神朔重載鐵路波磨病害產(chǎn)生原因分析

劉萬(wàn)莛

(國(guó)家能源集團(tuán)包神鐵路集團(tuán)公司神朔鐵路公司，陜西榆林 036203)

鋼軌波磨是指鋼軌投入使用后，在鋼軌表面出現(xiàn)的有一定周期性的磨損和塑性變形現(xiàn)象。鋼軌波磨將引起輪軌力的額外沖擊效應(yīng)[1]，導(dǎo)致鋼軌波磨及其他病害迅速發(fā)展，高鐵、地鐵等客運(yùn)線路中，鋼軌波磨導(dǎo)致的軌面不平順及車輪多邊形等，會(huì)對(duì)行車安全及旅客乘車舒適性造成負(fù)面影響[2-4]。

導(dǎo)致鋼軌波磨的波長(zhǎng)及產(chǎn)生原因較多，不同軌道形式所產(chǎn)生的波磨波長(zhǎng)以及產(chǎn)生機(jī)理也不盡相同，但鋼軌波磨多發(fā)生于曲線地段[5]。Grassie與Kalousek將鋼軌波磨根據(jù)其固定波長(zhǎng)機(jī)理與損傷機(jī)理分為了6種形式[6-7]，其中，針對(duì)重載波磨情況主要?dú)w結(jié)為P2力共振與鋼軌塑性彎曲。

對(duì)于鋼軌波磨病害，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行大量研究[8]。劉學(xué)毅等以磨耗功為對(duì)象，發(fā)展用于波磨機(jī)理分析的輪軌空間耦合振動(dòng)模型[9]；劉啟躍等通過(guò)金相及硬度試驗(yàn)，分析鋼軌波磨的成因[10]，認(rèn)為波磨形成主要與軌面不均勻塑性變形相關(guān)。諸多學(xué)者試圖從輪軌摩擦自激理論、磨耗功理論、塑性變形理論等解釋鋼軌波磨的產(chǎn)生原因，然而，目前對(duì)于重載波磨的產(chǎn)生及發(fā)展機(jī)理仍舊存在較多不足，導(dǎo)致目前對(duì)鋼軌波磨的治理依然停留于鋼軌打磨[11]。而重載鐵路運(yùn)量大，其天窗時(shí)間較為緊張，難以對(duì)全部的鋼軌波磨區(qū)段進(jìn)行有效治理[12]，以神朔重載鐵路為研究背景，分析在運(yùn)量增加的背景下，鋼軌波磨的產(chǎn)生原因及對(duì)應(yīng)的整治建議，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)對(duì)比分析了曲線內(nèi)外側(cè)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差異。

1 神朔鐵路鋼軌波磨病害現(xiàn)狀

神朔鐵路西起陜西省神木市大柳塔鎮(zhèn)，東至山西省朔州市，為鐵路為國(guó)家Ⅰ級(jí)干線雙線電氣化重載鐵路，主要承接神府東勝煤田的煤炭外運(yùn)任務(wù)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng)，煤炭能源需求量也逐年上升，運(yùn)量需求不斷增長(zhǎng)，神朔鐵路投入使用了神華號(hào)八軸大功率交流電力機(jī)車及多項(xiàng)智能化重載運(yùn)輸技術(shù)體系[13]，大幅提升線路運(yùn)量及重載運(yùn)輸效率，近5年，年運(yùn)量均在2億t以上。

不斷增加的列車軸重及運(yùn)量導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)病害頻發(fā)，其中鋼軌波浪形磨損是典型病害之一，測(cè)量結(jié)果表明[14]，主要波磨波長(zhǎng)為160～200 mm，最大波深超過(guò)0.3 mm。主要分布于R≤500 m的曲線地段內(nèi)軌。在小半徑曲線地段，即便采用U78CrV高強(qiáng)鋼軌，波磨發(fā)展依然較為迅速，嚴(yán)重影響鋼軌使用壽命。圖1為曲線地段內(nèi)外軌表面狀態(tài)，由圖1可知，曲線內(nèi)軌存在較為明顯的波磨現(xiàn)象，且伴隨明顯的塑性流動(dòng)現(xiàn)象，而曲線外軌狀態(tài)較為良好。

