鋼軌螺孔裂紋傷損特點(diǎn)及防治措施

張 勤，姚存治

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450052)

鋼軌傷損調(diào)查表明［1］，無縫線路主要傷損依次為:焊接傷損、軌頭垂直或水平裂紋、孔裂、擦傷、剝離掉塊及魚鱗紋、軌腰圓弧縱裂和核傷，各傷損所占比例分別為30%、20%、15%、9%、7%、4%和 3%;普通線路主要傷損依次為孔裂、軌頭垂直或水平裂紋、擦傷、淬火裂紋、軌腰圓弧縱裂、核傷、剝離掉塊及魚鱗紋，分別占全部傷損的 47%、25%、10%、6%、3%、3%和2%，可見，孔裂傷損約占普通線路鋼軌全部傷損的50%，約占無縫線路鋼軌傷損的14.2%。無縫線路中孔裂主要是插入短軌造成的。

鋼軌大修周期與鋼軌傷損密切相關(guān)，延長(zhǎng)鋼軌大修周期，必須減少鋼軌傷損或延長(zhǎng)鋼軌傷損發(fā)生時(shí)間。因此，必須調(diào)查研究占鋼軌傷損主要部分孔裂傷損原因、發(fā)生特點(diǎn)和規(guī)律，并提出預(yù)防孔裂傷損措施。

1 孔裂傷損的特點(diǎn)和規(guī)律

線路上孔裂可能發(fā)生在任何一個(gè)螺孔，按孔裂發(fā)生方向可以分為平裂、上裂和下裂，如圖1所示。

圖1 螺孔裂紋開裂方向

為了掌握孔裂發(fā)生位置、方向及其各孔產(chǎn)生裂紋的百分比，利用上海局提供的鋼軌傷損數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行了孔裂傷損統(tǒng)計(jì)，表1至表14中1、2和3分別代表1孔、2孔和3孔。為了對(duì)比孔裂傷損的變化，文中統(tǒng)計(jì)了 1995、1996、2000、2001 和 2002 年孔裂傷損。

表1和表2分別為1995年、1996年上海局無縫及普通線路孔裂發(fā)生位置和方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果;表3～表11為上海局2000年—2002年單線及復(fù)線螺孔傷損發(fā)生位置、方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果;表12至表15為2000年—2002年單線及復(fù)線螺孔傷損發(fā)生位置、方向的統(tǒng)計(jì)平均值。

表1 1995年孔裂發(fā)生位置、孔裂方向及所占百分比(統(tǒng)計(jì)螺栓孔數(shù)量為258個(gè))

表2 1996年孔裂發(fā)生位置、孔裂方向及所占百分比(統(tǒng)計(jì)螺栓孔數(shù)量為172個(gè))

表3 2000年孔裂發(fā)生位置及所占百分比 %

表4 2000年各孔開裂方向所占百分比 %

表5 2000年孔裂發(fā)生方向及所占百分比 %

表6 2001年孔裂發(fā)生位置及所占百分比 %

表7 2001年各孔開裂方向所占百分比%

表8 2001年孔裂發(fā)生方向及所占百分比 %

表9 2002年孔裂發(fā)生位置及所占百分比 %

表10 2002年各孔開裂方向所占百分比%

表11 2002年孔裂發(fā)生方向及所占百分比 %

表12 孔裂發(fā)生位置及所占百分比的平均值(2000年—2002年) %

表13 各孔開裂方向所占百分比的平均值(2000年—2002年) %

表14 孔裂發(fā)生方向及所占百分比的平均值(2000年—2002年)%

表15 第一個(gè)螺孔裂紋開裂方向及所占百分比的平均值(2000年—2002年) %

從表1～表15可以看出，孔裂發(fā)生位置、方向及其各孔產(chǎn)生裂紋的百分比如下。1孔、2孔和3孔傷損所占百分比分別為83%、14%和3%;平裂、上裂和下裂所占百分比分別為11%、61%和28%;第一個(gè)螺孔裂紋開裂方向及所占百分比為平裂、上裂、下裂和向端頭方向開裂所占百分比分別為8%(復(fù)線)～14%(單線)、56%(復(fù)線)～63%(單線)、36%(復(fù)線)～23%(單線)和61%(復(fù)線)～74%(單線);軌端上裂+向2孔下裂和軌端下裂+向2孔上裂所占百分比分別為52%(復(fù)線)～59%(單線)和 39%(復(fù)線)～26%(單線)。

2 孔裂傷損原因

螺栓孔裂紋傷損主要是與鋼軌的冶金質(zhì)量或螺栓孔的加工質(zhì)量有關(guān)［2-3］。螺栓孔裂紋大量出現(xiàn)的原因，除鋼軌本身的制造質(zhì)量外，主要是與線路接頭的受力狀態(tài)及線路接頭養(yǎng)護(hù)質(zhì)量［3］(包括接頭夾板)有關(guān)。

螺栓孔裂紋大部分萌生于與鋼軌縱向軸線成30°～50°夾角的第一螺栓孔內(nèi)壁上，螺栓孔裂紋萌生與孔的內(nèi)壁加工和冶金質(zhì)量、接頭裝配狀態(tài)(螺栓扭力矩是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求等)、線路運(yùn)營(yíng)狀況等多種因素有關(guān)，其裂紋可能在孔壁一處或多處發(fā)生;螺栓孔裂紋產(chǎn)生的時(shí)間隨機(jī)性較大，在鋼軌鋪設(shè)后的早期、中期或晚期都可能出現(xiàn)。

