重載鐵路曲線鋼軌型面的發(fā)展規(guī)律分析

詹 剛， 許玉德， 周 宇

(1．鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線站處，天津 300142;2．同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

0 引言

在小半徑曲線上，外軌嚴(yán)重側(cè)磨，內(nèi)軌嚴(yán)重壓潰，以及鋼軌波浪形磨損，大大惡化了輪軌接觸狀況，增加了輪軌動(dòng)力作用，影響了行車品質(zhì)，縮短了鋼軌使用壽命，增加了鐵路的養(yǎng)護(hù)維修成本。而外股鋼軌磨損下道也一直是小半徑曲線鋼軌更換的主要原因，是工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修工作的重點(diǎn)［1］。尤其是隨著重載鐵路車輛軸重的增加、車流密度的增大和列車速度的提高，曲線鋼軌磨損問題日趨嚴(yán)重。

由于鋼軌磨損加劇而導(dǎo)致的過早、過頻的更換鋼軌，除了增加養(yǎng)護(hù)維修工作量，還會(huì)給運(yùn)輸生產(chǎn)帶來(lái)極大的干擾。因此掌握曲線鋼軌的磨損情況以及摸清其型面變化規(guī)律，并且采取有效措施，以減緩曲線鋼軌的磨損，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命尤為重要。

然而國(guó)內(nèi)目前尚未見對(duì)一個(gè)使用壽命周期內(nèi)鋼軌軌頭型面變化的跟蹤觀測(cè)，也缺少對(duì)鋼軌型面的分析軟件。本文通過借鑒鐵路軌頭輪廓制定標(biāo)準(zhǔn)［2］和歐盟鐵路制定的鋼軌打磨、銑磨作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的橫斷面驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［3］開發(fā)了鋼軌型面管理軟件(RPM)。鋼軌型面管理軟件提供的型面變化均值統(tǒng)計(jì)功能也使得鐵路工務(wù)部門可以對(duì)軌檢車采集到的大量鋼軌型面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估，從而制定合適的鋼軌養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃。利用鋼軌型面管理軟件對(duì)某重載鐵路小半徑曲線鋼軌型面進(jìn)行了從新軌上道到下道的跟蹤觀測(cè)，并分析型面變化發(fā)展的規(guī)律。這將有助于指導(dǎo)鋼軌的打磨和銑磨作業(yè)，為制定打磨周期和打磨量提供依據(jù)。而對(duì)鋼軌型面變化的分析也為鋼軌的型面優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)介紹及鋼軌型面管理軟件(RPM)

1．1 試驗(yàn)介紹

隨著重載鐵路運(yùn)量和速度的不斷提高，鋼軌傷損出現(xiàn)頻率加快，曲線外軌磨耗下道是重載鐵路鋼軌常見的病害。本次試驗(yàn)以某重載鐵路的小半徑曲線為對(duì)象，采用75 kg/m 鋼軌，曲線半徑500 m，外軌超高90 mm，圓曲線長(zhǎng)度393 m，緩和曲線長(zhǎng)110 m，曲線線路縱坡7‰。共測(cè)試9 次，測(cè)試時(shí)間分別為新軌上道后、累計(jì)通過總重10 Mt、30 Mt、60 Mt、100 Mt、150 Mt、210 Mt、280 Mt 和320 Mt。外軌每隔5 m 設(shè)一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，共計(jì)設(shè)置了126 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。每次利用采用鋼軌型面測(cè)量裝置(儀器精度0．02 mm)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了每個(gè)點(diǎn)的鋼軌型面數(shù)據(jù)，共計(jì)9 次，取得1 134 個(gè)鋼軌型面數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了分析總結(jié)，以了解新軌上道之后，隨累積通過總重的增加，鋼軌型面的發(fā)展變化。

1．2 鋼軌型面管理軟件(RPM)