在神朔鐵路鋼軌波磨發(fā)展過(guò)程中，往往會(huì)伴隨魚鱗紋、剝離掉塊等軌面病害，進(jìn)一步加速鋼軌波磨的發(fā)展速度。一方面，鋼軌波磨病害將導(dǎo)致車輛-軌道耦合系統(tǒng)中輪軌接觸力產(chǎn)生額外的動(dòng)力效應(yīng)，使鋼軌軌面受力急劇增加，引起下部扣件系統(tǒng)、有砟道床產(chǎn)生病害，增加道床搗固、扣件更換等現(xiàn)場(chǎng)工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修量；另一方面，改變的輪軌接觸幾何關(guān)系將引起輪軌接觸斑內(nèi)應(yīng)力的增加，導(dǎo)致鋼軌表面受力狀態(tài)不佳，更易產(chǎn)生塑性流動(dòng)，改變輪軌接觸關(guān)系，使病害發(fā)展更加迅速。

2 神朔波磨病害產(chǎn)生機(jī)理分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，神朔鐵路波磨現(xiàn)象存在于小半徑曲線，而在直線地段無(wú)波磨現(xiàn)象，表明神朔鐵路波磨現(xiàn)象與小半徑曲線地段輪軌受力特征較為密切。在曲線地段，由于貨車三大件轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特性，輪軌間沖角將增大，導(dǎo)致輪軌切向蠕滑力大小增加。相較于簡(jiǎn)單的垂向受力狀態(tài)，在小半徑曲線地段，較大的切向力導(dǎo)致軌面承載能力將急劇下降[10]，進(jìn)而在大軸重、長(zhǎng)編組貨車車輛的碾壓下軌面產(chǎn)生不均勻塑性變形及不均勻磨耗，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)鋼軌波磨的產(chǎn)生。輪軌匹配是另一關(guān)鍵問(wèn)題，目前現(xiàn)場(chǎng)鋼軌軌底坡設(shè)置均為1/40，相關(guān)學(xué)者計(jì)算表明[15]，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)軌底坡設(shè)置為1/20時(shí)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)輪軌接觸關(guān)系優(yōu)化具有一定作用。

受重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)的離散支撐特性影響，車輛系統(tǒng)及軌道系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜振動(dòng)系統(tǒng)將不可避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)，而三大件轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特性將進(jìn)一步放大這種振動(dòng)，導(dǎo)致在特定頻段振動(dòng)增加，引起現(xiàn)場(chǎng)鋼軌初始波磨的產(chǎn)生。波磨產(chǎn)生后，輪軌接觸中將存在以鋼軌波磨波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)頻率的激勵(lì)源，將進(jìn)一步增強(qiáng)鋼軌波磨的發(fā)展趨勢(shì)，使鋼軌波磨進(jìn)一步快速發(fā)展。目前，部分學(xué)者調(diào)頻式鋼軌阻尼器對(duì)波磨減緩的影響進(jìn)行研究[16]，相關(guān)結(jié)果表明，改變軌道結(jié)構(gòu)阻尼特性后，在部分地段鋼軌波磨病害情況得到了一定程度的緩解，然而，鋼軌阻尼裝置是否能在長(zhǎng)編組、大軸重列車作用下保證其工作狀態(tài)，并保持其經(jīng)濟(jì)性還需進(jìn)一步研究。

在聯(lián)系群眾、服務(wù)群眾方面，重點(diǎn)整治群眾身邊特別是群眾反映強(qiáng)烈的形式主義、官僚主義突出問(wèn)題?！豆ぷ饕庖姟放e例：“漠視群眾利益和疾苦，對(duì)群眾反映強(qiáng)烈的問(wèn)題無(wú)動(dòng)于衷、消極應(yīng)付，對(duì)群眾合理訴求推諉扯皮、冷硬橫推，對(duì)群眾態(tài)度簡(jiǎn)單粗暴、頤指氣使?！边@些現(xiàn)象，是嚴(yán)重脫離群眾甚至侵害群眾利益的惡劣行為，對(duì)此中央明確要求，一定要堅(jiān)決整治。

