U75V在線熱處理尖軌服役狀態(tài)下廓形演化規(guī)律分析

董華利

（中鐵物總技術(shù)有限公司，北京 100036）

U75V在線熱處理尖軌服役狀態(tài)下廓形演化規(guī)律分析

董華利

（中鐵物總技術(shù)有限公司，北京 100036）

通過(guò)對(duì)U75V在線熱處理尖軌服役狀態(tài)下的廓形變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，初步探討頂面磨耗和側(cè)面肥邊的變化情況，總結(jié)出尖軌的廓形演化規(guī)律。研究表明，隨著服役時(shí)間的增加（即通過(guò)總質(zhì)量的增加），磨耗和肥邊均持續(xù)增加，但統(tǒng)計(jì)顯示肥邊面積存在波動(dòng)；波動(dòng)的主要原因?yàn)樵诓韰^(qū)輪軌復(fù)雜應(yīng)力作用下，部分肥邊被磨損，當(dāng)磨損的肥邊與新增肥邊面積相等時(shí)，肥邊面積顯示為零增長(zhǎng)狀態(tài)，但輪廓線已沿著載荷方向進(jìn)行了遷移，發(fā)生了肥邊實(shí)質(zhì)性的增加。該研究具有重要的理論意義和實(shí)際工程價(jià)值。

U75V；在線熱處理；尖軌；廓形；磨耗；肥邊；通過(guò)總質(zhì)量

0 引言

道岔是鐵路線路的三大薄弱環(huán)節(jié)之一，直接影響著列車的運(yùn)行速度和行駛安全，道岔中的尖軌作為轉(zhuǎn)轍器部分變換車輪軌跡的重要軌件，其廓形狀態(tài)對(duì)輪軌接觸動(dòng)力學(xué)及列車變換軌道時(shí)的平穩(wěn)性具有重要影響。尖軌廓形一方面影響岔區(qū)的輪軌接觸關(guān)系，另一方面尖軌的廓形變化也反映出岔區(qū)輪軌接觸應(yīng)力的變化情況。制造的高品質(zhì)道岔也應(yīng)包括良好的軌件廓形，而軌件廓形一方面取決于與輪軌接觸應(yīng)力的作用，另一方面也取決于廓形本身的優(yōu)化和軌件材質(zhì)的優(yōu)化。

關(guān)于廓形和材質(zhì)方面的優(yōu)化國(guó)內(nèi)已有較多研究。結(jié)構(gòu)方面，周清躍[1]從高速鐵路輪軌形面匹配方面進(jìn)行研究，提出我國(guó)高速鐵路新輪與新軌的幾何形面不匹配，建議統(tǒng)一動(dòng)車車輪形面并開(kāi)展新軌頭廓形鋼軌的研發(fā)和應(yīng)用，以改善輪軌接觸關(guān)系；劉豐收[2]對(duì)新軌頭廓形75N鋼軌進(jìn)行仿真計(jì)算和試驗(yàn)研究，指出75N鋼軌的新型廓形顯著改善了輪軌關(guān)系；蘇航[3]對(duì)60N新廓形鋼軌進(jìn)行跟蹤觀測(cè)分析，研究出更適合當(dāng)下輪軌接觸關(guān)系的60N新廓形鋼軌；王平[4]研究了輪軌磨耗對(duì)岔區(qū)輪軌接觸行為的影響；王樹(shù)國(guó)[5]針對(duì)曲線尖軌使用壽命短的問(wèn)題，研究并實(shí)踐了直曲組合型曲線尖軌技術(shù)，系統(tǒng)分析了曲線尖軌線型對(duì)其磨耗特性的影響；關(guān)于軌件廓形的檢測(cè)和打磨也多有研究[6-9]。材質(zhì)方面，熱軋軌的強(qiáng)度、硬度和耐磨性較低，磨損較為嚴(yán)重，在線熱處理工藝作為鋼軌強(qiáng)化的主要方式之一，引起各國(guó)鋼軌生產(chǎn)廠的廣泛重視，具有較大的市場(chǎng)價(jià)值[10-11]。王樹(shù)青等[12-13]研究了鋼軌的全長(zhǎng)淬火工藝和性能；康皓[14]系統(tǒng)研究了U75V重軌在線熱處理工藝的關(guān)鍵技術(shù)；董華利[15]分析了U71Mn、U75V和U78CrV鋼軌在線熱處理后性能改善比較的情況，指出從強(qiáng)度和硬度指標(biāo)分析，在線熱處理對(duì)U75V鋼軌的性能改善效果最佳。