國(guó)外進(jìn)行的螺孔測(cè)試表明，第一螺孔裂紋產(chǎn)生和發(fā)展受P1(高頻瞬時(shí)沖擊荷載)力和P2(低頻準(zhǔn)靜態(tài)荷載)力共同影響［4］，P1力為引起1孔向軌端上裂和向2孔方向下裂的力，P2力為引起1孔向軌端下裂和向2孔方向上裂的力，由于P1力是車輪對(duì)接頭沖擊產(chǎn)生的高頻力，發(fā)生在第一螺孔之前，而P2力是在P1力發(fā)生若干毫秒之后，車輪已通過螺栓孔范圍才發(fā)生的，并且，P1力在數(shù)值上大于P2力，因此，第一螺孔傷損發(fā)生比例高于其它螺孔，由P1力作用發(fā)生的第一螺孔向軌端上裂所占比例較高，這也預(yù)示第一螺孔向軌端開裂的比例較高。一般說來，單線鋼軌接頭受力較復(fù)線接頭大，因此，表13和表14中第一螺孔上裂高于下裂;軌端平裂是軌端存在冶金缺陷引起的，這種冶金缺陷在較高的沖擊力下容易誘發(fā)裂紋，故單線第一螺孔平裂比例高于復(fù)線;表15統(tǒng)計(jì)了第一個(gè)螺孔裂紋開裂方向及所占百分比，其中，向軌端上裂+向2孔下裂是由P1力作用下發(fā)生，向軌端下裂 +向2孔上裂是由P2力作用下發(fā)生，前者所占比例是后者的2倍，說明孔裂與受沖擊力作用密切相關(guān)。

螺栓孔裂紋的裂紋源通常位于螺栓孔邊角處，有時(shí)是位于螺栓孔孔壁的中間部位(軌腰中心成分偏析)處。起源于螺栓孔處的疲勞裂紋多數(shù)與鋼軌縱軸成30°～50°，疲勞裂紋的臨界尺寸通常為 10 mm左右，隨后裂紋開始快速擴(kuò)展和其斷口具有脆性擴(kuò)展形貌特征。裂紋可以擴(kuò)展到軌底或軌頭，也可能擴(kuò)展到軌頭下顎后改變方向呈水平裂紋，導(dǎo)致軌頭與軌腰分離。

螺栓孔裂紋萌生與孔的內(nèi)壁加工和冶金質(zhì)量、接頭裝配狀態(tài)(螺栓扭力矩是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求等)、線路運(yùn)營(yíng)狀況等多種因素有關(guān)，其裂紋可能在孔壁一處或多處發(fā)生;螺栓孔裂紋產(chǎn)生的時(shí)間隨機(jī)性較大，在鋼軌鋪設(shè)后的早期、中期或晚期都可能出現(xiàn)。

鋼軌軌腰在鉆螺栓孔后強(qiáng)度被削弱，螺栓孔周圍產(chǎn)生較高的局部應(yīng)力，在列車載荷的沖擊力作用下有可能形成疲勞裂紋。如果接頭養(yǎng)護(hù)不良、螺栓孔邊角未倒棱、螺栓孔周邊存在局部冶金缺陷、螺栓孔銹蝕、軌端或螺栓孔周邊的打字標(biāo)記造成的應(yīng)力集中和接頭夾板螺栓扭距不夠或松動(dòng)等，在列車載荷的作用下都會(huì)加速螺栓孔裂紋的形成。當(dāng)軌腰中心線嚴(yán)重成分偏析時(shí)，會(huì)導(dǎo)致在孔壁中心線部位形成裂紋源。

3 孔裂傷損應(yīng)對(duì)措施

孔裂傷損與鋼軌制造、使用、維修養(yǎng)護(hù)有關(guān)，應(yīng)對(duì)鋼軌孔裂傷損主要從鋼軌冶金質(zhì)量、制造質(zhì)量、使用和維修養(yǎng)護(hù)出發(fā)。提高鋼軌生產(chǎn)質(zhì)量，嚴(yán)格控制合金元素含量，避免產(chǎn)生化學(xué)成分偏析，消除或延遲孔裂萌生。加強(qiáng)工廠生產(chǎn)孔軌檢測(cè)。檢測(cè)螺栓孔邊角倒棱情況，符合有關(guān)鋼軌螺孔加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在普通線路上，在接頭處及其附近保證鋼軌平順性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，減少?zèng)_擊。在線路上插入短軌等鉆孔，必須進(jìn)行倒棱并符合要求。加強(qiáng)鋼軌接頭處養(yǎng)護(hù)維修，保證螺栓扭力矩達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。在鋼軌生產(chǎn)和插入短軌等鉆孔時(shí)，避免在打字標(biāo)記處鉆孔，防止螺栓孔周邊的打字標(biāo)記造成應(yīng)力集中。加強(qiáng)線路孔軌探傷，發(fā)現(xiàn)裂紋立即按規(guī)則處理。

綜上所述，控制孔裂傷損主要措施應(yīng)控制冶金質(zhì)量、加工質(zhì)量、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)維修，使接頭平順，減少接頭沖擊力。

［1］田常海，龔佩毅，馬子河.在役鋼軌發(fā)生傷損的規(guī)律及減少傷損對(duì)策［J］.中國(guó)鐵路，2005(7):54-56.

［2］盧觀健，楊克.鋼軌傷損的形態(tài)特征及其失效機(jī)理［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1996，18(3):120-124.

［3］吳慶記.重型鋼軌軌端裂紋失效機(jī)制探討［J］.蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，18(1):55-60.

［4］顏秉善，王其昌.鋼軌力學(xué)與鋼軌傷損［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1989.