城市軌道交通小半徑曲線鋼軌磨耗研究

劉兵

摘 要：隨著城市化進程加快，軌道交通建設(shè)項目明顯增多，加強運行管理、降低運行成本，成為從業(yè)人員的研究重點。本文以小半徑曲線段為核心，首先指出鋼軌磨耗的特點，然后分析了相關(guān)影響因素，最后提出幾點防治措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：軌道交通；小半徑曲線；鋼軌磨耗；防治措施

中圖分類號：U213.42 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）11-0062-01

在城市軌道交通中，小半徑曲線地段的鋼軌磨耗問題一直存在，相比于地面道路系統(tǒng)，軌道交通對周邊環(huán)境的要求高，軌道結(jié)構(gòu)會采用減振設(shè)計。但是，曲線半徑過大，會增加工程建設(shè)成本；曲線半徑過小，不僅影響行車舒適度，也會產(chǎn)生明顯的鋼軌磨耗。以下結(jié)合實踐，探討了鋼軌磨耗的影響因素和防治措施。

1 城市軌道交通小半徑曲線鋼軌磨耗特點

1.1 側(cè)磨明顯

軌道交通受環(huán)境的干擾明顯，常采用小半徑曲線設(shè)計，在不同列車、軸重、速度的影響下，就會造成鋼軌磨耗。分析鋼軌損傷的特點，主要表現(xiàn)為：（1）接觸疲勞裂紋；（2）剝離掉塊；（3）鋼軌側(cè)磨；（4）頂面波磨；（5）軌頭壓潰。在小半徑曲線段，鋼軌側(cè)磨和使用壽命密切相關(guān)，側(cè)磨造成的損害會縮短正常的換軌周期。舉例來說，在上海軌道交通中，某一區(qū)段的最小曲線半徑為300m，鋼軌使用壽命僅有6個月。

1.2 波磨異常

軌道交通為了滿足行車安全性要求，在結(jié)構(gòu)中采用減振設(shè)計，以減振型扣件為例，具有價格低廉、施工方便、可以維護等優(yōu)勢，因此應(yīng)用廣泛[1]。但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在使用減振扣件的區(qū)段，鋼軌波磨異常。舉例來說，在北京地鐵4號線中，采用多種減振結(jié)構(gòu)，運行1個月后就出現(xiàn)了異常波磨，波長約為60mm。而在《地鐵設(shè)計規(guī)范》中，明確指出減振設(shè)計的同時，不能影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、平順性、強度指標，顯然波磨異常不滿足規(guī)范要求。

2 小半徑曲線鋼軌磨耗的影響因素

2.1 線路環(huán)境

單純從線路環(huán)境角度來看，鋼軌磨耗的影響因素包括曲線半徑、軌道剛度和阻尼、軌道幾何參數(shù)等。具體分析如下：（1）軌道曲線半徑越小，輪軌之間的滑動性越強，就會增加鋼軌的磨耗。（2）軌道橫向、豎向的剛度降低，結(jié)構(gòu)彈性就會提高，列車運行對軌道產(chǎn)生的沖擊力減弱，能減輕鋼軌側(cè)磨。（3）阻尼軌道越小，鋼軌和列車之間的接觸越密切，造成的波磨越嚴重。（4）超高、軌距、軌底坡度等幾何參數(shù)，均會對側(cè)磨、波磨產(chǎn)生明顯影響[2]。以軌距為例，保持較小軌距能提高列車運行穩(wěn)定性，尤其避免出現(xiàn)蛇形運動現(xiàn)象，從而減少輪軌側(cè)磨。

2.2 運營條件

列車型號不同，其行走性能也不同，一般情況下，混跑產(chǎn)生的波磨較小，反之則會增大波磨。具體到曲線段，在特定速度下通過的列車數(shù)量多，以限速路段、長坡道路段、車站附近路段為代表，鋼軌波磨比較嚴重。以坡度為例，列車在較大坡度路段上爬坡運行，不僅受力復雜，也會加劇鋼軌磨耗。

2.3 走行結(jié)構(gòu)

調(diào)查研究顯示，輪軸和彈簧的剛度小、輪緣摩擦系數(shù)小、軸重過大等，均會促進鋼軌波磨的出現(xiàn)和發(fā)展。以摩擦系數(shù)為例，列車在長期運行中，和鋼軌接觸的輪緣、踏面會發(fā)生變形磨損，通過加工修正雖然能恢復幾何尺寸，改善輪軌的受力狀態(tài)，但是鏇輪過于集中，又會加劇鋼軌的磨耗。

2.4 其他因素

第一，輪軌的黏著系數(shù)越低，有利于波磨形成。第二，兩曲線間夾直線過短，會加劇列車對曲線段的沖擊，從而促進側(cè)磨發(fā)展。第三，車輛制動。結(jié)合列車運行的實際情況，在大坡度區(qū)段頻繁制動、起動，會加劇軌道磨耗，且磨耗具有不均勻性[3]。類似地，列車在小半徑曲線段頻繁制動、起動，也會導致鋼軌明顯磨耗。第四，鋼軌打磨。結(jié)合廣州地鐵的運行數(shù)據(jù)，利用工程車對鋼軌打磨后，雖然波磨得到控制，但側(cè)磨發(fā)展速度加快，是打磨前的3-4倍。