在眾多研究中，多為分散地研究廓形、打磨或在線熱處理，目前尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)化后的尖軌（U75V在線熱處理尖軌）服役狀態(tài)下的軌頂面輪廓演化規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。從這個(gè)角度出發(fā)，研究U75V在線熱處理尖軌在服役狀態(tài)下軌頂面的廓形演化規(guī)律，探索廓形演化與通過(guò)總質(zhì)量間的內(nèi)在聯(lián)系，為尖軌的持續(xù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累。

1 試驗(yàn)材料及方法

文獻(xiàn)[15]指出從強(qiáng)度和硬度指標(biāo)分析，在線熱處理對(duì)U75V鋼軌的性能改善效果最佳，因此試驗(yàn)材料選用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的U75V在線熱處理鋼軌，成分及性能均滿足TB/T 3109—2013《鐵路道岔用非對(duì)稱斷面鋼軌》要求，加工成尖軌，鋪設(shè)于某車站。新鋪設(shè)的道岔為SC（07）390，60 kg/m軌，9號(hào)混凝土道岔，原岔位替換，該岔位通過(guò)總質(zhì)量約33萬(wàn)t/d。通車前對(duì)直尖軌和曲尖軌20 mm、35 mm、50 mm斷面的廓形進(jìn)行測(cè)量，并將首次測(cè)量的廓形作為后續(xù)測(cè)量和分析的基準(zhǔn)，每隔60～100 d對(duì)廓形進(jìn)行跟蹤測(cè)量。服役633 d作為觀測(cè)終止點(diǎn)，測(cè)量結(jié)束后，尖軌廓形良好，傷損較小，繼續(xù)服役，原熱軋尖軌服役180 d即失效下道，在線熱處理尖軌的服役壽命至少比熱軋尖軌延長(zhǎng)了2.5倍。采用鋼軌廓形測(cè)量?jī)x對(duì)廓形進(jìn)行檢測(cè)，采用數(shù)碼相機(jī)對(duì)尖軌表面狀態(tài)進(jìn)行采集。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 測(cè)量統(tǒng)計(jì)分析

服役633 d后的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。曲尖軌和直尖軌均出現(xiàn)磨耗和肥邊現(xiàn)象，曲尖軌磨耗和肥邊相對(duì)較為嚴(yán)重，且曲尖軌存在較多的魚鱗紋和局部輕微剝離掉塊。曲尖軌傷損較為嚴(yán)重的主要原因：開(kāi)通曲股時(shí)，車輛變道，在離心力作用下，曲尖軌承受較大的側(cè)向擠壓應(yīng)力，開(kāi)通直股時(shí)直尖軌基本不受側(cè)向擠壓應(yīng)力?？傮w而言，曲尖軌的受力復(fù)雜和惡劣程度高于直尖軌，因此其傷損較為嚴(yán)重。

圖1 服役633 d后曲尖軌50 mm斷面形貌及廓形變化

圖2 服役633 d后直尖軌50 mm斷面形貌及廓形變化

曲尖軌的磨耗和肥邊統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖3。曲尖軌磨耗總體趨勢(shì)：隨著服役時(shí)間的增加，磨耗面積逐漸增大，服役633 d后，20 mm斷面的最大磨耗面積為24.968 mm2、35 mm斷面為27.203 mm2、50 mm斷面為28.543 mm2。曲尖軌各特征斷面肥邊的總體趨勢(shì)：寬斷面的肥邊程度嚴(yán)重，小斷面肥邊稍輕，隨著服役時(shí)間的增加，肥邊面積出現(xiàn)減小和增加的反復(fù)現(xiàn)象，服役633 d后，20 mm斷面最大肥邊面積為3.753 mm2、35 mm斷面為5.244 mm2、50 mm斷面為21.212 mm2。

