鐵路小半徑曲線鋼軌病害成因及整治研究

陳松濤

Equipment technology 裝備技術

鐵路小半徑曲線鋼軌病害成因及整治研究

陳松濤

（中國鐵路北京局集團有限公司承德工務段，河北 承德 067000）

鐵路是現代人們出行的主要交通方式之一，而鋼軌是列車正常運行的基礎，如果病害頻發(fā)，那么不但會影響鐵路系統的正常運行，而且還會威脅人們的生命財產安全。本文將針對鐵路小半徑曲線鋼軌病害成因及整治進行研究，分析兩種最為常見的鋼軌病害，探索有效的應對辦法，希望能夠起到積極的促進作用，提高小半徑曲線鐵軌病害控制效果，維護鐵路線路的高效、安全運行。

鐵路；小半徑曲線鋼軌；病害成因；整治研究

鐵路網絡是國家的經濟命脈，對于加快區(qū)域發(fā)展、改善人民生活具有重要的意義。隨著建設規(guī)模的不斷擴大，除了給人們帶來便利的交通條件之外，也產生了諸多技術難題，小半徑曲線線路鋼軌的受力情況比較復雜，很容易出現各種病害，只有找到這些病害產生的原因，才能從根本上對癥下藥，從而有效延長鋼軌的使用壽命，減少資源能源消耗。

1 鐵路曲線軌道受力分析

在實際運行過程中，鐵路線路比較長，需要穿越復雜的地形，為了降低施工成本、提高工作效率，需要根據地形鋪設軌道，從而形成了彎彎曲曲的曲線。在平直路段上，軌道受力比較均勻，在曲線路段則會復雜的多，很容易引起鋼軌病害。所以，要加強受力分析，在豎直方向上，車輛的重力會通過車輪傳遞到鋼軌上，隨著載客量的增加，這個方向上的力也會增加的越快。在橫向方向上，車輪對軌道會產生側向壓力，在曲線地段，需要通過橫向作用力來提供列車轉彎的向心力，曲線半徑、行車速度等都是影響橫向力大小的重要因素，通常來講，速度越大、半徑越小產生的橫向力越大。在縱向方向上，鋼軌還會受到列車爬行產生的摩擦力，在穿越復雜地形、不斷調整車速的情況下，會使鋼軌溫度出現明顯的變化，對鋼軌性能造成了嚴峻的考驗。軌道受力的復雜性是鐵路小半徑曲線鋼軌病害產生的重要原因，各種病害在具體表現上存在著一定的差異，需要具體問題具體分析[1]。

2 鐵路小半徑曲線鋼軌病害成因及整治研究

2.1 剝離掉塊

1.1 特征

根據總結分析，鐵路小半徑曲線鋼軌剝離掉塊具有一定的特征，它主要集中在曲線上股鋼軌內側面，相對而言，出現在直線段及曲線下股鋼軌的概率比較低，道岔前后、夾直線偶爾發(fā)生，幾乎在曲線上股鋼軌軸線外側不存在這個問題。而且，主要出現在新鋼軌上，在使用磨合一段時間后，剝離掉塊的情況有所改善，由于小半徑曲線鋼軌受力情況更為復雜，所以產生剝離掉塊的問題比較常見。另外，軌枕、道砟等都會產生不同程度的影響，如果軌道的彈性小而剛度大，那么產生的作用力也就越強，剝落掉塊自然也就越嚴重，在軌道養(yǎng)護時通常會刷油，以降低磨損，但是這對于剝離掉塊病害的控制并不有利。

1.2 危害

在實際工作中，如果鋼軌剝離掉塊到一定程度，那么就需要及時更換，所以，這種病害直接決定著鋼軌的使用壽命。為了應對這一問題，在鋼軌鋪設初期及使用過程中，要加強維護保養(yǎng)，并按照規(guī)定進行更新，這大大增加了鐵路建設和維護成本，增加了鋼材的消耗量。而且隨著剝離掉塊病害的不斷加重，不但會影響乘坐的舒適性，而且會對車輪、道砟、軌枕等產生強烈的沖擊，嚴重影響輪軌系統的穩(wěn)定性，容易誘發(fā)其他隱患的產生，甚至影響行車安全，導致脫軌、跳車等事故的發(fā)生。在毗鄰城市居住區(qū)域，還會產生巨大的噪聲，影響周邊居民的身心健康[2]。

