效果，取得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。3.2鋼軌斷面打磨機(jī)車車輛通過曲線一般是靠導(dǎo)向力來導(dǎo)向，而現(xiàn)代化曲線通過理論證明，在一定的曲線半徑和機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)下，可用輪軌蠕滑力導(dǎo)向，從而使外側(cè)輪緣簿貼靠外軌或減小貼靠時(shí)的 沖角，以減輕輪軌磨耗。如圖5所示，非對(duì)稱打磨的斷面形狀，對(duì)外軌打磨可使輪軌接觸點(diǎn) A移到B點(diǎn)，則內(nèi)外輪滾動(dòng)半徑增大。理論上說，這個(gè)差值若能比內(nèi)外軌長度差略大，則外 側(cè)輪軌可不接觸，完全由輪軌蠕滑力導(dǎo)向，這是最理想的。對(duì)內(nèi)軌打磨可以避免輪緣根部與軌距角的接觸，防止軌頭的剝離。非對(duì)稱打磨在減緩鋼軌側(cè)磨、延長鋼軌

13、使用壽命方面取得很大效果。國外應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明：將這種技術(shù)用于重載鐵路，橫向力可減少50粉90%延長鋼軌使用壽命50%A上。另外，我們還可以進(jìn)行校正性打磨，保持軌面的平順，再結(jié)合預(yù)防 性打磨，打磨掉鋼軌表面的細(xì)微裂紋，使之不能發(fā)展成接觸疲勞型波磨。蝦尊內(nèi)耽iTBt啟外槍A, D蠢示打磨后外岸+5擎船打磨圖圖5鋼軌打磨圖3.3改善轉(zhuǎn)向架性能改善車輛曲線通過性能是研究轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能一直追求的目標(biāo)。根據(jù)相關(guān)資料表明，采用徑向轉(zhuǎn)向架是降低曲線上輪軌磨耗和提高直線上穩(wěn)定性的有效措施，適合運(yùn)用在擺式列車及曲線較多的既有線提速客車上。3.4加強(qiáng)車輛的維修保養(yǎng)車輛高質(zhì)量的維修保養(yǎng)，也能減緩輪軌側(cè)磨。例如，對(duì)車輪

14、踏面上扁疤及時(shí)進(jìn)行修正。另外，當(dāng)輪對(duì)定位缺陷與曲線方向成不利組合時(shí)，輪軌磨耗增大近4倍。降低輪對(duì)定位誤差,及時(shí)維修養(yǎng)護(hù)車輛，使輪對(duì)處于良好的狀態(tài)，則對(duì)減緩曲線鋼軌的側(cè)磨和輪緣的磨損都是有 利的。3.5小曲線半徑地段安裝新型護(hù)輪軌彈性減磨、防脫新型護(hù)軌裝置是近年來鐵道科學(xué)研究院研制的新型護(hù)軌裝置。它主要由護(hù)軌及護(hù)軌支架組成，護(hù)軌不與軌枕發(fā)生關(guān)系，是先將護(hù)軌支架用螺栓與扣板緊固在鋼軌（走行軌）的軌底上，再將護(hù)軌用螺栓緊固在支架上，護(hù)軌的輪緣槽寬度根據(jù)需要可調(diào)。該裝置在國內(nèi)城市軌道交通線上已廣泛采用，該裝置能減少小半徑曲線外股鋼軌軌頭側(cè)面的磨耗與傷損，能延長鋼軌使用壽命 34倍，減少小半徑曲線保養(yǎng)、維修工作量30防40%。該裝置也可在道岔尖軌尖端前基本軌處安裝，減少車輪對(duì)尖軌的撞擊。4國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展前景針對(duì)不可避免的輪軌磨耗，各國都采取了不同的減少磨耗方法。有的從輪軌關(guān)系入手， 利用蠕滑力導(dǎo)向改善輪軌的接觸條件和摩擦條件；有的從增加鋼軌重量和提高鋼軌技術(shù)性能兩方面下功夫；有的通過更換曲線上股鋼軌為全長淬火軌，提高鋼軌的使用壽命；有的采用曲線鋼軌不對(duì)稱斷面打磨技術(shù)減緩側(cè)