合金鋼組合轍叉翼軌裂紋病害原因分析及防治措施

張海寧 上海鐵路局阜陽工務(wù)段

1 問題闡述

合金鋼組合轍叉使用過程中容易出現(xiàn)心軌掉塊、心軌斜裂、翼軌垂磨掉塊、翼軌裂紋等病害，都會造成合金鋼組合轍叉重傷，危及行車安全。尤其是翼軌裂紋，在平時的養(yǎng)修過程中由于存在探傷盲區(qū)等原因，較難發(fā)現(xiàn)且危害極大。

2 原因分析

合金鋼組合轍叉翼軌產(chǎn)生裂紋有多方面的原因，理論上包括鋼軌抗彎剛度EI、鋼軌支座剛度D、道床系數(shù)C、鋼軌基礎(chǔ)彈性模量u、鋼比系數(shù)k、軌道鋼度Kt。對于既有線提速道岔合金鋼組合轍叉，翼軌產(chǎn)生裂紋病害的主要原因為鋼軌的應(yīng)力增大使得鋼軌強(qiáng)度降低；從工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修上分析，合金鋼組合轍叉翼軌產(chǎn)生裂紋原因包括鋼軌材質(zhì)、重載貨車、鎖定軌溫、鋼軌垂磨、鋼軌側(cè)磨、翼軌存在連接螺栓孔等原因。

2.1 垂裂受力檢算

理論上鋼軌發(fā)生垂裂主要原因為鋼軌的基本引力發(fā)生變化。檢算鋼軌強(qiáng)度時，基本應(yīng)力包括豎直荷載作用下的彎應(yīng)力和溫度變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。

2.1.1 彎動力檢算

鋼軌彎動應(yīng)力用下公式進(jìn)行求取：

（式中σd1、σd2為軌底最外纖維拉應(yīng)力和軌頭最外纖維拉應(yīng)力（MPa）；W1、W2為鋼軌底部和頭部斷面系數(shù)，隨鋼軌類型及垂直磨耗量而異。）

2.1.2 溫度應(yīng)力檢算

溫度應(yīng)σt對普通線路可按表1 進(jìn)行取值，對于無縫線路應(yīng)用公式⑵進(jìn)行計算。一般合金鋼組合轍岔曲股翼軌按照表1 進(jìn)行取值，直股翼軌用公式⑵計算取值。

式中Δt 為當(dāng)?shù)刈罡呋蜃畹蛙墱嘏c鎖定軌溫之差值（℃）。

表1 溫度應(yīng)力σt

2.1.3 檢算分析

檢算條件為鋼軌軌底與軌頭的最外外纖維拉力與溫度應(yīng)力之和小于鋼軌的允許應(yīng)力，具體按照公式⑶進(jìn)行檢算。

式中[σg]為允許應(yīng)力（MPa），[σg]＝σs/K，其中K 是安全系數(shù)，新軌K＝1.3，再用軌K＝1.35（新舊翼軌采用不同數(shù)值計算）；σs是鋼軌屈服極限（MPa），普通碳素鋼σs＝450 MPa,低合金鋼σs＝457 MPa。

檢算時應(yīng)采用無縫線路普通碳素鋼數(shù)值進(jìn)行檢算。通過檢算可知，合金鋼組合轍叉翼軌的動彎應(yīng)力在垂磨增大的情況下鋼軌斷面變小使得鋼軌的彎動應(yīng)力增大；當(dāng)鎖定軌溫過高或者過低的時候會造成鋼軌的溫度應(yīng)力增大；當(dāng)翼軌材質(zhì)不良時其安全系數(shù)增大使得允許應(yīng)力變??；這三個方面原因促使翼軌所受基本引力超過其允許應(yīng)力從而發(fā)生垂裂。

2.2 水裂受力檢算

（1）上道時間一年左右的、狀態(tài)已穩(wěn)定的合金鋼組合轍叉發(fā)生水裂原因為鋼軌的局部應(yīng)力變化穩(wěn)定后在所受發(fā)向力不變的情況下切向力增加造成。

（2）上道時間很短、車輪踏面與鋼軌接觸處產(chǎn)生的接觸應(yīng)力和螺栓孔周圍及鋼軌截面發(fā)生急劇變化處的應(yīng)力集中，接觸應(yīng)力由于輪軌接觸面積小，出現(xiàn)局部應(yīng)力高度集中，大大超過鋼軌的屈服極限，會產(chǎn)生鋼軌內(nèi)部發(fā)生水裂現(xiàn)象。

