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    鋼軌波浪形磨耗原因分析與對(duì)策

    2019-04-21 07:06:40張博
    科學(xué)與技術(shù) 2019年6期
    關(guān)鍵詞:對(duì)策

    張博

    摘要:準(zhǔn)東鐵路建設(shè)于1998年,2001年正式通車,主要以煤炭運(yùn)輸為主。全長(zhǎng)323.245公里,正線224.935公里,站線98.309公里。屬于典型的山區(qū)重載鐵路,隧道多,橋梁多曲線多坡度大等特點(diǎn),使用的鋼軌為P60U71M和P60U78V兩種型號(hào)的鋼軌。

    關(guān)鍵詞:鋼軌波浪形;磨耗原因;對(duì)策

    波浪形磨耗的定義與分類

    波浪形磨耗(簡(jiǎn)稱波磨)位于鋼軌頂面與車輛車輪的接觸面,在鋼軌頂面白光中一種波浪形狀的不均勻磨耗傷損。

    波浪形磨耗分為磨耗性波磨、塑流性波磨和混合性波磨3種。

    一、波浪形磨耗形成的原因

    當(dāng)車輛通過曲線半徑較小的線路時(shí),由于輪對(duì)沖角的改變,輪軌的縱向剪切力超過輪軌黏著極限,輪軌間發(fā)生縱向滑動(dòng),滑動(dòng)處形成波谷;滑動(dòng)后釋放了積累的能量,使輪軌又處于黏著狀態(tài),鋼軌表面出現(xiàn)波浪形波磨。

    磨損性波磨是由于輪對(duì)在通過曲線時(shí),輪對(duì)扭曲共振導(dǎo)致交替的縱向力,從而在車輪與鋼軌間發(fā)生縱向滑動(dòng)而產(chǎn)生波磨。這不僅與車輪的重力角剛度特性有關(guān),而且與曲線曲率及輪軌黏著狀態(tài)有直接關(guān)系,主要是輪軌之間的粘滑振動(dòng)導(dǎo)致內(nèi)軌頂面的波磨。當(dāng)車輛通過曲線半徑較小的線路時(shí),由于輪對(duì)沖角的改變,輪軌的縱向剪切力超過輪軌黏著極限,輪軌間發(fā)生縱向滑動(dòng),滑動(dòng)處形成波谷;滑動(dòng)后釋放了積累的能量,使輪軌又處于黏著狀態(tài),鋼軌表面出現(xiàn)波浪形波磨。

    道床不潔,污染嚴(yán)重,軌枕下道碴含土或石粉嚴(yán)重(軌枕下60mm處就已經(jīng)出現(xiàn)),有嚴(yán)重的板結(jié)現(xiàn)象。使線路的橫向及縱向阻力加大,但道床的彈性減小,反彈力增大,容易產(chǎn)生波磨。

    鋼軌下大膠墊損壞嚴(yán)重,較大的損壞率為86%,較小的損壞率也達(dá)到了10%,使線路的彈性下降,容易產(chǎn)生波磨。

    鋼軌的材質(zhì)與運(yùn)量不匹配,準(zhǔn)東鐵路重車線大部分是U71Mn的包鋼生產(chǎn)的鋼軌,這類鋼軌含碳量低,強(qiáng)度和韌性較小,對(duì)重載大運(yùn)量線路不適合,難以承受,導(dǎo)致波磨的產(chǎn)生。

    二、波浪形磨耗的危害

    根據(jù)鋼軌的傷損標(biāo)準(zhǔn),在橋梁上或隧道內(nèi)的輕傷鋼軌,應(yīng)及時(shí)更換或處理。重車線的小半徑曲線大部分集中在橋、隧上,現(xiàn)已對(duì)行車造成了嚴(yán)重威脅;

    經(jīng)機(jī)車車輪在波磨地段的連續(xù)沖擊振動(dòng),對(duì)機(jī)車、車輛易產(chǎn)生較大的破壞性振動(dòng);

    小曲線波磨地段,加速對(duì)軌道結(jié)構(gòu)造成破壞,產(chǎn)生軌道空掉、泛白、坍砟等基床病害。

    準(zhǔn)東鐵路大多數(shù)波磨鋼軌都產(chǎn)生在曲線上,而且波磨鋼軌引起的振動(dòng)對(duì)機(jī)車、橋梁、路基及道床都有極大的破壞,對(duì)列車的運(yùn)行有著不穩(wěn)定因素,有導(dǎo)致列車脫軌的安全隱患。

