鋼軌波浪形磨耗原因分析與對(duì)策

張博

摘要：準(zhǔn)東鐵路建設(shè)于1998年，2001年正式通車，主要以煤炭運(yùn)輸為主。全長(zhǎng)323.245公里，正線224.935公里，站線98.309公里。屬于典型的山區(qū)重載鐵路，隧道多，橋梁多曲線多坡度大等特點(diǎn)，使用的鋼軌為P60U71M和P60U78V兩種型號(hào)的鋼軌。

關(guān)鍵詞：鋼軌波浪形;磨耗原因;對(duì)策

波浪形磨耗的定義與分類

波浪形磨耗（簡(jiǎn)稱波磨）位于鋼軌頂面與車輛車輪的接觸面，在鋼軌頂面白光中一種波浪形狀的不均勻磨耗傷損。

波浪形磨耗分為磨耗性波磨、塑流性波磨和混合性波磨3種。

一、波浪形磨耗形成的原因

當(dāng)車輛通過曲線半徑較小的線路時(shí)，由于輪對(duì)沖角的改變，輪軌的縱向剪切力超過輪軌黏著極限，輪軌間發(fā)生縱向滑動(dòng)，滑動(dòng)處形成波谷;滑動(dòng)后釋放了積累的能量，使輪軌又處于黏著狀態(tài)，鋼軌表面出現(xiàn)波浪形波磨。

磨損性波磨是由于輪對(duì)在通過曲線時(shí)，輪對(duì)扭曲共振導(dǎo)致交替的縱向力，從而在車輪與鋼軌間發(fā)生縱向滑動(dòng)而產(chǎn)生波磨。這不僅與車輪的重力角剛度特性有關(guān)，而且與曲線曲率及輪軌黏著狀態(tài)有直接關(guān)系，主要是輪軌之間的粘滑振動(dòng)導(dǎo)致內(nèi)軌頂面的波磨。當(dāng)車輛通過曲線半徑較小的線路時(shí)，由于輪對(duì)沖角的改變，輪軌的縱向剪切力超過輪軌黏著極限，輪軌間發(fā)生縱向滑動(dòng)，滑動(dòng)處形成波谷;滑動(dòng)后釋放了積累的能量，使輪軌又處于黏著狀態(tài)，鋼軌表面出現(xiàn)波浪形波磨。

道床不潔，污染嚴(yán)重，軌枕下道碴含土或石粉嚴(yán)重（軌枕下60mm處就已經(jīng)出現(xiàn)），有嚴(yán)重的板結(jié)現(xiàn)象。使線路的橫向及縱向阻力加大，但道床的彈性減小，反彈力增大，容易產(chǎn)生波磨。

鋼軌下大膠墊損壞嚴(yán)重，較大的損壞率為86%，較小的損壞率也達(dá)到了10%，使線路的彈性下降，容易產(chǎn)生波磨。

鋼軌的材質(zhì)與運(yùn)量不匹配，準(zhǔn)東鐵路重車線大部分是U71Mn的包鋼生產(chǎn)的鋼軌，這類鋼軌含碳量低，強(qiáng)度和韌性較小，對(duì)重載大運(yùn)量線路不適合，難以承受，導(dǎo)致波磨的產(chǎn)生。

二、波浪形磨耗的危害

根據(jù)鋼軌的傷損標(biāo)準(zhǔn)，在橋梁上或隧道內(nèi)的輕傷鋼軌，應(yīng)及時(shí)更換或處理。重車線的小半徑曲線大部分集中在橋、隧上，現(xiàn)已對(duì)行車造成了嚴(yán)重威脅;

經(jīng)機(jī)車車輪在波磨地段的連續(xù)沖擊振動(dòng)，對(duì)機(jī)車、車輛易產(chǎn)生較大的破壞性振動(dòng);

小曲線波磨地段，加速對(duì)軌道結(jié)構(gòu)造成破壞，產(chǎn)生軌道空掉、泛白、坍砟等基床病害。

準(zhǔn)東鐵路大多數(shù)波磨鋼軌都產(chǎn)生在曲線上，而且波磨鋼軌引起的振動(dòng)對(duì)機(jī)車、橋梁、路基及道床都有極大的破壞，對(duì)列車的運(yùn)行有著不穩(wěn)定因素，有導(dǎo)致列車脫軌的安全隱患。