垂磨和側(cè)磨是檢測(cè)鋼軌狀態(tài)時(shí)用以評(píng)價(jià)鋼軌傷損程度的兩個(gè)重要指標(biāo)，而在鋼軌打磨或銑磨時(shí)采用的鋼軌橫斷面驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)又是利用打磨或銑磨后的鋼軌橫斷面與理想橫斷面(也就是基準(zhǔn)鋼軌的橫斷面)在軌頭打磨區(qū)內(nèi)的偏差程度來(lái)制定。而鋼軌型面管理軟件(RPM)則是利用變化后的鋼軌型面與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面的偏差程度來(lái)分。為此，將測(cè)量的鋼軌與標(biāo)準(zhǔn)的鋼軌型面的內(nèi)側(cè)下顎位置對(duì)準(zhǔn)，即測(cè)算與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面切線相垂直的方向兩斷面之間的偏差，軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面在各個(gè)角度的偏差量(磨損量)進(jìn)行了分析。標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面上某點(diǎn)的角度定義為此點(diǎn)切線與水平線的夾角，工作邊角度大于0°，非工作邊角度小于0°。圖1 為標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面非工作邊-40°角所在位置。

2 鋼軌型面變化發(fā)展規(guī)律分析

鋼軌上最大垂、側(cè)磨點(diǎn)是控制其因磨損下道的關(guān)鍵。但在平時(shí)養(yǎng)護(hù)維修及鋼軌狀態(tài)檢測(cè)時(shí)，比較不同位置的鋼軌哪個(gè)磨損速率快，需要重點(diǎn)關(guān)注，哪個(gè)需要優(yōu)先更換時(shí)，一些鐵路將整段曲線或單位長(zhǎng)度的直線段鋼軌作為單個(gè)的評(píng)價(jià)對(duì)象，得到其隨通過總重的變化，鋼軌磨損的變化情況。對(duì)某段曲線從新軌上道，隨通過總重增加，圓曲線鋼軌型面的變化情況進(jìn)行了分析總結(jié)。

2．1 鋼軌型面隨通過總重增加的變化規(guī)律

圖2 為典型圓曲線鋼軌型面隨累計(jì)通過總重變化圖，從新軌上道到累積通過總重10 Mt，圓曲線的外軌型面在軌距邊有輕微的塑性變形出現(xiàn);10 ～30 Mt 時(shí)，這些塑性變形被磨損掉;30 Mt 以上后，外軌軌距邊逐漸發(fā)生側(cè)磨，在小于60 Mt 時(shí)，型面還能保持較好的形狀;累積通過總重達(dá)到100 Mt 時(shí)，外軌型面軌距邊由于較明顯的側(cè)磨而變形，側(cè)磨下緣出現(xiàn)肥邊;之后，隨著通過總重的累積，側(cè)磨越來(lái)越大，肥邊越來(lái)越突出，外軌型面的軌距邊越來(lái)越向內(nèi)凹;在200 Mt 以后，過度的側(cè)磨同時(shí)引起垂磨的增加，鋼軌最后因磨損下道。由此可見，此點(diǎn)圓曲線外軌的型面受側(cè)磨和垂磨雙重影響，且在鋼軌使用的后期，塑性變形對(duì)鋼軌的型面的發(fā)展變化有重要影響。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面角度位置示意

2．2 鋼軌型面磨損量隨通過總重的發(fā)展規(guī)律

利用鋼軌型面管理軟件(RPM)提供的型面變化均值統(tǒng)計(jì)功能，得到了圓曲線上所有測(cè)點(diǎn)的鋼軌型面在各角度磨損量的平均值，如圖3 所示。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)鋼軌表面接觸帶位置分布，外軌輪軌接觸帶很少在小于-10°角的非工作邊接觸，因此統(tǒng)計(jì)時(shí)，分析了從非工作邊-10°角到工作邊80°角鋼軌的磨損情況。由圖可知，隨著通過總重的增加，各角度處鋼軌的磨損量都在增加，但增加的程度不一樣。從非工作邊到工作邊，隨著角度的增加，鋼軌的磨損量也在增加。以5°角處為明顯的分界線，大于5°角處的點(diǎn)，鋼軌磨損量相對(duì)較大，小于5°角的，磨損量相對(duì)較小。在通過總重為3．2 億t 時(shí)，-10°角處鋼軌的磨損量為0．5 mm，而此時(shí)80°處的鋼軌磨損量已達(dá)到13．1 mm。即外軌工作邊軌距角處的鋼軌磨損量是最大的。由此可見，對(duì)于圓曲線鋼軌，輪軌接觸區(qū)主要發(fā)生在鋼軌軌距角和軌頂，軌頂和軌距角處鋼軌的磨損較大。