1.3 成因

根據鐵路小半徑曲線鋼軌剝離掉塊的特征可以分析出主要的病害原因，即過高的輪軌接觸應力和過低的鋼軌強度。從發(fā)展進程上看，初期會萌生魚鱗狀表面裂紋，然后形成不連續(xù)剝離，這會減小有效接觸面積、增大軌頭應力，從而導致病害迅速發(fā)展，形成剝離掉塊，最終導致鋼軌報廢。從力學角度上看，接觸疲勞傷損是產生剝離掉塊的主因，在高接觸應力以及相對滑動作用下，會使表面產生局部金屬斷裂損傷，首先在高預應力區(qū)產生微裂紋，隨著輪軌力的反復作用，促使裂紋進一步擴展。如果磨損病害比較嚴重，微裂紋在還沒有產生擴散之前已經被磨掉，那么磨損病害就占據著主導地位，決定著鋼軌實際壽命。抹油養(yǎng)護能夠有效降低磨損率，但是潤滑劑會滲透到裂紋間隙，加快了裂紋發(fā)展。

影響鋼軌剝離掉塊病害的因素有很多，包括軌道結構、鋼軌材質、列車速度、自然條件、軸重等，不同因素會產生不同程度的影響。鐵路曲線段具有一定的特殊性，與直線段設計差異較大，曲線半徑越小、行車速度越快，橫向輪軌力越大，而且，存在著客貨車、快慢車混跑的現象，有些設計參數不能滿足部分需求，導致離心力無法通過超高平衡，只能利用鋼軌橫向力進行約束，所以，軸重過大和提升速度都會導致曲線段鋼軌上股受到的車輪橫向力劇增。隨著鐵路網絡的逐漸擴張，大大增加了山區(qū)路段，形成了許多曲線線路，在列車運行到大長下坡時，需要通過較長時間的制動來控制速度，這時會產生巨大的熱量，極大考驗了鋼軌材質，為裂紋的產生和擴增提供了條件。在潮濕多雨地區(qū)，由于雨水的附著會降低摩擦阻力，使車輪出現滑行情況，甚至發(fā)生擦傷，而且水會滲入到裂紋中，在水壓的作用下加快了裂紋的發(fā)展擴大。另外，如果鋼軌材質存在質量隱患，那么會大大折損其變形性能，更容易催生剝離掉塊病害[3]。

1.4 整治

鋼軌玻璃掉塊是普遍性問題，各國的專家學者都在積極研究，以求獲得不錯的預防、整治、緩解效果。嚴格控制軌道幾何不平順和復合不平順，消除因幾何偏差產生的激擾源，嚴格控制各種誤差，盡量降低軌道不平順性，減少輪軌沖擊作用，能夠有效緩解剝離掉塊病害的發(fā)生。全面整治軌頭接縫狀態(tài)，控制傷損高發(fā)區(qū)，避免出現接頭鋼軌和軌枕暗坑空吊，減小焊縫的原始不平順，保證軌縫均勻。提高軌道彈性，減弱輪軌耦合振動強度，有效降低沖擊作用，延緩剝離掉塊的迅速發(fā)展。在軌頭出現裂紋之前，可以適當抹油，以降低軌頭損耗，如果出現斑點，要及時停止，等到斑點消失后再進行間斷涂抹。鋼軌應該選用高強度、高純度、耐磨性好、高韌度鋼材，同時，改善生產工藝，彌補材質原有的缺陷。利用專用打磨車周期性進行預防性和修理性打磨，以應對軌面不平順、疲勞微細裂紋、軌頭波形磨耗等各種缺陷。在新建和改造設計時，可以適當擴大曲線半徑，優(yōu)化設計參數，做好施工過程管理，避免因人為因素導致的質量隱患。

2.2 水平裂紋

2.1 特征

鐵路小半徑曲線鋼軌水平裂紋病害主要發(fā)生在圓曲線和圓曲線附近上股鋼軌，而且在四百到七百米之間的曲線最容易產生水平裂紋。通過研究表明，軌面裂紋和軌道條件具有較強的聯系，如果軌底坡較小，那么很容易產生偏心受壓現象，而且減小了輪軌接觸面積，反之，軌底坡較大則可以明顯改善輪軌接觸狀態(tài)，有效緩解偏心受壓的問題。相對而言，新鋼軌更容易產生水平裂紋，木軌枕比鋼筋混凝土枕軌的彈性要好，更不容易出現軌頭裂紋，而且利用大膠墊也能夠相對減少裂紋。另外，新舊線路、道床狀態(tài)、鋼軌重量、曲線半徑等都與水平裂紋病害有著不同程度的關聯[4]。