三、波浪形磨耗的對(duì)策

曲線鋼軌的波浪形磨耗是不可避免的，但是通過采取各種措施，可減緩曲線上鋼軌波磨傷損的發(fā)展和生產(chǎn)。

1、有效的實(shí)施鋼軌打磨，鋼軌打磨分為兩種，是預(yù)防性打磨和修理性打磨。預(yù)防性打磨可以消除曲線地段粘滑振動(dòng)和消除粘滑振動(dòng)應(yīng)起的不均勻磨耗的疊加效應(yīng)。修理性打磨針對(duì)較大的波磨傷損，終止波磨的惡性循環(huán)式的發(fā)展。打磨是解決鋼軌波磨的主要方法，可提高鋼軌的使用壽命。

2、大機(jī)清篩易出現(xiàn)波磨地段的線路，對(duì)橋梁，隧道地段人工清篩，徹底解決道床板結(jié)問題，增加道床的彈性。

3、更換膠墊，對(duì)膠墊的質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)，選用高彈膠墊，恢復(fù)線路彈性。

4、選用高強(qiáng)度鋼軌，增加鋼軌的耐磨性，延緩波磨的產(chǎn)生和發(fā)展。

5、增設(shè)斜性膠墊，增加鋼軌與輪對(duì)的接觸面，減小二者之間的縱向滑動(dòng)，抑制輪軌處在黏著狀態(tài)，從而減少波磨的產(chǎn)生。

6、加強(qiáng)線路的保養(yǎng)和調(diào)查，對(duì)曲線經(jīng)常檢查鋼軌狀態(tài)和測(cè)量曲線的幾何尺寸，膠墊的損壞程度，道床的清潔度等。

四、城市軌道交通鋼軌波磨特征綜述

鋼軌波磨作為城市軌道交通鋼軌傷損的主要形式之一，早已引起了發(fā)達(dá)國(guó)家軌道交通工務(wù)部門的重視。美國(guó)、加拿大、法國(guó)、意大利和日本等國(guó)先后對(duì)所在地區(qū)的軌道交通線路上的波磨進(jìn)行了大范圍的觀測(cè)與統(tǒng)計(jì)，總結(jié)出了軌道交通鋼軌波磨的一些特征。Tassilly等在20世紀(jì)80年代末期對(duì)巴黎都市軌道交通管理局（RATP）運(yùn)營(yíng)的巴黎地鐵和法國(guó)快速軌道網(wǎng)絡(luò)線路上的鋼軌波磨進(jìn)行了觀測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：波磨主要出現(xiàn)在曲線上且種類各異，波長(zhǎng)一般在50～300mm之間;波磨或出現(xiàn)在曲線下股鋼軌（混凝土整體道床波磨波長(zhǎng)較短），或出現(xiàn)在上股鋼軌（有砟軌道上波長(zhǎng)較長(zhǎng)），或上下股均有波磨產(chǎn)生。DonaldR.Ahlbeck等人對(duì)1969年至1989年間的47篇有關(guān)鋼軌波磨的科技報(bào)告及研究文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述，總結(jié)了波磨出現(xiàn)的軌道類型、運(yùn)營(yíng)速度、曲線半徑，以及波磨波長(zhǎng)、波深等特征。其中：城市軌道交通鋼軌波磨出現(xiàn)的曲線半徑在366m之內(nèi)，波磨波長(zhǎng)介于50～200mm之間;波深與波長(zhǎng)相關(guān)，短波波磨的波深一般小于0.2mm，最大波深達(dá)0.9mm。