    三、波浪形磨耗的對(duì)策

    曲線鋼軌的波浪形磨耗是不可避免的,但是通過采取各種措施,可減緩曲線上鋼軌波磨傷損的發(fā)展和生產(chǎn)。

    1、有效的實(shí)施鋼軌打磨,鋼軌打磨分為兩種,是預(yù)防性打磨和修理性打磨。預(yù)防性打磨可以消除曲線地段粘滑振動(dòng)和消除粘滑振動(dòng)應(yīng)起的不均勻磨耗的疊加效應(yīng)。修理性打磨針對(duì)較大的波磨傷損,終止波磨的惡性循環(huán)式的發(fā)展。打磨是解決鋼軌波磨的主要方法,可提高鋼軌的使用壽命。

    2、大機(jī)清篩易出現(xiàn)波磨地段的線路,對(duì)橋梁,隧道地段人工清篩,徹底解決道床板結(jié)問題,增加道床的彈性。

    3、更換膠墊,對(duì)膠墊的質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān),選用高彈膠墊,恢復(fù)線路彈性。

    4、選用高強(qiáng)度鋼軌,增加鋼軌的耐磨性,延緩波磨的產(chǎn)生和發(fā)展。

    5、增設(shè)斜性膠墊,增加鋼軌與輪對(duì)的接觸面,減小二者之間的縱向滑動(dòng),抑制輪軌處在黏著狀態(tài),從而減少波磨的產(chǎn)生。

    6、加強(qiáng)線路的保養(yǎng)和調(diào)查,對(duì)曲線經(jīng)常檢查鋼軌狀態(tài)和測(cè)量曲線的幾何尺寸,膠墊的損壞程度,道床的清潔度等。

    四、城市軌道交通鋼軌波磨特征綜述

    鋼軌波磨作為城市軌道交通鋼軌傷損的主要形式之一,早已引起了發(fā)達(dá)國(guó)家軌道交通工務(wù)部門的重視。美國(guó)、加拿大、法國(guó)、意大利和日本等國(guó)先后對(duì)所在地區(qū)的軌道交通線路上的波磨進(jìn)行了大范圍的觀測(cè)與統(tǒng)計(jì),總結(jié)出了軌道交通鋼軌波磨的一些特征。Tassilly等在20世紀(jì)80年代末期對(duì)巴黎都市軌道交通管理局(RATP)運(yùn)營(yíng)的巴黎地鐵和法國(guó)快速軌道網(wǎng)絡(luò)線路上的鋼軌波磨進(jìn)行了觀測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn):波磨主要出現(xiàn)在曲線上且種類各異,波長(zhǎng)一般在50~300mm之間;波磨或出現(xiàn)在曲線下股鋼軌(混凝土整體道床波磨波長(zhǎng)較短),或出現(xiàn)在上股鋼軌(有砟軌道上波長(zhǎng)較長(zhǎng)),或上下股均有波磨產(chǎn)生。DonaldR.Ahlbeck等人對(duì)1969年至1989年間的47篇有關(guān)鋼軌波磨的科技報(bào)告及研究文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述,總結(jié)了波磨出現(xiàn)的軌道類型、運(yùn)營(yíng)速度、曲線半徑,以及波磨波長(zhǎng)、波深等特征。其中:城市軌道交通鋼軌波磨出現(xiàn)的曲線半徑在366m之內(nèi),波磨波長(zhǎng)介于50~200mm之間;波深與波長(zhǎng)相關(guān),短波波磨的波深一般小于0.2mm,最大波深達(dá)0.9mm。

