城市軌道交通線路鋼軌剝落掉塊分析與防治措施

何繼平

(蘇州市軌道交通集團有限公司, 215006, 蘇州//工程師)

蘇州軌道交通2號線(不含延伸線)共有16處小半徑曲線。該線自2013年12月28日開通以來，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)小半徑曲線上股鋼軌出現(xiàn)不同程度的剝落掉塊現(xiàn)象。其中，在蘇州火車站站—山塘街站上行方向里程為K14+252.621附近的曲線段，該現(xiàn)象尤為明顯。鋼軌剝落掉塊如圖1所示。本文針對小半徑曲線上股鋼軌出現(xiàn)的剝落掉塊現(xiàn)象進行了分析，并給出了防治措施建議。

圖1 鋼軌剝落掉塊現(xiàn)場照片

1 鋼軌與輪對接觸分析

通過對蘇州軌道交通2號線鋼軌剝落掉塊處調(diào)查，發(fā)現(xiàn)一半以上的掉塊均出現(xiàn)在小半徑曲線的上股。檢查軌道幾何尺寸，發(fā)現(xiàn)各項尺寸皆正常。經(jīng)初步研究認為，鋼軌剝落掉塊是由于鋼軌與輪對的接觸關(guān)系引起的。因為鋼軌在列車的橫向荷載、縱向荷載及豎向荷載的復(fù)雜作用下，所受到的沖擊與破壞較大，同時在列車不間斷的快速碾壓下，鋼軌軌頭內(nèi)側(cè)受到疲勞傷害會持續(xù)發(fā)展。尤其在小半徑曲線地段，由于超高、離心力及軌底坡等原因使車輪踏面與鋼軌軌面未做到較好貼合，可能導(dǎo)致偏載等復(fù)雜情況，對鋼軌受力面影響較大，從而導(dǎo)致鋼軌磨耗與剝落掉塊。鋼軌發(fā)生磨耗與剝落掉塊后，輪軌關(guān)系會進一步惡化，再加上列車的蛇形運動沖擊，導(dǎo)致鋼軌剝落掉塊現(xiàn)象愈加嚴重。

為了真實地模擬鋼軌和車輪的接觸狀況，工務(wù)專業(yè)以蘇州軌道交通所采用的電客車輪緣(LM型)為參考，制作了1∶1的輪緣模型，并在蘇州軌道交通2號線小半徑曲線區(qū)域做現(xiàn)場試驗，如圖2所示。

a) 上股鋼軌

b) 下股鋼軌

由圖2現(xiàn)場車輪碾磨形成的光帶來看，上股光帶偏離鋼軌軌頂中心靠向鋼軌內(nèi)側(cè)，且剝落掉塊較多，而下股基本無剝落掉塊；上股鋼軌內(nèi)側(cè)光帶與輪緣內(nèi)側(cè)接觸，下股鋼軌與輪對接觸面位于輪緣1∶20位置處。輪緣踏面的具體尺寸如圖3所示。

注：R代表半徑;單位mm

圖3 輪緣踏面圖

2 軌底坡調(diào)整現(xiàn)場試驗分析

經(jīng)現(xiàn)場研究得知，可通過修正鋼軌軌底坡來調(diào)整輪對與鋼軌的接觸面。當增大軌底坡時，可使光帶趨于鋼軌中心，以此消除偏載作用。為此蘇州軌道交通工務(wù)專業(yè)人員采取了在曲線上、下股鋼軌外側(cè)各墊半塊高度為3 mm膠墊的措施；經(jīng)軌底坡測量儀測量此時的軌底坡為1∶20，目的在于使車輪在軌底坡為1∶20的一段踏面與鋼軌頂面接觸。軌底坡調(diào)整后，對上股鋼軌剝落掉塊數(shù)據(jù)、光帶變化進行監(jiān)控，如圖4及表1所示。

圖4 調(diào)整軌底坡3個月后上股鋼軌光帶變化圖

軌底坡調(diào)整時間掉塊深度/mm掉塊長度/mm軌底坡調(diào)整時間掉塊深度/mm掉塊長度/mm1個月前001個月后003個月前003個月后00半年前00半年后001年前0.2～0.53～61年后002年前約1.0約10

由圖4和表1可知，軌底坡調(diào)整后光帶趨于鋼軌頂部中間區(qū)域，且調(diào)整后鋼軌剝落掉塊發(fā)展速度明顯降低。因此調(diào)整軌底坡確實對鋼軌剝落掉塊有一定的延緩作用。