3 波磨產(chǎn)生原因

3.1 外軌超高

在平衡超高的情況下，輪軌之間發(fā)生的劇烈摩擦振動(dòng)可能會(huì)使軌面形成波磨。而外軌超高的程度也會(huì)影響輪軌之間摩擦振動(dòng)強(qiáng)度(過(guò)超高會(huì)增加摩擦振動(dòng)強(qiáng)度，而欠超高則會(huì)降低摩擦振動(dòng)強(qiáng)度)。在某些欠超高較大的情況下，輪軌之間的摩擦振動(dòng)可能消失，會(huì)對(duì)軌面波磨的形成與發(fā)展有一定延緩效果。在部分神朔線臨近車站地段，長(zhǎng)編組列車經(jīng)過(guò)曲線時(shí)，普遍無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)超高時(shí)所依據(jù)的列車平衡超高所需的行駛速度(導(dǎo)致過(guò)超高現(xiàn)象)，使曲線內(nèi)軌存在偏載，可能是導(dǎo)致曲線地段下股鋼軌出現(xiàn)波磨，上股鋼軌狀態(tài)良好的原因之一。

3.2 軌道剛度

軌道結(jié)構(gòu)剛度較大地段(如道床板結(jié)地段)，由于道床剛度提升，彈性降低，不能將軌道結(jié)構(gòu)上部荷載和列車動(dòng)荷載均勻傳遞至下部路基，以減緩吸收輪軌之間的沖擊和振動(dòng)，使線路的平順性降低，且輪對(duì)之間的沖角也會(huì)隨軌道支承剛度的增大而增大，從而加劇列車通過(guò)時(shí)輪軌之間的摩擦振動(dòng)，將加速鋼軌表面波磨的形成和發(fā)展。而且鋼軌的波磨也會(huì)進(jìn)一步加速道床的板結(jié)，從而形成一個(gè)循環(huán)的過(guò)程。此外，軌道剛度變化不均勻，如路橋、路隧、橋隧等過(guò)渡段地區(qū)，過(guò)渡設(shè)置不合理會(huì)導(dǎo)致軌道剛度產(chǎn)生突變，列車在通過(guò)該地段時(shí)輪軌之間難以形成良好的接觸關(guān)系，從而導(dǎo)致軌面波磨過(guò)早出現(xiàn)與較快發(fā)展。

3.3 軌道阻尼

當(dāng)軌道阻尼正常時(shí)，輪對(duì)的非自激振動(dòng)的磨耗功波動(dòng)衰減較快，故不易形成波磨。當(dāng)軌道阻尼較低時(shí)，輪軌之間會(huì)產(chǎn)生摩擦振動(dòng)，并且在轉(zhuǎn)向架前后輪的振動(dòng)疊加作用下，輪軌的摩擦振動(dòng)加劇，進(jìn)而導(dǎo)致鋼軌表面波浪形磨耗的形成和發(fā)展。

3.4 曲線半徑

當(dāng)曲線半徑減小時(shí)，輪軌之間的垂向接觸力以及縱橫向蠕滑力增大，輪對(duì)沖角和振動(dòng)摩擦增大會(huì)加劇波磨的形成與發(fā)展。曲線半徑越小，其作用越明顯，波磨的程度越嚴(yán)重。在較為合適的曲線半徑情況下，即使出現(xiàn)各種不利因素相互疊加作用，輪軌之間也不會(huì)出現(xiàn)相互滑動(dòng)及波磨，故線路曲線半徑不宜過(guò)小。

3.5 軌底坡

合理設(shè)置軌底坡，可以使輪軌接觸位置處于鋼軌中部，這對(duì)輪軌之間良好接觸受力以及降低鋼軌的磨耗有利。當(dāng)軌底坡設(shè)置過(guò)大或者過(guò)小，則會(huì)改變輪軌接觸狀態(tài)及輪對(duì)沖角，減小輪軌的接觸面積，加大輪軌之間的接觸應(yīng)力，進(jìn)而加速鋼軌磨耗與波磨的產(chǎn)生與發(fā)展。