2.2.1 接觸法向應(yīng)力檢算

根據(jù)經(jīng)典的赫茲接觸理論，假定車輪和鋼軌是兩個相互垂直的彈性圓柱體，兩者的接觸面是一個橢圓形（如圖1），最大接觸應(yīng)力Q 發(fā)生在橢圓形中心。

圖1 輪軌接觸面橢圓示意圖

其值為

式中：P--兩圓柱體間的壓力（N）

ω--橢圓形面積，等于πab，a、b分別為橢圓形的長半軸和短半軸(cm)。

2.2.2 接觸剪應(yīng)力檢算

輪軌接觸產(chǎn)生剪應(yīng)力，最大剪應(yīng)力發(fā)生在輪軌接觸面以下的某一深度，其值約為：

在接觸面以下發(fā)生最大剪應(yīng)力的深度h 和接觸橢圓半軸a 及b 的大小有關(guān)。

如當(dāng)b/a=1 式，h=0.48a；b/a=3/4 時，h=0.41a；b/a=1/2 時，h=0.31a

而在接觸面上的最大剪應(yīng)力為：

當(dāng)r2/r1≤0.33 時，將位于橢圓的中心；若r2/r1>0.33 時，則位于橢圓長軸的端點(diǎn)上。

2.2.3 檢算分析

（1）輪軌間的接觸面積是隨著列車通過量增加而增大的。在新合金鋼組合轍叉上道初期，翼軌的狀態(tài)變化較大。這是因為輪軌接觸應(yīng)力值初期總是超過鋼軌的彈性極限值，翼軌除了發(fā)生磨耗外，還會發(fā)生塑性變形，使得輪軌接觸面積迅速增大。這時候接觸應(yīng)力變化迅速，如果合金鋼組合轍叉翼軌鋼軌材質(zhì)有問題，翼軌距其軌頂約25 mm 深度處就會迅速發(fā)生水裂。

（2）輪軌的接觸面積在合金鋼組合轍叉上道運(yùn)行一段時間后就會趨于穩(wěn)定。接觸面積由橢圓形逐漸變?yōu)榫匦?，而接觸面積不再增加，接觸應(yīng)力趨于一個穩(wěn)定狀態(tài)，實際上通過檢算合金鋼組合轍叉翼軌的接觸平均應(yīng)力將穩(wěn)定在700 MPa 左右。在法向力不變的情況下，隨著切向力的增加，鋼軌發(fā)生塑性變形的能力將迅速減小，鋼軌發(fā)生垂裂的可能性將迅速增加。

3 預(yù)防控制措施

3.1 吊裝運(yùn)輸

（1）裝卸、運(yùn)輸與存放作業(yè)不得變形、損壞、污染合金鋼組合轍叉所有組件和零部件。

（2）合金鋼組合轍叉在上道前不得拆除任意零配件。

（3）合金鋼組合轍叉裝載、加固、運(yùn)輸方案成熟可靠，新方案須經(jīng)有關(guān)部門審批。

（4）裝車運(yùn)輸須注意現(xiàn)場的合金鋼組合轍叉鋪設(shè)的方向性。

（5）嚴(yán)禁將合金鋼組合轍叉從車輛上直接撬下。

（6）合金鋼組合轍叉的現(xiàn)場存放場地應(yīng)堅實平整，面積不小于軌排的1.3倍；保證排水暢通，嚴(yán)禁積水，并采取有效防雨措施，且堆碼層數(shù)不得超過4 層。

