鐵路線路維修中鋼軌尺寸偏差的影響分析

溫宇星

（中國鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

鋼軌尺寸偏差在鐵路線路維修、養(yǎng)護(hù)等方面，均有極為關(guān)鍵的影響，且大多數(shù)情況下，隨著鋼軌尺寸偏差量的增大，鐵路鋼軌的使用壽命會明顯縮短。作為鐵路線路維修標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵性技術(shù)條件，相關(guān)施工部門必須將鋼軌尺寸偏差控制在一定的數(shù)值限度標(biāo)準(zhǔn)之中。為實現(xiàn)鐵路線路的平穩(wěn)與安全化行車，相關(guān)建筑部件的尺寸數(shù)值必須滿足國家所制定的標(biāo)準(zhǔn)約束條件。由于鐵路列車的不間斷高速行駛，車輪結(jié)構(gòu)在整個動態(tài)作用過程中會對底部鋼軌產(chǎn)生側(cè)向與垂直方向的作用力，且隨著沖擊、振動、搖擺外力強(qiáng)度的增大，鐵路線路鋼軌也會長期處于相對疲勞的存在狀態(tài)中[1]。鐵路線路鋼軌從生產(chǎn)出廠到正式鋪設(shè)使用的過程中，不會再經(jīng)歷其他的加工處理，因此，鋼軌設(shè)備的各部分尺寸都必須嚴(yán)格遵守規(guī)定，也只有按照規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行軋制的鋼軌，才能完全滿足鐵路運輸行業(yè)的實際發(fā)展需求。

1 標(biāo)準(zhǔn)軌與短尺軌

現(xiàn)階段國內(nèi)鐵路線路所使用鋼軌的標(biāo)準(zhǔn)長度由25.0 m、12.5 m兩種類型組成，而用于曲線鐵路中的鋼軌則由24.84 m、24.92 m、24.96 m、12.38 m、12.42 m、12.46 m等6種類型共同組成。在實際施工過程中，確定這些線路鋼軌的標(biāo)準(zhǔn)長度值極為必要。規(guī)定鋼軌的標(biāo)準(zhǔn)長度數(shù)值，不僅有利于鐵路線路設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化處理，也能在一定程度上輔助機(jī)械化施工作業(yè)的順利進(jìn)行，從而提高維修養(yǎng)護(hù)技術(shù)的施工效率，降低鐵路線路維修所需的消耗成本。

在鐵路鋼軌生產(chǎn)與制造的過程中，由于人為疏忽、數(shù)值偏差等問題，不可避免地會出現(xiàn)大量不滿足長度標(biāo)準(zhǔn)的“短尺軌”，特別是隨著機(jī)械化施工技術(shù)的逐漸普及，“短尺軌”現(xiàn)象的發(fā)生概率更是不斷增大，由于該類型鐵路鋼軌所占的產(chǎn)出比重過大，除站內(nèi)正線建設(shè)外，一部分鋼軌也被用于外部鐵路線路的建設(shè)，甚至被直接應(yīng)用于區(qū)間干線之上?！岸坛哕墶本€路的持續(xù)增多，導(dǎo)致鐵路線路的尺寸不再趨于整齊化，有時甚至?xí)斐蔁o法配對情況的出現(xiàn)，對單根獨長鋼軌的利用帶來極為不便的影響。

由于“短尺軌”的影響，每公里鐵路線路需要增加多個鋼軌接頭。L代表鐵路鋼軌的標(biāo)準(zhǔn)長度值，在“短尺軌”長度為l的情況下，每公里鋼軌接頭數(shù)量R=。

