軌底坡和軌頭廓面對(duì)鋼軌接觸疲勞傷損的影響研究

鄧建輝，陳朝陽，鄧 勇，劉豐收

(1.攀鋼集團(tuán)研究院 材料研究所，四川 攀枝花 617000;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬與化學(xué)研究所，北京 100081)

鐵路的曲線路段鋼軌為滿足輪軌接觸狀態(tài)良好，降低輪軌接觸應(yīng)力，保證列車平穩(wěn)運(yùn)行，需設(shè)置軌底坡，我國(guó)在20世紀(jì)60年代中期將軌底坡由1∶20改為1∶40，一直沿用至今。

本文對(duì)我國(guó)目前60 kg/m鋼軌在1∶20和1∶40軌底坡條件下與LM型貨車車輪的接觸狀態(tài)進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了60 kg/m軌型鋼軌1∶20軌底坡的鋪軌試驗(yàn);還對(duì)美國(guó)07版136RE牌號(hào)鋼軌與LM型貨車車輪的接觸狀態(tài)進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了1∶40軌底坡的鋪軌試驗(yàn)，研究軌底坡和軌頭廓面對(duì)鋼軌接觸疲勞傷損的影響。

1 軌底坡和軌頭廓面對(duì)輪軌接觸狀態(tài)的影響

1.1 軌底坡對(duì)輪軌接觸狀態(tài)的影響

曲線上股鋼軌的超高不變，當(dāng)上股鋼軌的軌底坡不同時(shí)，鋼軌的接觸疲勞傷損程度不同。

我國(guó)目前普遍使用的貨車車輪是LM型，結(jié)合我國(guó)60 kg/m鋼軌標(biāo)準(zhǔn)輪廓，分別對(duì)曲線上股鋼軌在1∶40和1∶20軌底坡狀態(tài)下的輪軌接觸匹配狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在1∶40軌底坡狀態(tài)下的輪軌接觸斑面積明顯小于1∶20軌底坡(見圖1)，在線路其他條件不變的情況下，曲線上股鋼軌采用1∶20軌底坡時(shí)見圖2，增大了鋼軌踏面的輪軌接觸面積。參考文獻(xiàn)［1］中60 kg/m鋼軌1∶40軌底坡與LM型車輪匹配，在相同軸重條件下其接觸應(yīng)力是1∶20軌底坡的2.015倍，說明在1∶40軌底坡輪軌接觸斑面積明顯小于1∶20軌底坡的輪軌接觸斑面積。輪軌接觸斑面積減小，接觸應(yīng)力增大，加劇鋼軌的接觸疲勞傷損。

圖1 我國(guó)60 kg/m新鋼軌輪軌接觸(1∶40 軌底坡，鋼軌傾斜 1.43°)

圖2 我國(guó)60 kg/m新鋼軌輪軌接觸(1∶20 軌底坡，鋼軌傾斜 2.86°)

1.2 軌頭廓面尺寸對(duì)輪軌接觸狀態(tài)的影響

為研究軌頭廓面尺寸對(duì)輪軌接觸狀態(tài)的影響，選取美國(guó)07年版136RE牌號(hào)鋼軌與LM型車輪匹配，與60 kg/m鋼軌進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明在1∶40軌底坡時(shí)，美國(guó)07年版136RE牌號(hào)鋼軌輪軌接觸狀態(tài)與我國(guó)60 kg/m鋼軌在1∶20軌底坡的輪軌接觸狀態(tài)相當(dāng)，見圖3。說明美國(guó)07年版136RE牌號(hào)鋼軌的軌頭廓面設(shè)計(jì)比60 kg/m鋼軌合理。兩者的差別在于美國(guó)07年版136RE牌號(hào)鋼軌的踏面圓弧為203.2 mm，我國(guó)60 kg/m鋼軌的踏面圓弧為300.0 mm。我國(guó)60 kg/m鋼軌如果在軋制時(shí)出現(xiàn)鋼軌踏面負(fù)公差，鋼軌踏面就更平(沒有上“凸”顯現(xiàn))，則車輪與鋼軌踏面就不易接觸，形成只有軌上圓角區(qū)域接觸，其輪軌接觸斑就會(huì)明顯減小，輪軌接觸應(yīng)力就會(huì)明顯增大。

圖3 美國(guó)07版136RE新鋼軌輪軌接觸(1∶40 軌底坡，鋼軌傾斜 1.43°)

2 鋼軌接觸疲勞傷損觀測(cè)試驗(yàn)

2.1 軌底坡改變鋪軌試驗(yàn)

為了研究不同軌底坡對(duì)鋼軌接觸疲勞傷損的影響，在南昆線鋼軌接觸疲勞傷損突出的曲線分別進(jìn)行1∶40和1∶20軌底坡的鋪軌試驗(yàn)(1∶40軌底坡是現(xiàn)行規(guī)程)，采用軌底橡膠墊板來實(shí)現(xiàn)不同的軌底坡的調(diào)整。試驗(yàn)鋼軌為1 100 MPa級(jí)熱處理鋼軌和U75V熱軋鋼軌，鋪設(shè)路段參數(shù)見表1。該試驗(yàn)段前期使用的U75V熱軋鋼軌接觸疲勞傷損突出，見圖4。1∶40軌底坡的輪軌接觸斑面積比1∶20軌底坡小，相應(yīng)的接觸應(yīng)力增大。接觸應(yīng)力增大，其鋼軌的接觸疲勞傷損加劇，反之，鋼軌的傷損減輕。

