淺談延長重載鐵路曲線鋼軌使用壽命的方法

宋學兵

摘 要：在重載鐵路曲線鋼軌中，通過適當調(diào)整曲線超高、對鋼軌表面初始裂紋進行預防性打磨，可改善輪軌關(guān)系，將鋼軌傷損消滅在萌芽階段，從而延長鋼軌的使用壽命，并減少了設(shè)備隱患，從而保證鐵路運輸?shù)陌踩?、高效、穩(wěn)定。因此，對延長重載鐵路曲線鋼軌使用壽命的方法措施進行了探討。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；曲線鋼軌；軌道超高；輪軌關(guān)系

中圖分類號：U298 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.075

大秦鐵路自1992年全線開通以來，運量逐年增長，2015年運量已經(jīng)達到4.5×109 t，成為世界上運量最大、最繁忙的鐵路。在大秦鐵路中，曲線鋼軌傷損越來越重，這不僅埋下了安全隱患，還會耗費大量的人力、物力監(jiān)測軌道的安全狀況和維護軌道的正常營運。根據(jù)研究表明，周期性地對曲線鋼軌打磨和設(shè)置合適的曲線超高，是減少曲線鋼軌傷損、延長曲線鋼軌壽命的有效途徑。

1 軌道曲線超高調(diào)整

1.1 軌道超高的基本概念

軌道超高的目的是用車輛自身質(zhì)量的橫向分量來抵消車輛在轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力，以免車輛在上股道形成過大的橫向力，從而減少鋼軌側(cè)磨和降低脫軌的風險。圖1是車輛在彎道行駛

時的受力圖。車輛在行駛中會受到重力（mg）、離心力 和

風力（Hw）的作用。

圖1 車輛受力圖及輪軌受力圖

圖1中，m為車輛質(zhì)量；g為重力加速度；V為車輛速度；R為曲線半徑。如果忽略風力的作用，當重力的橫向分量與離心力達到平衡時，其數(shù)學表達為：

. （1）

式（1）中： 為車輛中心的橫向分量；h為軌道超高；d為

軌距； 為車輛轉(zhuǎn)彎的離心力。

如果d=1.5 m，g=9.81 m/s2，將速度單位由m/s轉(zhuǎn)換成km/h，將超高單位改為cm，則式（1）可以簡化為常用的軌道超高設(shè)計公式：

. （2）

式（2）還可以表示為：

. （3）

式（3）中：h為超高偏差。

當h=0時，式（3）表示的是平衡時速度與超高的關(guān)系（平衡超高狀態(tài)）；當h>0或h<0時，式（3）分別表示過超高或欠超高時速度與超高的關(guān)系。

1.2 軌道欠超高研究

在20世紀90年代初，我國曾對軌道超高進行過研究。在該研究的眾多結(jié)論中，有2點與軌道超高有關(guān)：①欠超高可減小沖角，從而降低上股道鋼軌的側(cè)磨；②欠超高可防止下股道壓潰。此次研究認為，欠超高有利于對鋼軌的保護。根據(jù)此結(jié)論，大秦線線路的養(yǎng)路維護曲線基本采用欠超高。

1.3 軌道超高的現(xiàn)狀分析

以大秦線K385+100和K386+400兩條曲線為例，曲線中點位于K385+151和K386+404處兩個相鄰曲線的上股道鋼軌側(cè)的磨損相差巨大，如圖2所示。圖2中的藍色線為新鋼軌，紅色線為已磨損的鋼軌。然而，這2條曲線的條件基本一致、半徑均為800 m、鋪設(shè)時間均為2009-06、車速相差不大；2條曲線唯一的差別是超高不同，位于K385和K386兩處的曲線超高分別為70 mm和60 mm，相差10 mm。圖3為超高與側(cè)磨的關(guān)系，可見超高較大的鋼軌側(cè)磨小，超高較小的鋼軌側(cè)磨大。

