研究曲線超高設置對鋼軌側面磨耗的影響

張文生+黃守剛

摘 要：世界各地的鐵路工作者，包括一些力學、材料、機械、摩擦磨耗及潤滑的研究工作者，都對鋼軌磨耗問題進行了長期的研究，其目的是為了減緩曲線的外軌側磨、內軌壓潰、波浪形磨耗，以及降低軌道部件的力學傷損。由于世界各國鐵路的列車運行情況不同，就是國內鐵路，各條線路的列車運行情況也不相同，所以影響曲線鋼軌側磨的因素也就各不相同，因此我們應該采取的減緩磨耗措施也就各不相同，有提高鋼軌材質、改善輪軌潤滑條件；有改善機車車輛轉向架轉向性能、改變車輪踏面形狀、鋼軌預打磨；也有改變軌道結構幾何參數(shù)等。但目的只有一個，就是降低鋼軌側面磨耗的速率和減少軌道部件的傷損，延長鋼軌的使用壽命，從整體上提高鐵路運輸?shù)慕?jīng)濟效益。

關鍵詞：鋼軌側面磨耗；曲線超高；原因分析；整治措施

一、選題的背景和意義

軌道是列車運行的基礎，鋼軌是鐵路運輸?shù)闹匾A設施之一。保持鋼軌性能的良好和完整，是鐵路運輸?shù)幕厩疤?。近年來，隨著我國鐵路的全面提速以及重載鐵路的發(fā)展，行車密度日益增加，鋼軌的傷損日趨嚴重，尤其是重載干線和小半徑曲線，這一問題尤為突出。鋼軌的傷損主要表現(xiàn)為銹蝕、魚鱗紋、磨耗和折斷等，其中以鋼軌磨耗最為嚴重，縮短了鋼軌的使用壽命， 干擾正常運輸任務的完成，對行車安全造成重要的影響，嚴重制約了鐵路運輸?shù)陌l(fā)展。

根據(jù)調查資料，小半徑曲線軌道上的鋼軌，有98%是由于磨耗超過限度而報廢。因此，探討一種有助于改善曲線側磨條件的可行性建議和結論，減緩小半徑曲線鋼軌側面磨耗的速率， 延長鋼軌使用壽命，降低維修費用，保證行車安全，是工務工作的一項重要任務，同時對于我國鐵路運輸發(fā)展也具有重大的意義。

二、國內外研究現(xiàn)狀

鋼軌側面磨耗和軌道其他的永久變形一樣，是不可避免的，但是通過各方面的努力，減少和緩和鋼軌側面磨耗是可能的。列車通過曲線時，輪軌產(chǎn)生兩點接觸以及在接觸點上輪軌間的相互作用——滑移和摩擦是產(chǎn)生曲線軌道上鋼軌側面磨耗的根源。實踐表明，要減緩鋼軌的側面磨耗，必須從機車車輛、軌道以及輪軌關系等方面入手，改善輪軌的接觸條件和摩擦條件。世界各地的鐵路工作者，包括一些力學、材料、機械、摩擦磨耗及潤滑的研究工作者，都對鋼軌磨耗問題進行了長期的研究，其目的是為了減緩曲線的外軌側磨、內軌壓潰、波浪形磨耗，以及降低軌道部件的力學傷損。但世界各國鐵路的列車運行情況不同，就是國內鐵路，各條線路的列車運行情況也不相同，所以影響曲線鋼軌側磨的因素也就各不相同，因此我們應該采取的減緩磨耗措施也就各不相同：有提高鋼軌材質、改善輪軌潤滑條件；有改善機車車輛轉向架轉向性能、改變車輪踏面形狀、鋼軌預打磨；也有改變軌道結構幾何參數(shù)等。但目的只有一個，就是降低鋼軌側面磨耗的速率和減少軌道部件的傷損，延長鋼軌的使用壽命，從整體上提高鐵路運輸?shù)慕?jīng)濟效益。

練松良、孫琦和王午生根據(jù)輪緣導向理論提出影響曲線鐵路鋼軌軌頭側面磨耗的主要原因是輪軌之間的導向力和沖角。導向力指的是機車車輛通過曲線鐵路時，外軌軌道施加給機車車輛外輪輪緣的作用力；沖角指的是輪軌滾動軸線與曲線半徑方向的夾角。曲線半徑越小，導向力越大，沖角也越大，所以，曲線半徑越小，鋼軌軌頭的側磨也就越嚴重。另外，在曲線鋼軌磨耗及其減緩措施中，還對輪軌接觸幾何關系、曲線軌道受力和輪軌接觸面的受力進行了詳細分析，并著重分析了改變軌道結構幾何參數(shù)對鋼軌磨耗的影響，同時還分析了鋼軌材質、養(yǎng)護條件和機車車輛構造性能及軸重等因素對曲線鋼軌側磨的影響，并提出了了相應的改善措施。