2.2 危害

水平裂紋與剝離掉塊都會影響鐵路線路運行的安全性、穩(wěn)定性、舒適性、經濟性，容易產生許多不和諧因素。水平裂紋最終也會發(fā)展成剝離掉塊，對于最不利的部位裂紋，可能會向深度發(fā)展形成豎向裂紋或者斜裂紋，隨著程度的不斷加劇，導致鋼軌斷裂，這種病害也需要鐵路工作者著重關注，加強研究，找出原因，采取有效措施加以應對。

2.3 成因

只有軌頭表面存在缺陷并且滿足的萌生水平裂紋最低條件，才能促使水平裂紋病害的產生和發(fā)展。鋼軌材質質量是誘發(fā)該病害的內部原因，在加工過程中，原材料缺陷會形成折疊裂紋，如果存在較多雜質，那么在荷載作用下會出現應力集中狀態(tài)，從而產生裂紋。除了內部原因，鋼軌水平應力過大是重要的外部原因，從裂紋的發(fā)展方向上看，軌頭表面受到的橫向拉應力起著主要的控制作用，這些橫向拉應力是側向力和殘余應力共同產生的效果。造成曲線上股軌面內側水平裂紋主要外力包括輪軌接觸局部應力、鋼軌靜態(tài)彎曲應力、偏心受壓附加應力、滑動摩擦力、離心力、導向力、牽引力、制動力，等等。

2.4 整治

針對鐵路小半徑曲線鋼軌水平裂紋病害的特征和成因，可以從減小接觸應力、增大接觸面積的角度出發(fā)，緩解接觸疲勞，以求實現預期的整治目的。通過改變軌底坡來實現擴大接觸面的目的，有效減小局部應力和偏心受壓，同時，利用楔形膠墊也可以增大軌底坡，能夠起到不錯的預防和修復裂紋的效果。實踐表明，增加軌道彈性也可以控制的裂紋病害，適度增加彈性比和膠墊厚度，并且保持道砟整潔和排水通暢，這些措施都能有效提升軌道彈性，在新開通提速線路上要積極調整曲線超高，改善曲線上股鋼軌和車輪的接觸狀況，避免因不合理接觸造成軌頭應力的快速增長。在鐵路小半徑曲線部位鋪設新軌時，可以用適當磨耗的鋼軌進行替換，能夠有效緩解輪軌磨合問題，這樣既可以節(jié)約成本，又可以獲得不錯的病害控制效果。另外，除了做好倒換使用和及時更換，積極采取預防性打磨、控制抹油時間、優(yōu)化輪軌設計、改善生產工藝等措施，都可以有效應對裂紋病害的產生與發(fā)展[5]。

綜上所述，本文首先針對鐵路曲線軌道受力進行了分析，然后以剝離掉塊和水平裂紋為例，著重研究了小半徑曲線鋼軌病害的特征、成因、危害及整治措施。希望能夠起到積極的現實意義，充分認識鋼軌病害造成的損失和影響，加強理論研究，針對小半徑曲線鋼軌病害的主要影響因素尋求應對策略，從而保證行車的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，提高鐵路建設的經濟效益和社會效益。

[1]吳忠翔. 鐵路小半徑曲線的病害成因分析及整治辦法[J]. 交通世界,2019(36):128-129.

[2]陳亮. 鐵路小半徑曲線病害的成因及整治[J]. 科學技術創(chuàng)新,2019(30):121-122.

[3]袁立昌. 鐵路線路小半徑曲線病害成因及其整治對策探析[J]. 科技與創(chuàng)新,2017(19):96+99.

[4]馬存福. 鐵路線路小半徑曲線病害成因及其整治措施[J]. 民營科技,2015(08):27.

[5]任虎,王琨,楊國強,袁寶明. 鐵路線路小半徑曲線病害成因及預防措施[J]. 中國高新技術企業(yè),2015(35):94-95.

陳松濤（1981.10- ），男，漢族，河北承德人，本科，技術員，研究方向鐵道工程技術。

K928

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1007-6344（2021）01-0041-02