3 小半徑曲線鋼軌磨耗的防治措施

3.1 調(diào)整軌道參數(shù)

影響鋼軌磨耗的軌道參數(shù)，主要是超高、軌距、軌底坡。結(jié)合國內(nèi)外的理論分析和測試結(jié)果，可知超高過大、軌距過大，均會加劇鋼軌側(cè)磨，但也會受到實地環(huán)境的限制。例如：上海地鐵軌道設(shè)計采用欠超高，現(xiàn)場測試顯示側(cè)磨較小；廣州地鐵軌道設(shè)計采用大量過超高，反而有利于減少側(cè)磨?？偨Y(jié)來看，軌道參數(shù)對鋼軌磨耗的影響具有復雜性，且超高、軌距、軌底坡的設(shè)置會相互干擾，因此不能一概而論。對此，應(yīng)該全面分析小半徑曲線段的環(huán)境條件，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對軌道參數(shù)進行合理調(diào)整。

3.2 優(yōu)化轉(zhuǎn)向機構(gòu)

在小半徑曲線上，若軸間具有一定自由度，能有效降低噪音，減輕軌道磨耗。以徑向轉(zhuǎn)向架為例，將其應(yīng)用在曲線段中優(yōu)勢如下[4]：（1）平面轉(zhuǎn)彎半徑小，相比于黏著驅(qū)動式系統(tǒng)，最小轉(zhuǎn)彎半徑從200m減小至80m。（2）方便平面選線，能避開規(guī)劃建設(shè)或正在建設(shè)的建筑物，顯著降低造價成本。（3）在關(guān)鍵部位，車軸能產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)角，通過改變軸距減少車輪和鋼軌之間的摩擦。（4）沒有旋轉(zhuǎn)和傳動系統(tǒng)，列車運行時的噪音能明顯降低。（5）轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的體積和自重減小，可以降低隧道面、高架結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，從而降低建設(shè)成本。

3.3 鋼軌涂油打磨

第一，涂油。實測數(shù)據(jù)顯示鋼軌涂油后，側(cè)磨速率降低達到80%以上，還能抑制鋼軌波磨、頂面剝離等情況。值得注意的是，涂油技術(shù)要點如下：（1）控制涂油量。涂油過多會影響列車的牽引和制動，涂油過少發(fā)揮不出減磨作用，可利用油脂輸出量、電子涂油器、量規(guī)等，對涂油量進行控制。（2）軌道在超聲探傷前不能涂油，還要擦除油脂。（3）鋼軌出現(xiàn)裂紋后，油脂會進入鋼軌內(nèi)部，會加快裂紋發(fā)展，對此應(yīng)該磨掉裂紋或者更換鋼軌。

第二，打磨。鋼軌打磨能去除脫碳層和表面損傷，形成滿足要求的打磨廓面，從而改善輪軌的接觸情況。打磨時的注意事項如下[5]：（1）適當延長打磨周期，可將手工打磨、機械打磨相結(jié)合，針對波磨發(fā)展較快區(qū)段進行預防性打磨，能延長打磨周期。（2）運營部門要科學配置打磨車，一般每200km配置1臺打磨車。（3）線路開通前，對鋼軌進行統(tǒng)一預打磨，并將打磨費用納入鋪軌施工費用中。

3.4 減振設(shè)計

以減振扣件的使用為例，上海地鐵規(guī)定：曲線段半徑低于800m的區(qū)段，或者道岔區(qū)段，不能使用剪切型減振器；北京地鐵規(guī)定：謹慎使用扣件類減振元件；烏魯木齊地鐵規(guī)定：全線不使用扣件減振。結(jié)合實際工程，減振扣件的使用，要綜合分析減振性、耐磨性、經(jīng)濟性等因素，要合理設(shè)置彈性和阻尼，不能單純追求低剛度，必要時要采用間距加密措施。

3.5 工藝控制

隨著工藝技術(shù)的進步，鋼軌無縫焊接成為現(xiàn)實。以上海地鐵交通為例，2006年以前均采用廠焊工藝，之后則推廣應(yīng)用現(xiàn)場焊工藝，成為軌道線路無縫焊接的主流方法。但是，調(diào)查發(fā)現(xiàn)廠焊焊頭沒有損傷記錄，現(xiàn)場焊焊頭則存在許多問題。對此，有條件的區(qū)段應(yīng)優(yōu)先選擇廠焊工藝，能提高焊頭質(zhì)量、減輕鋼軌磨耗。

4 結(jié)語

綜上所述，城市軌道交通運行中，小半徑曲線鋼軌磨耗是一個常見問題，具有側(cè)磨明顯、波磨異常的特征。分析可知，鋼軌磨耗的影響因素包括線路環(huán)境、運營條件、走行結(jié)構(gòu)等。通過調(diào)整軌道參數(shù)、優(yōu)化轉(zhuǎn)向機構(gòu)、鋼軌涂油打磨、減振設(shè)計和工藝控制，能實現(xiàn)預防目標，減少小半徑曲線段的鋼軌磨耗。

參考文獻

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