圖4 為圓曲線外軌各角度的磨損速率統(tǒng)計(jì)，由圖4 可知，在10 Mt 通過總重時(shí)，磨損速率最快的在鋼軌的5°角和60°角的接觸范圍內(nèi)，此時(shí)由于通過總重較小，鋼軌頂面以下16 mm 處的側(cè)磨位置到鋼軌的80°角附近，鋼軌磨損不大。當(dāng)鋼軌通過總重大于30 Mt 后，鋼軌軌距角處附近的磨損速率在增大，鋼軌軌頂中心非工作邊側(cè)的磨損速率較小。在通過總重達(dá)到100 Mt 后，隨角度的增加，鋼軌的磨損速率也在變大，即磨損速率與角度成正比。通過總重為2．8 億t 后，鋼軌軌距角的磨損速率比軌頂中心附近增長(zhǎng)的更快。

圖3 圓曲線外軌各角度磨損量

圖4 圓曲線外軌各角度磨損速率

圖5 為圓曲線外軌各角度磨損速率的平均值隨通過總重的變化示意圖。由圖5 可知，重載鐵路此段外軌磨損的發(fā)展規(guī)律為“浴盆曲線”形式，曲線的形狀為兩頭高，中間低，具有明顯的階段性，可劃分為三個(gè)階段:快速發(fā)展期(磨合期)，平穩(wěn)發(fā)展期，急劇發(fā)展期。第一個(gè)階段:快速發(fā)展期(磨合期)，即通過總重為0 ～30 Mt，新軌上道后，由于鋼軌表面脫碳層的存在，鋼軌制造工藝的缺陷以及輪軌型面的磨合，在此階段鋼軌的磨損快速發(fā)展;第二階段:平穩(wěn)發(fā)展期，即通過總重在30 ～210 Mt，鋼軌磨損量平穩(wěn)增長(zhǎng)，平均磨損速率為0．014 6 mm/Mt，此階段使得鋼軌的磨損速率較新軌上道減緩并趨于穩(wěn)定;第三階段:急劇發(fā)展期，即通過總重為210 MT 以后，鋼軌磨損急劇增加，由鋼軌型面分析可知，在此階段，外軌軌距角有嚴(yán)重的塑性變形出現(xiàn)。對(duì)各階段鋼軌磨損速率進(jìn)行擬合，得到從新軌上道到鋼軌下道，鋼軌磨損發(fā)展各階段的磨損速率擬合直線，見表1，其中，x 為通過總重，V 為磨損速度，Z 為磨損量。圖6 為該段曲線鋼軌的磨損量分段擬合曲線。

圖5 圓曲線外軌各角度平均磨損速率

圖6 圓曲線外軌各角度平均磨損量的擬合曲線

表1 圓曲線外軌各角度平均磨損及其擬合函數(shù)

2．3 鋼軌型面磨損規(guī)律與鋼軌打磨的關(guān)系

在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中，鋼軌的使用壽命主要由磨耗和滾動(dòng)接觸疲勞決定。要延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命，需要考慮鋼軌制造和養(yǎng)護(hù)維修兩個(gè)方面。具體地說，就是生產(chǎn)高質(zhì)量鋼軌，有效地潤(rùn)滑輪軌界面和對(duì)鋼軌斷面進(jìn)行科學(xué)打磨。鋼軌打磨是線路養(yǎng)護(hù)維修中的重要手段［4］。鋼軌打磨技術(shù)主要分新軌預(yù)打磨，預(yù)防性打磨和修復(fù)性打磨。而鋼軌打磨(銑磨)最理想的狀態(tài)是在鋼軌疲勞裂紋發(fā)展較緩慢的短小裂紋時(shí)，自然磨損與人工打磨(銑磨)相結(jié)合使得鋼軌表面材料的磨損剛好抑制小疲勞裂紋在鋼軌中的發(fā)展，即使鋼軌疲勞和磨損處于平衡狀態(tài)，這種鋼軌表面材料的清除量稱之為“最佳磨耗率”［5］。