3.6 輪軌摩擦系數(shù)

在摩擦系數(shù)增加的情況下，橫向蠕滑力增加會(huì)加劇外軌波磨的發(fā)展，而橫向蠕滑力的波動(dòng)會(huì)加劇內(nèi)軌波磨的發(fā)展，且輪軌摩擦系數(shù)越大，輪軌的磨耗也會(huì)隨之增大。故在制動(dòng)允許范圍內(nèi)，適當(dāng)降低輪軌之間摩擦系數(shù)也是一種有利于延緩軌面波磨產(chǎn)生與發(fā)展的方法。

3.7 行車速度

車速提高會(huì)加大輪軌之間的相互作用，從而加劇軌面波磨的形成和發(fā)展，而且行車速度越快，鋼軌表面的波磨程度越嚴(yán)重。當(dāng)列車通過(guò)曲線地段時(shí)，選擇合適的行車速度，將有利于延緩軌面波磨的產(chǎn)生。列車在加速和制動(dòng)的過(guò)程中，軌面對(duì)車輪的力有切向力、制動(dòng)力、蠕滑力等，輪軌間的受力狀態(tài)將發(fā)生改變，從而引發(fā)輪軌之間發(fā)生摩擦振動(dòng)，進(jìn)而在鋼軌表面產(chǎn)生波浪形磨耗。故在加速和制動(dòng)的地段，軌面往往會(huì)出現(xiàn)波磨現(xiàn)象。

4 過(guò)超高地段軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)布置

為研究神朔線路小半徑地段內(nèi)外軌動(dòng)力響應(yīng)的特性差異，選取R=400 m小半徑曲線地段進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試，車輛速度約50 km/h，設(shè)置超高為105 mm。測(cè)試主要指標(biāo)包括曲線內(nèi)側(cè)鋼軌垂向加速度、曲線外側(cè)鋼軌垂向加速度、曲線內(nèi)側(cè)軌枕垂向加速度、曲線外測(cè)軌枕垂向加速度，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置情況如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)傳感器布置

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為一列長(zhǎng)編組重載列車通過(guò)小半徑區(qū)段時(shí)的鋼軌、軌枕結(jié)構(gòu)垂向加速度時(shí)程曲線?，F(xiàn)場(chǎng)鋼軌、軌枕加速度測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。從分析結(jié)果可知，由于線路存在較大的線路過(guò)超高，導(dǎo)致車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，曲線內(nèi)側(cè)鋼軌及軌枕振動(dòng)響應(yīng)均明顯大于曲線外軌。對(duì)于鋼軌垂向加速度，曲線內(nèi)側(cè)平均值較外側(cè)大23.3%；對(duì)于軌枕加速度，曲線內(nèi)側(cè)平均值較外側(cè)大90.4%?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際軌道動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，曲線內(nèi)側(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)相較外側(cè)具有明顯增幅，可能是導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)側(cè)鋼軌不斷發(fā)展演化的內(nèi)在原因之一。

圖3 實(shí)測(cè)加速度時(shí)程曲線

圖4 加速度測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 整治措施

根據(jù)鋼軌波磨產(chǎn)生的機(jī)理，目前雖然無(wú)法徹底杜絕波磨現(xiàn)象的產(chǎn)生與發(fā)展，但可以通過(guò)其他手段使鋼軌波磨較晚出現(xiàn)并延緩其發(fā)展。一是減少波磨產(chǎn)生的條件(如輪軌之間劇烈的摩擦振動(dòng))；二是在軌面發(fā)生損傷后及時(shí)進(jìn)行處理，以防止累加效應(yīng)帶來(lái)的波磨惡性循環(huán)。據(jù)此，提出以下整治措施。