表1 試驗(yàn)鋼軌鋪設(shè)路段情況

圖4 試驗(yàn)段前期1∶40軌底坡的U75V鋼軌

試驗(yàn)鋼軌于2008年8月鋪設(shè)，至2010年3月鋼軌使用19個(gè)月，對(duì)鋼軌的使用情況調(diào)查結(jié)果表明:1∶20軌底坡時(shí)輪軌接觸光帶比1∶40軌底坡時(shí)寬約10 mm，見表2。并且1∶20軌底坡的鋼軌接觸疲勞傷損明顯比1∶40軌底坡的輕。試驗(yàn)的U75V熱軋鋼軌與該路段前期在1∶40軌底坡條件下使用的U75V鋼軌比較，接觸疲勞傷損明顯減輕，僅在個(gè)別鋼軌的局部出現(xiàn)輕微的接觸疲勞剝離傷損，絕大部分鋼軌輪軌作用面光亮。

軌踏面輪軌接觸光帶增寬，表明輪軌接觸狀態(tài)更好，有利于減小輪軌接觸應(yīng)力，減輕鋼軌的接觸疲勞傷損。

同牌號(hào)鋼軌在同路段的不同軌底坡條件下使用，接觸疲勞傷損程度明顯減輕，表明了軌底坡對(duì)其輪軌接觸狀態(tài)和鋼軌接觸疲勞傷損的影響。上股鋼軌在1∶20軌底坡狀態(tài)下其鋼軌的傾斜角大于1∶40軌底坡鋼軌的傾斜角，這就有利于車輪與鋼軌踏面的接觸，從而增寬鋼軌的輪軌接觸光帶。

鋪軌試驗(yàn)結(jié)果表明，1∶20軌底坡條件的鋼軌接觸疲勞傷損明顯比1∶40軌底坡輕，說明在目前60 kg/m鋼軌軌頭輪廓尺寸狀態(tài)下，軌底坡由現(xiàn)行的1∶40改為1∶20，可有效減輕鋼軌的接觸疲勞傷損。

2.2 按美國(guó)136RE牌號(hào)生產(chǎn)的SS鋼軌鋪設(shè)試驗(yàn)

在1∶40軌底坡條件下美國(guó)07版136RE牌號(hào)鋼軌與LM型車輪的接觸狀態(tài)與我國(guó)60 kg/m鋼軌在1∶20軌底坡條件下接觸狀態(tài)相當(dāng)。同樣在1∶40軌底坡條件下，美國(guó)07版136RE牌號(hào)軌型鋼軌的接觸疲勞傷損比60 kg/m鋼軌損傷輕。

在京包線上行線進(jìn)行了攀鋼按美標(biāo)136RE牌號(hào)生產(chǎn)的SS鋼軌的鋪軌試驗(yàn)。試驗(yàn)段線路曲線半徑為610 m，年運(yùn)量160 Mt，試驗(yàn)段原有線路參數(shù)均不變，鋪設(shè)SS鋼軌，而該路段前期使用的是60 kg/m U75V熱軋鋼軌，接觸疲勞傷損和磨損突出，使用約一年就因傷損突出而下道。

SS熱軋鋼軌的抗拉強(qiáng)度 Rm≥980 MPa，延伸率 A≥10%，鋼軌性能指標(biāo)與我國(guó)U75V熱軋鋼軌相當(dāng)，屬于同一強(qiáng)度級(jí)別。試驗(yàn)鋼軌于2007年10月鋪設(shè)，采用1∶40軌底坡，鋼軌使用36個(gè)月，整體使用狀態(tài)較好，幾乎未出現(xiàn)接觸疲勞傷損，最大側(cè)磨約12 mm。與前期使用的我國(guó)60 kg/m U75V鋼軌比較，使用時(shí)間已經(jīng)延長(zhǎng)了2年，而且鋼軌還能使用一段時(shí)間。

表2 不同軌底坡和不同使用周期的鋼軌踏面輪軌接觸光帶比較

2.3 觀測(cè)結(jié)果分析

1)通過對(duì)1∶40和1∶20軌底坡的輪軌接觸狀態(tài)分析，我國(guó)60 kg/m鋼軌與LM型貨車車輪接觸條件下，1∶20軌底坡的輪軌接觸斑面積明顯大于1∶40軌底坡的接觸斑面積，1∶20軌底坡的輪軌接觸應(yīng)力比1∶40軌底坡狀態(tài)減小一倍［1］。輪軌接觸應(yīng)力減小，有利于減少鋼軌的接觸疲勞傷損。