a.位于K385的曲線 b.位于K386的曲線

圖2 大秦重車線K385、K386處2009-02測量的上股道鋼軌的廓面形狀

圖3 大秦重車線K385-K386兩段曲線的上股道鋼軌的側(cè)磨與超高

在進一步對車速分布的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，在K386曲線上與60 mm超高對應的平衡速度為63 km/h，如圖2所示，在通過該曲線的車輛中，有71%的車輛的速度大于該速度，其所產(chǎn)生的離心力沒有被重力水平分量所抵消，因此，車輪被離心力推向上股道，導致輪緣與軌側(cè)接觸，進而造成嚴重的鋼軌側(cè)磨；在K385處曲線上的軌道超高為70 mm，這一超高對應的平衡速度為69 km/h，僅有54%以上車輛的速度大于該速度。雖然K385曲線的超高設(shè)置并不完善，但與K386曲線相比，大于平衡速度的車輛的比例較低，且側(cè)磨較輕。

圖4 在K385-K386兩段800 m曲線的車輛通過速度分布

2 鋼軌打磨

2.1 鋼軌打磨的目的

鋼軌的傷損主要表現(xiàn)為鋼軌磨損（垂直磨耗和軌側(cè)磨損）和疲勞破壞（裂紋和剝離掉塊）。鋼軌的失效主要表現(xiàn)為磨損超標和因疲勞破壞而產(chǎn)生的鋼軌重傷。對大秦重車線鋼軌使用情況的調(diào)查表明，曲線上、下股在鋪設(shè)后2個月出現(xiàn)了不同程度的剝離掉塊，而這種剝離掉塊不僅會嚴重影響鋼軌的使用壽命，還會給超聲波探傷作業(yè)造成困難，進而給運輸安全埋下隱患。采用鋼軌打磨的方法（以最佳重載輪軌廓面為基礎(chǔ)）控制鋼軌廓面形狀，可改善輪軌關(guān)系，延緩和消除鋼軌的接觸疲勞和疲勞破壞。

2.2 鋼軌打磨的原則和方法

鋼軌打磨要以最佳鋼軌廓形為基礎(chǔ)，減小或消除輪軌蠕滑。鋼軌打磨的3項基本原則為“嚴格根據(jù)重載鐵路鋼軌最佳廓面、預防性地去除鋼軌上的疲勞初始裂紋、打磨中將磨削量降至最低”。

鋼軌疲勞破壞起源于鋼軌的表面初始裂紋，初始裂紋會在鋼軌表層擴展，最終導致剝離掉塊。此外，初始裂紋還會向鋼軌深層擴展，進而導致鋼軌重傷，嚴重時可能會出現(xiàn)斷軌。因此，消除初始裂紋就能消除疲勞破壞，采取預防性地鋼軌打磨是通過鋼軌打磨去除疲勞初始裂紋的有效途徑。

在直線上，初始裂紋大部分出現(xiàn)在鋼軌頂面兩側(cè)的塑性流動部位，因此，對直線鋼軌的打磨主要是削掉鋼軌兩側(cè)的塑性流動層，并收窄接觸帶。

對曲線下股道的打磨與在直線上的相似，主要是削掉鋼軌兩側(cè)的塑性流動層，并收窄接觸帶，以去除鋼軌頂面兩側(cè)出現(xiàn)的初始裂紋。對于曲線上股的鋼軌，裂紋出現(xiàn)的主要部位在軌距角附近和軌肩表面，因此，打磨軌肩附近的淺表層是必要的，以去除初始裂紋。此外，上股的頂部也會出現(xiàn)疲勞破壞，如果出現(xiàn)大面積的疲勞裂紋，則應打磨頂部。

3 結(jié)束語

綜上所述，通過適當調(diào)整重載鐵路曲線鋼軌的曲線超高、對鋼軌表面初始裂紋進行預防性打磨，可改善輪軌關(guān)系、將鋼軌傷損消滅在萌芽階段，從而延長鋼軌的使用壽命，并減少了設(shè)備隱患，保證了鐵路運輸?shù)陌踩⒏咝?、穩(wěn)定。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