五、波磨的形成機(jī)理

波磨的發(fā)生及發(fā)展涉及很多因素之間非常復(fù)雜的關(guān)系，迄今為止仍沒有提出一種被廣泛認(rèn)同的理論來解釋各種波磨現(xiàn)象，這方面的研究尚待深入。張立民等人根據(jù)非線性振動(dòng)理論和赫茲理論，分析了鋼軌波磨與輪軌縱向自激振動(dòng)幅值和接觸橢圓縱向軸長(zhǎng)的關(guān)系，證明鋼軌波磨產(chǎn)生的機(jī)理是輪對(duì)自激振動(dòng)幅值大于接觸橢圓縱向軸長(zhǎng)，實(shí)際的輪軌系統(tǒng)下波磨產(chǎn)生的條件是輪對(duì)橫移量大于臨界值。張立民還根據(jù)輪軌滾動(dòng)接觸中鋼軌循環(huán)加載塑性累積和材料的Ratcheting效應(yīng)，應(yīng)用強(qiáng)化材料模型，對(duì)鋼軌內(nèi)部的殘余應(yīng)力和累積變形進(jìn)行了數(shù)值分析。分析結(jié)果表明，鋼軌材料的Ratcheting效應(yīng)和輪軌接觸應(yīng)力的波動(dòng)是鋼軌表面剝離與壓潰形短波波磨產(chǎn)生的重要原因。范欽海認(rèn)為，輪對(duì)與軌道系統(tǒng)的彈性振動(dòng)使輪軌間產(chǎn)生的黏著振動(dòng)（或黏-滑振動(dòng)）是鋼軌波浪形磨耗形成的基本機(jī)理，并通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證。輪軌間作用著一種高頻的橫向波動(dòng)力，有時(shí)其值會(huì)瞬時(shí)超過蠕滑力的極限值而進(jìn)入滑動(dòng)狀態(tài)，它不僅會(huì)導(dǎo)致鋼軌頂面的不均勻磨損，還可能造成鋼軌頂面金屬向側(cè)面產(chǎn)生塑性流動(dòng)。波磨是輪軌相互作用過程中發(fā)生的一種復(fù)雜現(xiàn)象，要分析其形成機(jī)理，就必須綜合考慮輪軌相互作用的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際各種工況，才能抓住根本。張波等人認(rèn)為，波磨成因可以從3方面來討論。

1）自激振動(dòng)理論：在一定條件下，由于輪軌系統(tǒng)的固有特性，使輪軌間產(chǎn)生自激振動(dòng)，從而引起波磨發(fā)生。2）反饋振動(dòng)機(jī)理：輪軌間的原始不平順激起輪軌間的振動(dòng)，并導(dǎo)致更大的不平順。也就是說，這是在重復(fù)載荷條件下振動(dòng)逐步加強(qiáng)的激化過程，即“不平順※振動(dòng)※更大不平順※更強(qiáng)振動(dòng)”的循環(huán)，從而促使波磨形成。3）接觸疲勞理論：受隨機(jī)的踏面摩擦力影響，由鋼軌表面的疲勞微裂紋所引起的不均造成波磨發(fā)生。地鐵中產(chǎn)生的磨損性波磨多發(fā)生在曲線地段，這是由于車輪在通過曲線時(shí)，輪對(duì)扭曲共振導(dǎo)致交替的縱向力，在輪對(duì)與鋼軌間發(fā)生縱向滑動(dòng)而產(chǎn)生波磨。這不僅與輪對(duì)的重力角剛度特性有關(guān)，而且與曲線曲率及輪軌黏著狀態(tài)有著直接關(guān)系，主要是輪軌之間的黏滑振動(dòng)導(dǎo)致內(nèi)軌頂面的波磨。當(dāng)車輛通過曲線半徑較小的線路時(shí)，由于輪對(duì)沖角的改變，輪軌的縱向剪切力超過輪軌黏著極限，輪軌間發(fā)生縱向滑動(dòng)，滑動(dòng)處形成波谷;滑動(dòng)后釋放了積累的能量，使輪軌又處于黏著狀態(tài)，輪軌磨損減輕，該處形成波峰。這種黏滑振動(dòng)不斷重復(fù)，形成了鋼軌表面的波磨。

結(jié)論

由于鋼軌的波浪形磨耗是由多種原因產(chǎn)生的，而且相互作用，形成惡性循環(huán)（道床不潔彈性降低，使膠墊損壞嚴(yán)重;膠墊損壞嚴(yán)重使軌道彈性下降，使鋼軌傷損增多，主要是波磨和魚鱗裂紋。鋼軌波磨的發(fā)展較快，使列車的振動(dòng)增加，反過來作用在膠墊和道床，造成膠墊損壞嚴(yán)重，道床板結(jié)，使之彈性下降）。

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（作者單位：內(nèi)蒙古伊泰準(zhǔn)東鐵路有限責(zé)任公司設(shè)備綜合車間探傷專業(yè)）