3.2 質(zhì)量驗收

（1）合金鋼組合轍叉在上道前必須有相關(guān)部門出具的產(chǎn)品質(zhì)量合格證書。

（2）合金鋼組合轍叉直股與曲股的翼軌材質(zhì)必須一致，最好采用同一廠家生產(chǎn)的同一批次鋼軌制作。

（3）合金鋼組合轍叉結(jié)構(gòu)尺寸必須滿足其要求，尤其對輪緣槽寬度、心軌降低值、翼軌彎折矢度及扭力距問題要加強(qiáng)驗收。

3.3 手工檢查

（1）手工檢查小錘外型及重量標(biāo)準(zhǔn)要求：合金鋼組合轍叉手工檢查應(yīng)用1 kg 小錘，小錘形狀為六角腰鼓型。

（2）手工檢查技術(shù)要領(lǐng)：應(yīng)使用檢查小錘，嚴(yán)格執(zhí)行“看、敲、照、卸”的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和方法。首先是“看”，即為目視檢查，注意觀察軌頂面白光有無擴(kuò)大及白光中有無黑線、暗光、軌頭有否擴(kuò)大或下垂、下顎有否鐵渣剝落和銹痕、軌底有否翹起等。結(jié)合自然天氣條件檢查鋼軌傷損。霜雪天氣，裂紋處沾上的霜雪比較少，且融化比較慢，有殘留霜雪痕跡；雨后裂紋處留有明顯的水痕和流銹現(xiàn)象，干后仍有紅銹的痕跡存在。其次是“敲”，敲擊時手握錘柄，輕松自如，錘頭高出軌頂面約40 mm 左右，自由落錘，平敲軌面，做到眼看錘的跳動，手感錘柄的震動，結(jié)合錘的跳動次數(shù)及聲音判斷有無傷損。正常鋼軌小錘將連續(xù)跳動3-5 次，聲音清脆，有傷的鋼軌，小錘落下后，跳動次數(shù)顯著減少且跳動高度小，甚至不起跳，聲音也破濁不清，錘把震動無力。如果仍不確定有無傷損，可將道砟敲碎，取小石子置于軌面上，再用小錘敲擊，根據(jù)小石子的跳動來判斷，如跳動，說明鋼軌有傷，反之鋼軌無傷。再次是“照”，就是在無法直接目視或光線較暗的情況下，用鏡子和電筒檢查。最后的“卸”是在用上述方法檢查后，發(fā)現(xiàn)有問題卻不能確定時，在條件允許的情況下可卸下螺栓進(jìn)行觀察。

（3）手工檢查關(guān)鍵點(diǎn)：合金剛組合轍叉翼軌在對應(yīng)心軌20-50 mm 斷面處為重點(diǎn)。另外根據(jù)對手工檢出傷損的分析后發(fā)現(xiàn)不應(yīng)只敲擊翼軌中心部位，同時應(yīng)敲擊作用邊與非作用邊。有條件的情況下可采用測厚儀對翼軌軌頭寬度及高度進(jìn)行測量以檢查其中是否存在裂紋。

3.4 翼軌打磨及結(jié)構(gòu)強(qiáng)化

（1）由于轍叉按標(biāo)準(zhǔn)列車輪緣設(shè)計，而線路列車的輪對為不同程度的磨耗輪，因此在新轍叉上道后的輪軌磨合期內(nèi)（一般為1～3 個月），在心軌20～50 mm 斷面處，翼軌及心軌的工作及受力條件惡劣，容易出現(xiàn)肥邊。此時肥邊需及時打磨（肥邊不得超過2 mm），以免造成剝落掉塊。一般經(jīng)過2～3 次打磨后，翼軌磨耗進(jìn)入相對穩(wěn)定期。

（2）轍叉上道初期，由于受列車的碾壓及沖擊，易造成螺栓松動，應(yīng)加強(qiáng)檢查轍叉各部連接螺栓和接頭夾板、彈條扣件、道釘螺栓等，如有松動應(yīng)及時復(fù)緊。

（3）翼軌形成“臺階”形式磨損時必須對翼軌平面進(jìn)行順磨，打磨掉翼軌“臺階”避免發(fā)生長大掉塊。

3.5 增強(qiáng)道床彈性

現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)發(fā)現(xiàn)，道床的彈性是合金鋼組合轍叉的使用壽命長短的關(guān)鍵因素，在日常養(yǎng)護(hù)維修過程中應(yīng)特別加強(qiáng)對合金鋼組合轍叉部位道床的清篩工作，條件允許時可安排對此位置進(jìn)行換碴。

4 總結(jié)

合金鋼組合轍叉更換維修費(fèi)用在提速道岔維修成本中占有很大的比例。通過加強(qiáng)對合金鋼組合轍叉翼軌裂紋病害的預(yù)防控制，能有效地提高合金鋼組合轍叉的使用壽命、降低維修成本、保證運(yùn)輸安全。但合金鋼組合轍叉翼軌一旦發(fā)生裂紋后轍叉就要進(jìn)行修理更換，同時此轍叉的心軌可能仍然能夠繼續(xù)使用。工務(wù)段可對下道合金鋼組合轍叉可用零部件進(jìn)行再組裝進(jìn)行應(yīng)急使用，節(jié)約維修成本。