    五、波磨的形成機(jī)理

    波磨的發(fā)生及發(fā)展涉及很多因素之間非常復(fù)雜的關(guān)系,迄今為止仍沒有提出一種被廣泛認(rèn)同的理論來解釋各種波磨現(xiàn)象,這方面的研究尚待深入。張立民等人根據(jù)非線性振動(dòng)理論和赫茲理論,分析了鋼軌波磨與輪軌縱向自激振動(dòng)幅值和接觸橢圓縱向軸長(zhǎng)的關(guān)系,證明鋼軌波磨產(chǎn)生的機(jī)理是輪對(duì)自激振動(dòng)幅值大于接觸橢圓縱向軸長(zhǎng),實(shí)際的輪軌系統(tǒng)下波磨產(chǎn)生的條件是輪對(duì)橫移量大于臨界值。張立民還根據(jù)輪軌滾動(dòng)接觸中鋼軌循環(huán)加載塑性累積和材料的Ratcheting效應(yīng),應(yīng)用強(qiáng)化材料模型,對(duì)鋼軌內(nèi)部的殘余應(yīng)力和累積變形進(jìn)行了數(shù)值分析。分析結(jié)果表明,鋼軌材料的Ratcheting效應(yīng)和輪軌接觸應(yīng)力的波動(dòng)是鋼軌表面剝離與壓潰形短波波磨產(chǎn)生的重要原因。范欽海認(rèn)為,輪對(duì)與軌道系統(tǒng)的彈性振動(dòng)使輪軌間產(chǎn)生的黏著振動(dòng)(或黏-滑振動(dòng))是鋼軌波浪形磨耗形成的基本機(jī)理,并通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證。輪軌間作用著一種高頻的橫向波動(dòng)力,有時(shí)其值會(huì)瞬時(shí)超過蠕滑力的極限值而進(jìn)入滑動(dòng)狀態(tài),它不僅會(huì)導(dǎo)致鋼軌頂面的不均勻磨損,還可能造成鋼軌頂面金屬向側(cè)面產(chǎn)生塑性流動(dòng)。波磨是輪軌相互作用過程中發(fā)生的一種復(fù)雜現(xiàn)象,要分析其形成機(jī)理,就必須綜合考慮輪軌相互作用的特點(diǎn),結(jié)合實(shí)際各種工況,才能抓住根本。張波等人認(rèn)為,波磨成因可以從3方面來討論。

    1)自激振動(dòng)理論:在一定條件下,由于輪軌系統(tǒng)的固有特性,使輪軌間產(chǎn)生自激振動(dòng),從而引起波磨發(fā)生。2)反饋振動(dòng)機(jī)理:輪軌間的原始不平順激起輪軌間的振動(dòng),并導(dǎo)致更大的不平順。也就是說,這是在重復(fù)載荷條件下振動(dòng)逐步加強(qiáng)的激化過程,即“不平順※振動(dòng)※更大不平順※更強(qiáng)振動(dòng)”的循環(huán),從而促使波磨形成。3)接觸疲勞理論:受隨機(jī)的踏面摩擦力影響,由鋼軌表面的疲勞微裂紋所引起的不均造成波磨發(fā)生。地鐵中產(chǎn)生的磨損性波磨多發(fā)生在曲線地段,這是由于車輪在通過曲線時(shí),輪對(duì)扭曲共振導(dǎo)致交替的縱向力,在輪對(duì)與鋼軌間發(fā)生縱向滑動(dòng)而產(chǎn)生波磨。這不僅與輪對(duì)的重力角剛度特性有關(guān),而且與曲線曲率及輪軌黏著狀態(tài)有著直接關(guān)系,主要是輪軌之間的黏滑振動(dòng)導(dǎo)致內(nèi)軌頂面的波磨。當(dāng)車輛通過曲線半徑較小的線路時(shí),由于輪對(duì)沖角的改變,輪軌的縱向剪切力超過輪軌黏著極限,輪軌間發(fā)生縱向滑動(dòng),滑動(dòng)處形成波谷;滑動(dòng)后釋放了積累的能量,使輪軌又處于黏著狀態(tài),輪軌磨損減輕,該處形成波峰。這種黏滑振動(dòng)不斷重復(fù),形成了鋼軌表面的波磨。

    結(jié)論

    由于鋼軌的波浪形磨耗是由多種原因產(chǎn)生的,而且相互作用,形成惡性循環(huán)(道床不潔彈性降低,使膠墊損壞嚴(yán)重;膠墊損壞嚴(yán)重使軌道彈性下降,使鋼軌傷損增多,主要是波磨和魚鱗裂紋。鋼軌波磨的發(fā)展較快,使列車的振動(dòng)增加,反過來作用在膠墊和道床,造成膠墊損壞嚴(yán)重,道床板結(jié),使之彈性下降)。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 楚永萍 .鋼軌波浪型磨耗對(duì)地鐵車輛振動(dòng)性能的影響[J] .城市軌道交通研究,2009(9):17 -20.

    [2] 劉林武,李建國(guó) .廣州地鐵線路鋼軌打磨應(yīng)用技術(shù) [ J] .都市快軌交通,2006,19(4):53 -54.

    [3] 劉啟琛 .城市有軌交通的鋼軌磨耗與其減磨措施[ J] .地鐵與輕軌,1996(4):26 -29.

    (作者單位:內(nèi)蒙古伊泰準(zhǔn)東鐵路有限責(zé)任公司設(shè)備綜合車間探傷專業(yè))

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