而鋼軌磨損發(fā)展的三個(gè)明顯的階段為三種不同的鋼軌打磨技術(shù)提供了介入時(shí)機(jī):在快速發(fā)展期，即新線鋼軌鋪設(shè)后，或者大修鋼軌更換后對(duì)新鋪鋼軌進(jìn)行打磨，消除鋼軌生產(chǎn)及運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的原始不平順、軌頭表面脫碳層、軌頭表面殘余應(yīng)力層，并盡量減小軌頭表面的原始粗糙度，從而加速輪軌型面的磨合新軌預(yù)打磨;而在鋼軌磨損的平穩(wěn)發(fā)展期則進(jìn)行周期性的、快速的、打磨量較少的鋼軌打磨，打磨量(銑磨量)則根據(jù)鋼軌磨損的平穩(wěn)性以確定其“最佳磨耗率”，從而維持一個(gè)優(yōu)化的鋼軌外形斷面，改善輪軌接觸關(guān)系，最大限度地預(yù)防鋼軌表面疲勞裂紋的出現(xiàn);而在鋼軌磨損的急劇發(fā)展期之前，則應(yīng)對(duì)鋼軌進(jìn)行修復(fù)性打磨(銑磨)，以消除鋼軌的各種缺陷為重點(diǎn)，采用大打磨量，重塑鋼軌型面，恢復(fù)與車輪型面能良好匹配、得到應(yīng)力較小的鋼軌型面，從而達(dá)到延長(zhǎng)鋼軌使用壽命周期、減少養(yǎng)護(hù)和管理成本的目的。國(guó)外試驗(yàn)研究證明，在鋼軌傷損初期進(jìn)行預(yù)防性打磨(銑磨)作業(yè)，其成本低于修復(fù)性打磨(銑磨)的成本。同時(shí)，由于預(yù)防性打磨(銑磨)作業(yè)占用的作業(yè)時(shí)間少，因此對(duì)軌道影響小，運(yùn)營(yíng)成本也得到節(jié)約。因此，在鋼軌磨損的平穩(wěn)發(fā)展期應(yīng)注重并加強(qiáng)對(duì)鋼軌的預(yù)防性打磨(銑磨)。

3 結(jié)論

此段曲線鋼軌新軌上道后，隨著通過總重的增加，利用鋼軌型面管理軟件，對(duì)鋼軌型面的發(fā)展變化進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論:

(1)將某段曲線或某單位長(zhǎng)度的直線鋼軌作為評(píng)價(jià)鋼軌狀態(tài)檢測(cè)的評(píng)價(jià)對(duì)象，更有利于客觀、系統(tǒng)、有效地評(píng)價(jià)鋼軌的狀態(tài)，用以制定合適的鋼軌養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃，但如何將軌檢車的海量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到鋼軌型面管理軟件，則有待進(jìn)一步研究。

(2)重載鐵路此段外軌磨損的發(fā)展規(guī)律為“浴盆曲線”形式，曲線的形狀為兩頭高，中間低，具有明顯的階段性，可劃分為三個(gè)階段:快速發(fā)展期(磨合期)，平穩(wěn)發(fā)展期，急劇發(fā)展期。第一個(gè)階段:快速發(fā)展期(磨合期)，即通過總重為0 ～30 Mt，新軌上道后，由于鋼軌表面脫碳層的存在，鋼軌制造工藝的缺陷以及輪軌型面的磨合，在此階段鋼軌的磨損快速發(fā)展;第二階段:平穩(wěn)發(fā)展期，即通過總重在30 ～210 Mt，鋼軌磨損量平穩(wěn)增長(zhǎng)，平均磨損速率為0．014 6 mm/Mt，此階段鋼軌的磨損速率較新軌上道減緩并趨于穩(wěn)定;第三階段:急劇發(fā)展期，及通過總重為210 Mt 以后，鋼軌磨損急劇增加，由鋼軌型面分析可知，在此階段，外軌軌距角有嚴(yán)重的塑性變形出現(xiàn)。

(3)在新軌上道后不久進(jìn)行新軌預(yù)打磨(銑磨)，將加速輪軌型面的磨合;在鋼軌磨損的平穩(wěn)發(fā)展期可以利用其平穩(wěn)發(fā)展規(guī)律得到的最優(yōu)磨損率指導(dǎo)預(yù)防性鋼軌打磨(銑磨);在鋼軌磨損的急劇發(fā)展期開始之前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行鋼軌型面的修復(fù)性打磨(銑磨)，重塑鋼軌型面。為了有效利用鋼軌型面發(fā)展變化規(guī)律及得到最佳磨損率，指導(dǎo)鋼軌打磨或銑磨，還需要進(jìn)一步研究鋼軌疲勞裂紋的萌生和發(fā)展規(guī)律。

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