趙國堂和曾樹谷在《曲線半徑與過、欠超高對鋼軌側磨的影響》一文中首先介紹了曲線鋼軌側磨規(guī)律和鋼軌磨耗評價體系，隨后建立計算模型，應用車輛動力學分析程序NUCARS，建立了49個自由度的輪軌相互作用分析模型，模擬了車輛在曲線上運行過程中的側磨規(guī)律分析了采用Vogel側磨指數(shù)和輪軌接觸摩擦功作為鋼軌側磨指標時，不同曲線半徑和過欠超高下側磨的變化特點。

陳鵬，高亮和郝建芳運用SIMPACK虛擬樣機技術，從線路設計及養(yǎng)護維修的角度出發(fā)，對鐵路曲線上車輛速度、軌底坡、曲線超高及鋼軌涂油對輪軌磨耗的影響進行仿真計算和分析。分析結果表明：為降低輪軌磨耗及保證行車安全， 車輛速度以及線路條件決定的最高行車速度略低為宜；曲線超高過低或過高均會增大輪軌磨耗，由于小半徑曲線上設置的超高一般偏大，故而適當降低小半徑曲線的超高對于降低輪軌磨耗是有利的；軌底坡的適當增大可使得輪軌磨耗有一定降低，但效果不明顯，且軌底坡過大會加劇輪軌磨耗；對鋼軌進行適當?shù)耐坑涂捎行Ы档洼嗆壞ズ模珣M行嚴格控制，涂油太多對于降低輪軌磨耗反而不利。

三、數(shù)據(jù)采集

大準鐵路是國家 “八五”計劃重點建設項目“準格爾項目一期工程”三大主體工程之一，大準鐵路東起山西省大同市，西至內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗薛家灣，正線全長264公里，途徑兩省六旗縣（市），是已形成的“西煤東運”大通道，大秦線的向西延伸。1998年隨準格爾能源公司劃歸神華集團，是神華集團四條自營鐵路之一，也是目前我國煤炭系統(tǒng)最長的企業(yè)自建自管的專用鐵路，屬I級單線電氣化鐵路，設計年運輸能力1500萬噸，2006年完成擴建改造后運輸能力已達到4800萬噸，是目前我國第二條開行萬噸列車的鐵路，遠景規(guī)劃可達到1-1.5億噸的運輸能力。大準鐵路地處山區(qū)，曲線居多，尤其小半徑曲線，本課題選取了27條曲線，每條曲線設置5個測點進行鋼軌側面磨耗觀測。

四、曲線段未被平衡超高與側面磨耗關系

超高是影響車輛在曲線軌道上運行的主要因素之一，一旦線路實設超高確定后，在運行過程中是不能隨意改變的，但是通過曲線的列車速度有高有低。當實際列車速度大于或小于曲線的平均速度時，就會產(chǎn)生未被平衡的橫向加速度，從而產(chǎn)生輪載偏載，使一股鋼軌上的輪載增加，另一股鋼軌上的輪載減小。超高設置不當，會引起鋼軌偏載和輪軌的不正常接觸，從而影響到鋼軌的側面磨耗。

分析曲線段鋼軌未被平衡超高對曲線的側磨影響所用數(shù)據(jù)見表1。

（一）曲線段未被平衡超高與側面磨耗數(shù)據(jù)分析

所調查數(shù)據(jù)共包括27條曲線，其中設置欠超高的數(shù)據(jù)共有15條，設置過超高的曲線有12條，現(xiàn)將兩部分曲線分別進行分析。

1、曲線段欠超高與側面磨耗數(shù)據(jù)分析

對設置欠超高的曲線磨耗數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)見表2。

由于測點M1和測點M5的磨耗值都為0，所以在此只分析磨耗比較嚴重的M2點、M3點和M4點，在分析時對曲線進行篩選，剔除壞值。為了更好的研究欠超高與鋼軌側磨之間的關系，依據(jù)表4-2中的數(shù)據(jù)繪制散點圖，見圖1、圖2和圖3。

從圖1可以分析得出，欠超高與應設超高的比值在0.26～0.40范圍內，鋼軌測點M2的平均側面磨耗值最小。

從圖2可以分析得出，欠超高與應設超高的比值在0.28～0.42范圍內，鋼軌測點M3的平均側面磨耗值最小。

從圖3可以分析得出，欠超高與應設超高的比值在0.04～0.20范圍內，鋼軌測點M4的平均側面磨耗值最小。

對設置欠超高的所有曲線中的測點M2、測點M3和測點M4的磨耗值分別取平均值，得到曲線中測點M2、測點M3和測點M4的平均磨耗值分別為3.27mm、3.67mm和1.67mm。測點M2、測點M3和測點M4的平均磨耗值在總平均磨耗值所占的比重分別為0.38%、0.43%和0.19%?，F(xiàn)在對圖1、圖2和圖3分析得到的測點平均磨耗值最小時欠超高與應設超高的比值范圍做加權平均，可以求得欠超高與應設超高比值的取值范圍為0.23～0.37。從而得出，欠超高與應設超高的比值在0.23～0.37范圍內，鋼軌平均磨耗值最小。