直尖軌的磨耗和肥邊統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖4。服役633 d后，直尖軌磨耗總體趨勢(shì)：隨著服役時(shí)間的增加，磨耗面積逐漸增大，20 mm斷面的最大磨耗面積為4.848 mm2、35 mm斷面為4.629 mm2、50 mm斷面為22.631 mm2。直尖軌肥邊變化趨勢(shì)：隨著服役時(shí)間的增加，各斷面位置肥邊面積逐漸增加，局部階段出現(xiàn)反復(fù)增減現(xiàn)象。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，隨著服役時(shí)間的增加，尖軌磨耗面積持續(xù)增加，肥邊面積存在增加和減小的波動(dòng)現(xiàn)象，且寬斷面的磨耗和肥邊量均高于窄斷面。

圖3 曲尖軌各斷面特征參數(shù)隨時(shí)間的變化情況

圖4 直尖軌各斷面特征參數(shù)隨時(shí)間的變化情況

2.2 廓形演化規(guī)律

從各階段廓形對(duì)比的角度對(duì)50 mm斷面的廓形演化規(guī)律進(jìn)行具體分析。服役不同階段尖軌50 mm斷面廓形的變化情況見(jiàn)圖5?？梢园l(fā)現(xiàn)廓形的變化規(guī)律，即隨著服役時(shí)間的增加，磨耗增加，與圖3（a）和圖4（a）的統(tǒng)計(jì)規(guī)律相同；肥邊整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而圖3（b）和圖4（b）中肥邊的變化不明顯，甚至存在肥邊面積下降的現(xiàn)象，主要原因?yàn)椴糠址蔬叡荒p消耗。

尖軌廓形演化示意見(jiàn)圖6。曲線ABCDEF為原始廓形；曲線ACGEF為服役一段時(shí)間后第一次測(cè)量的廓形；曲線ADGF為服役一段時(shí)間后第二次測(cè)量的廓形。第一次磨耗面積為ABC，第二次磨耗面積為ABD=ABC+ACD，由此可知，隨著服役時(shí)間的增加，磨耗面積持續(xù)增加；第一次肥邊面積為CGE，第二次肥邊面積為DGF，DGF=DEG+GEF=CGE－CDG+GEF。第二次肥邊與第一次肥邊存在如下關(guān)系：第二次肥邊面積－第一次肥邊面積=DGF－CGE=GEF－CDG，即隨著服役時(shí)間的增加，肥邊面積的增量取決于GEF（本次新增加的肥邊面積）和CDG（上次肥邊磨損面積）面積的大小，若GEF＞CDG，則肥邊面積增量為正值，否則為負(fù)值。體現(xiàn)在圖3（b）和圖4（b）的規(guī)律上即是肥邊面積的增加存在波動(dòng)現(xiàn)象。

圖5 服役不同階段尖軌50 mm斷面廓形變化情況

圖6 尖軌廓形演化規(guī)律模型示意圖

從圖6還可以發(fā)現(xiàn)，曲線AD與曲線ABCD圓弧正交線相交之間的差值（磨耗量正值）明顯大于曲線AC與曲線ABCD圓弧正交線相交間的差值，即隨著服役時(shí)間的增加，磨耗量正值逐漸增大（體現(xiàn)出磨耗的增加），圖3（a）和圖4（a）的曲線斜率為正值。由于受力作用的方向性差異，曲線CGE與曲線CDEF圓弧正交線相交之間的差值（磨耗量負(fù)值）和曲線DGF與曲線CDEF圓弧正交線相交之間的差值變化并不明顯，處于一個(gè)穩(wěn)定水平，體現(xiàn)在圖3（b）和圖4（b）上，即反映出隨著服役時(shí)間的增加，磨耗量負(fù)值變化不大，處于較穩(wěn)定狀態(tài)，曲線斜率很小，并出現(xiàn)負(fù)值的現(xiàn)象。分析表明，隨著服役時(shí)間的增加（即通過(guò)總質(zhì)量的增加），磨耗和肥邊均持續(xù)增加，但統(tǒng)計(jì)顯示肥邊面積存在波動(dòng)。波動(dòng)的主要原因?yàn)椋涸诓韰^(qū)輪軌復(fù)雜應(yīng)力作用下，部分肥邊被磨損，當(dāng)磨損的肥邊與新增肥邊面積相等時(shí)，肥邊面積顯示為零增長(zhǎng)狀態(tài)，但輪廓線已沿著載荷方向進(jìn)行了遷移，發(fā)生了肥邊實(shí)質(zhì)性的增加。