3 不同軌底坡情況下鋼軌受力分析

3.1 計算模型

為模擬軌底坡取值不同時的鋼軌受力情況，利用ANSYS軟件建立了鋼軌受力分析有限元模型，如圖5所示。模型中，鋼軌采用SOLID45實體單元模擬，軌下橡膠墊板采用SOLID45實體單元模擬。上述兩者的接觸采取剛體-柔體的接觸分析，該分析中，將鋼軌設(shè)置為剛體，將軌下橡膠墊板設(shè)置為柔體；將鋼軌與橡膠墊板的接觸面設(shè)置為目標面，用TARGE170單元模擬，摩擦系數(shù)定義為0.3；將橡膠墊板與鋼軌的接觸面設(shè)置為接觸面，用CONTA173單元模擬。

a) 俯視圖

b) 側(cè)視圖

3.2 計算結(jié)果

本文針對軌底坡調(diào)整前(即偏荷載作用下)和軌底坡調(diào)整后(即正荷載作用下)鋼軌的受力情況進行了計算。經(jīng)計算，不同荷載作用下，鋼軌受力情況如圖6及表2所示。

由圖6及表2可知：軌底坡調(diào)整后鋼軌應(yīng)力及變形量均明顯降低。軌底坡調(diào)整前鋼軌應(yīng)力集中在鋼軌內(nèi)側(cè)軌頭弧度處，與現(xiàn)場剝落掉塊位置相吻合；軌底坡調(diào)整后鋼軌應(yīng)力基本均勻分布于整個軌頭，避開了現(xiàn)場剝落掉塊位置。

4 防治措施建議

鋼軌剝落掉塊若持續(xù)發(fā)展，會造成剝落掉塊的尺寸越來越大，進而影響其使用壽命；同時該現(xiàn)象對母材的傷損越來越大，其裂紋可能會向鋼軌內(nèi)部發(fā)展，一定程度時會引起斷軌；另外剝落掉塊會影響軌道幾何尺寸，尤其是軌面平順度，進而使鋼軌受力惡化，從而引起附加病害，例如零部件破損、軌枕失效等。目前城市軌道交通針對鋼軌剝落塊現(xiàn)象普遍采用打磨、焊補、上下股鋼軌調(diào)換或者整段鋼軌更換等措施。這些措施維修成本較大，勞力投入較多，因此需引入新理念進行預(yù)防性維修，以此來節(jié)約維修成本以及延緩鋼軌傷損發(fā)展。

a) 軌底坡調(diào)整前

b) 軌底坡調(diào)整后

(1) 合理設(shè)置軌底坡。根據(jù)以上現(xiàn)場實驗結(jié)果以及計算結(jié)果可知，在小半徑曲線地段將軌底坡由1∶40調(diào)至1∶20后，曲線上股鋼軌光帶由內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移至鋼軌頂部中間區(qū)域；軌底坡調(diào)整后，鋼軌受力情況由偏荷載變成正荷載，其應(yīng)力與變形量均減??；軌底坡調(diào)整前鋼軌應(yīng)力集中在鋼軌內(nèi)側(cè)軌頭弧度處，與現(xiàn)場剝落掉塊處相吻合，軌底坡調(diào)整后鋼軌應(yīng)力基本均勻分布于整個軌頭，避開了現(xiàn)場剝落掉塊處。因此在小半徑(半徑小于400 m)曲線地段，軌底坡可設(shè)置成1∶20，從此減少輪軌非正常接觸。

(2) 鋼軌預(yù)打磨。在新線開通前，對鋼軌進行預(yù)打磨，尤其針對小半徑曲線區(qū)域。該措施可消除鋼軌表面毛刺，改良輪軌關(guān)系，延長鋼軌剝落掉塊發(fā)展周期；另外，鋼軌預(yù)打磨在很大程度上可消除鋼軌制造的公差以及施工鋪設(shè)、焊接的誤差，使輪軌接觸面較為順滑，縮短其磨合期，亦可延長鋼軌及輪對的使用壽命。

(3) 車輛輪對及時鏇修。由于鋼軌剝落掉塊對車輪輪緣踏面易造成不均勻磨耗，嚴重時亦會產(chǎn)生剝離，此隱患如不及時消除，會加劇鋼軌剝落掉塊發(fā)展速度，給行車安全帶來隱患；在輪軌之間復(fù)雜荷載的持續(xù)作用下，與鋼軌接觸的輪對踏面將會發(fā)生磨耗與變形，而通過車輛輪對及時鏇修可以修復(fù)輪對尺寸、改善輪軌關(guān)系、延長鋼軌及輪對使用壽命。

(4) 加強養(yǎng)護、消滅偏差處所。保持軌道幾何尺寸(例如正失、軌距遞減率、水平、高低、方向、三角坑等)優(yōu)良，尤其是小半徑曲線地段，可大大減少車輪對鋼軌的沖擊力，減少鋼軌疲勞傷害，進而延緩鋼軌剝落掉塊的發(fā)展。