2、曲線段過超高與側面磨耗數(shù)據(jù)分析

對設置過超高的曲線磨耗數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)見表3。

由于測點M1和測點M5的磨耗值大多為0，所以在此只分析磨耗比較嚴重的M2點、M3點和M4點，在分析時對曲線進行篩選，剔除壞值。依據(jù)表3中的數(shù)據(jù)繪制散點圖，見圖4、圖5和圖6。

從圖4可以分析得出，過超高與應設超高的比值在0.48～0.64范圍內，鋼軌測點M2的平均側面磨耗值最小。

從圖5可以分析得出，過超高與應設超高的比值在0.52～0.68范圍內，鋼軌測點M3的平均側面磨耗值最小。

從圖6可以分析得出，過超高與應設超高的比值在0.52～0.68范圍內，鋼軌測點M4的平均側面磨耗值最小。

對設置過超高的所有曲線中的測點M2、測點M3和測點M4的磨耗值分別取平均值，得到曲線中測點M2、測點M3和測點M4的平均磨耗值分別為5.50mm、7.83mm和3.92mm。測點M2、測點M3和測點M4的平均磨耗值在總平均磨耗值所占的比重分別為0.32%、0.45%和0.23%。現(xiàn)在對圖4、圖5和圖6分析得到的測點平均磨耗值最小時欠超高與應設超高的比值范圍做加權平均，可以求得過超高與應設超高比值的取值范圍為0.51～0.67。從而可以得出，過超高與應設超高的比值在0.51～0.67范圍內，曲線鋼軌的平均磨耗值最小。

3、曲線段過超高曲線與欠超高曲線磨耗數(shù)據(jù)對比分析

分別對欠超高和過超高兩組曲線的磨耗求平均值，所求結果見表4。

從表4的數(shù)據(jù)可以分析得出，設置欠超高的一組曲線的總平均磨耗值為1.72mm，而設置過超高的一組曲線的總平均磨耗值為3.67mm，將兩組曲線對比，設置欠超高的曲線磨耗平均值明顯小于設置過超高的曲線磨耗平均值。

（二）針對未被平衡超高因素采取的減緩鋼軌側磨的措施

超高大小對輪軌之間的導向力及沖角的影響相當敏感，所以超高對鋼軌的側磨具有很大的影響。由于超高直接引起導向力和沖角的變化，所以也就直接影響鋼軌軌頭側磨速率的大小。列車通過曲線時，橫向力隨著欠超高的增加而增大，當此時橫向力小于輪軌接觸面上的橫向蠕滑力時，輪對可實現(xiàn)蠕滑導向而輪緣不與鋼軌軌頭側面接觸。在小半徑曲線上，由于鋼軌所受的橫向力遠大于輪軌接觸面上的蠕滑力，所以要有輪緣力參與導向，此時在鋼軌軌頭側面就會發(fā)生磨耗。

但在過超高條件下，雖然輪軌之間的蠕滑力小于摩擦力，但由于存在較大的沖角是輪緣與鋼軌接觸，從而產(chǎn)生鋼軌軌頭的側磨。為了減緩曲線鋼軌的側磨，就要求內輪產(chǎn)生向后蠕滑，而要達到這一目的就要求外輪所受的荷載大于內輪所受的荷載。如果在曲線上設置的超高小于用平均速度計算所得到的超高，則大部分機車車輛通過曲線時都是以欠超高形式通過曲線，外輪荷載大于內輪，就達到了內輪產(chǎn)生蠕滑的目的，也就達到了減緩曲線鋼軌軌頭側磨的目的。針對此次調查的15條曲線鋼軌的實際側磨數(shù)據(jù)來看，當欠超高與應設超高的比值在0.23～0.37范圍內時可以顯著減輕此路段各曲線段的鋼軌側磨現(xiàn)象，所以，應結合現(xiàn)場的實際情況，盡量將設置過超高的曲線通過調整超高，設置為欠超高曲線，并且將欠超高與應設超高的比值控制在0.23～0.37之間。

參考文獻：

[1]練松良，孫琦，王午生.鐵路曲線鋼軌磨耗及其減緩措施[M].北京：中國鐵道出版社；2001.