將輪軌作用力沿水平方向和垂直方向進(jìn)行分解，垂直力主要作用于軌頂面，水平力主要作用于軌頂側(cè)面，垂直分力一方面導(dǎo)致軌頂面產(chǎn)生磨耗，另一方面導(dǎo)致軌頂面金屬產(chǎn)生塑性變形流動(dòng)，沿著R13 mm圓弧方向流向尖軌工作邊的側(cè)面，產(chǎn)生肥邊，水平分力主要導(dǎo)致軌頂側(cè)面的磨耗，這種磨耗作用將垂直分力產(chǎn)生的肥邊進(jìn)行磨損，表現(xiàn)在宏觀形貌上即尖軌小斷面肥邊量較少，具體量的變化取決于垂直分力的肥邊效應(yīng)與水平分力的磨耗作用的相對(duì)大小。由于輪軌硬度匹配關(guān)系和車輪載荷對(duì)尖軌工作邊沖擊作用的影響，在服役初期，尖軌即形成肥邊，在隨后的服役狀態(tài)下，由于轉(zhuǎn)向架蛇形運(yùn)動(dòng)的影響，車輪水平分力會(huì)對(duì)之前形成的肥邊進(jìn)行碾壓、沖擊或磨損，導(dǎo)致肥邊不同程度減小。肥邊減小到一定程度時(shí)，車輪垂向分力會(huì)再次產(chǎn)生新的肥邊，同樣新的肥邊會(huì)再次被磨損而減小。因此，總體趨勢(shì)為：服役初期迅速產(chǎn)生肥邊，隨后肥邊程度有所降低，隨著服役時(shí)間的繼續(xù)增加，肥邊會(huì)出現(xiàn)一定程度的反復(fù)增減。

3 結(jié)論

（1）隨著服役時(shí)間的增加（即通過(guò)總質(zhì)量的增加），U75V在線熱處理尖軌的磨耗和肥邊均持續(xù)增加，但統(tǒng)計(jì)顯示肥邊面積存在波動(dòng)。

（2）肥邊面積波動(dòng)的主要原因?yàn)椋涸诓韰^(qū)輪軌復(fù)雜應(yīng)力作用下，部分肥邊被磨損，當(dāng)磨損的肥邊與新增肥邊面積相等時(shí)，肥邊面積顯示為零增長(zhǎng)狀態(tài)，但輪廓線已沿著載荷方向進(jìn)行了遷移，發(fā)生了肥邊實(shí)質(zhì)性的增加。

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Analysis on Profile Change Rules of Heat Treated U75V Point Rail in Service

DONG Huali
（China Railway Material Technology Co Ltd，Beijing 100036，China）

Based on statistics and analysis of profile change of heat treated U75V point rail in service, the paper makes preliminary discussion on the changes of top wear and side lip and concludes the rules of profile changes of point rail. The study shows that as service time (total mass passed) increases, the wear and lip increase,however, the statistics prove the fluctuation of the lip area; the wheel-rail stress in the switch zone is complicated,some of the lips are worn, when the area of worn lip equals to that of the new lip, the lip area shows nothing changed, while its contour line has already moved along loading direction, which makes the lip increase, this is why the fluctuation of lip area occurs. The study is of great importance to both theoretical study and railway practice.

U75V；on-track heat treatment；point rail；profile；wear；lip；total mass passed

U213.6+3

A

1001-683X（2017）11-0077-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.077

董華利（1977—），男，高級(jí)工程師。E-mail：hldong@126.com

責(zé)任編輯 高紅義

2017-06-25