5.1 線路設(shè)計(jì)階段的整治措施

在線路設(shè)計(jì)階段，首先，應(yīng)著重考慮曲線地段的設(shè)計(jì)問(wèn)題，盡量減少小半徑曲線地段；其次，應(yīng)合理設(shè)計(jì)過(guò)渡段等軌道結(jié)構(gòu)剛度和彈性變化較大的地段，以確保列車通過(guò)過(guò)渡段時(shí)軌道結(jié)構(gòu)的剛度和彈性均勻變化。對(duì)于車輛和軌道的參數(shù)也應(yīng)該合理設(shè)置，使其相互匹配，合理設(shè)置列車在通過(guò)線路曲線時(shí)的車速，以避免反復(fù)出現(xiàn)車輛減速和加速的情況，防止列車通過(guò)曲線地段時(shí)出現(xiàn)較大的過(guò)超高以加劇軌面波磨產(chǎn)生和發(fā)展。在小曲線半徑地段等易產(chǎn)生波磨的地段，應(yīng)采用耐磨鋼軌，不僅能減緩鋼軌表面波浪形磨耗的形成與發(fā)展，還能減輕小半徑曲線地段外軌的側(cè)磨以及內(nèi)軌軌頭掉塊的現(xiàn)象。此外，在線路曲線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低曲線地段的外軌超高，也有助于延緩波磨形成發(fā)展。

5.2 線路建設(shè)階段的整治措施

嚴(yán)格控制線路建設(shè)質(zhì)量，以保證軌道結(jié)構(gòu)的剛度、平順性以及幾何形位符合標(biāo)準(zhǔn)。建設(shè)完工之后，應(yīng)對(duì)鋼軌進(jìn)行預(yù)打磨，消除軌面、接頭不平順，使軌頭廓形與車輪踏面較好吻合。

5.3 線路運(yùn)營(yíng)階段的整治措施

在線路開通運(yùn)營(yíng)前，應(yīng)統(tǒng)籌做好各個(gè)系統(tǒng)部件的溝通交流，應(yīng)及時(shí)調(diào)整其參數(shù)指標(biāo)，為線路開通運(yùn)營(yíng)和輪軌之間優(yōu)化接觸做好準(zhǔn)備。新線開通3個(gè)月左右，應(yīng)使用打磨車進(jìn)行打磨工作，防止鋼軌表面波磨的形成與發(fā)展。

另外，應(yīng)增加對(duì)易發(fā)生波磨地段的線路巡視頻率，一旦發(fā)現(xiàn)軌面出現(xiàn)初始波磨，需盡快進(jìn)行鋼軌打磨的工作，否則已有波磨會(huì)加劇輪軌之間的摩擦振動(dòng)，進(jìn)一步促進(jìn)波磨的發(fā)展；定期對(duì)道砟進(jìn)行清篩工作，消除道床板結(jié)問(wèn)題及軌枕空吊問(wèn)題，并結(jié)合軌下墊層與扣件的更換，增加軌道結(jié)構(gòu)的彈性和阻尼，將有效延緩鋼軌表面波浪形磨耗產(chǎn)生和發(fā)展的速率；合理進(jìn)行鋼軌倒換工作，如曲線地段內(nèi)外軌的倒換以及曲線地段鋼軌和直線地段鋼軌的倒換，可在一定程度上抑制軌面波磨的發(fā)展。

6 結(jié)論

鋼軌波磨作為一種綜合性病害，其產(chǎn)生及發(fā)展機(jī)理較為復(fù)雜，涉及車輛系統(tǒng)、軌道結(jié)構(gòu)、下部基礎(chǔ)等各方面，這也是鋼軌波磨長(zhǎng)久以來(lái)難以根治的原因。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果及機(jī)理分析結(jié)果，神朔鐵路小半徑曲線頻發(fā)的鋼軌波磨現(xiàn)象與車輛轉(zhuǎn)向架、軌道離散支撐等均相關(guān)。在小半徑曲線地段實(shí)施的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于鋼軌垂向加速度，曲線內(nèi)側(cè)平均值較外側(cè)大23.3%；對(duì)于軌枕加速度，曲線內(nèi)側(cè)平均值較外側(cè)大90.4%。曲線超高導(dǎo)致的偏載及額外的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可能是導(dǎo)致內(nèi)軌鋼軌波磨病害較為普遍的原因之一，應(yīng)根據(jù)神朔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際病害發(fā)生發(fā)展情況，結(jié)合線路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的不同階段對(duì)鋼軌波磨進(jìn)行針對(duì)性整治。