2)對(duì)美國(guó)07年版136RE牌號(hào)鋼軌與LM型車輪的接觸匹配狀態(tài)分析表明，軌底坡在1∶40狀態(tài)下，其輪軌接觸狀態(tài)與60 kg/m鋼軌在1∶20軌底坡條件的輪軌接觸狀態(tài)相當(dāng)，美國(guó)07版136RE鋼軌的軌頭廓面尺寸設(shè)計(jì)對(duì)減小接觸應(yīng)力有利。

3)將軌底坡由1∶40改為1∶20后，增大了鋼軌的傾斜度，相當(dāng)于增大軌踏面的“凸”度，或者說相當(dāng)于增大了軌踏面的圓弧曲率，在線路其它參數(shù)不變的條件下，改善了輪軌接觸狀態(tài)，增大了輪軌接觸斑面積，由此減小輪軌接觸應(yīng)力，減輕鋼軌的接觸疲勞傷損。

由表2可見，同樣的 60 kg/m 1 100 MPa鋼軌，使用時(shí)間相同，1∶40軌底坡的鋼軌踏面輪軌接觸光帶寬度比1∶20軌底坡的小約10 mm，輪軌接觸光帶寬度小，表明輪軌接觸斑面積小，輪軌接觸應(yīng)力增大。

同樣是 U75V鋼軌，軌底坡由1∶40改為1∶20后，鋼軌的接觸疲勞傷損明顯減輕。表明在目前的60 kg/m鋼軌軌頭廓面尺寸條件下，在曲線路段采用1∶40的軌底坡不是很合理。

SS鋼軌在相同的路段所有線路參數(shù)均不變的情況下，仍是1∶40軌底坡，鋼軌使用36個(gè)月，其接觸疲勞傷損和磨損均明顯輕于前期鋪設(shè)的60 kg/m U75V鋼軌，鋼軌的實(shí)際使用壽命延長(zhǎng)了2年。

鋼軌的接觸疲勞傷損與鋼軌的抗接觸疲勞強(qiáng)度有關(guān)，抗接觸疲勞強(qiáng)度越高、越不易產(chǎn)生接觸疲勞傷損，而鋼軌的抗接觸疲勞強(qiáng)度又隨鋼軌的抗拉強(qiáng)度提高而提高。136RE牌號(hào) SS鋼軌的強(qiáng)度與我國(guó)60 kg/m U75V鋼軌屬于同一級(jí)別，所以其抗接觸疲勞強(qiáng)度應(yīng)該是相當(dāng)?shù)?。在相同線路條件下、同性能的鋼軌出現(xiàn)不同程度的接觸疲勞傷損，主要是由于不同的軌頭廓面尺寸導(dǎo)致的輪軌接觸斑面積和接觸應(yīng)力的變化所致。

據(jù)資料顯示，美國(guó)的136RE牌號(hào)鋼軌軌型在2005年版的基礎(chǔ)上，2007年又進(jìn)行了改進(jìn)，制訂了2007年版的136RE軌型標(biāo)準(zhǔn)。而我國(guó)鋼軌的軌型標(biāo)準(zhǔn)幾十年沒變過。

［2］指出1965年起實(shí)行1∶40的軌底坡后，在一些小半徑曲線路段鋼軌接觸疲勞傷損有所增加，軌底坡為1∶40的鋼軌使用一段時(shí)間后，其軌頭斷面幾何形狀趨于1∶20軌底坡的斷面形狀，即相當(dāng)于軌底坡改變成了1∶20。這主要是鋼軌磨損后形成的。

從上述分析可見，軌底坡參數(shù)和軌頭廓面尺寸對(duì)鋼軌的接觸疲勞傷損有直接影響，在目前的我國(guó)60 kg/m鋼軌軌頭廓面尺寸條件下，曲線路段采用1∶20的軌底坡是合適的，也有必要參考美國(guó)136RE牌號(hào)鋼軌的軌頭廓面尺寸，對(duì)我國(guó)鋼軌軌頭廓面尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)語

1)通過研究分析，在我國(guó)目前的60 kg/m鋼軌軌型條件下，采用1∶20的軌底坡與LM型車輪匹配其輪軌接觸斑面積大于1∶40軌底坡，鋪軌試驗(yàn)結(jié)果為1∶20軌底坡的鋼軌接觸疲勞傷損比1∶40軌底坡明顯減輕。由此表明了軌底坡參數(shù)對(duì)鋼軌接觸疲勞傷損的影響。

2)美國(guó)07版136RE牌號(hào)鋼軌和我國(guó)60 kg/m鋼軌與LM型車輪接觸匹配，前者的軌頭廓面尺寸更有利于輪軌接觸斑面積的增大。鋪軌試驗(yàn)也表明在相同的線路條件下，前者的接觸疲勞傷損和磨損均減輕，使用壽命延長(zhǎng)2年。

3)在目前的60 kg/m鋼軌軌頭廓面尺寸狀態(tài)下，曲線路段應(yīng)采用1∶20軌底坡;或者是對(duì)鋼軌軌頭廓面尺寸進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以改善輪軌接觸狀態(tài)，減少鋼軌傷損。

參考文獻(xiàn)

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