2 長度尺寸偏差

由于鋼軌的長度水平會在軌溫影響下出現(xiàn)伸縮變化形式，因此為實現(xiàn)鐵路線路的有效維修，應(yīng)對鋼軌的標(biāo)準(zhǔn)長度進(jìn)行統(tǒng)一定義。所謂鐵路鋼軌的標(biāo)準(zhǔn)長度，是指標(biāo)準(zhǔn)軌溫下，鐵路線路測量所獲得的鋼軌長度數(shù)值。在實際施工過程中，由于外力作用、力學(xué)誤差等條件的影響，鐵路線路維修允許一定偏差數(shù)值的存在，但要求該數(shù)值結(jié)果必須保持在一定的實值區(qū)間之內(nèi)[2]。在單根換軌施工中，若使用鋼軌的長度數(shù)值不能處于理想化數(shù)值區(qū)間內(nèi)，易導(dǎo)致列車脫軌、行駛振蕩等情況的出現(xiàn)。因此，在鐵路鋼軌不能在原長狀態(tài)下使用時，應(yīng)在軌道淬火層部分增加端頭螺栓孔，并借助堅固的鋼型材設(shè)備，對薄弱鋸截面進(jìn)行加固處理。

設(shè)ΔD代表“短尺軌”與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌之間的長度差數(shù)值，ρ代表鋼軌軌縫系數(shù)，聯(lián)立上述物理量，鐵路線路維修過程中的鋼軌長度尺寸偏差值P=。

當(dāng)鋼軌長度的正偏差與負(fù)偏差結(jié)果同時達(dá)到最大值狀態(tài)時，應(yīng)以具有正偏差的鋼軌更換具有負(fù)偏差的鋼軌，而當(dāng)尺寸偏差量與鐵路軌縫相等時，可默認(rèn)線路鋼軌的軌縫數(shù)值為零。

3 斷面尺寸偏差

鐵路線路鋼軌的斷面尺寸偏差由軌腰高度、軌頭高度、軌底寬度、鋼軌高度、軌頭寬度等多個零部件的尺寸偏差數(shù)量值組成，一般情況下鋼軌斷面尺寸偏差會對鐵路線路的維修質(zhì)量造成直接影響。當(dāng)鋼軌高度或軌頭高度出現(xiàn)尺寸偏差情況時（即魚尾板上部軌頭部分的高度數(shù)值與理想數(shù)值不一致），鋼軌連接后的接縫部分就會出現(xiàn)明顯的上下級錯口；而當(dāng)軌頭寬度出現(xiàn)尺寸偏差情況時，鋼軌連接后的接縫部分則會出現(xiàn)左右級錯口（圖1）。

圖1 鋼軌斷面示意

在已知鐵路線路維修情況的基礎(chǔ)上，可認(rèn)為軌腰高度與魚尾板連接能力之間具有密切聯(lián)系，若軌腰偏差數(shù)值較大，則會導(dǎo)致魚尾板高度偏差持續(xù)縮小，造成魚尾板不能與鋼軌下額部分進(jìn)行較好貼合，最終使魚尾板不能發(fā)揮其自身的穩(wěn)定性作用，促使鋼軌接頭處出現(xiàn)明顯的振動現(xiàn)象[3]。若軌腰偏差數(shù)值較小，則會導(dǎo)致魚尾板高度偏差持續(xù)增大，促使魚尾板不能快速靠近鐵路鋼軌的軌腰部分，導(dǎo)致列車車輪對魚尾板外緣造成嚴(yán)重磨損。由于鋼筋混凝土軌枕的大量鋪設(shè)，魚尾板的物理承載能力也可得到大幅提升，這樣鋼軌斷面的尺寸偏差將不會對鐵路線路維修造成影響。

4 斷面不與垂直軸線成對稱關(guān)系

軸線是指通過鋼軌中心位置的物理延長線，隨著列車行駛，其所指方向會出現(xiàn)一定程度的偏離變化，但由于鋼軌尺寸偏差數(shù)值的影響，該項數(shù)值指標(biāo)的存在情況很難會出現(xiàn)不斷擴(kuò)張的變化趨勢[4]。所謂鋼軌斷面是指在鐵路線路維修過程中，由于兩個不連接鋼軌硬性連接所產(chǎn)生的物理截面，一般情況下，斷面所占的物理面積越大，鋼軌結(jié)構(gòu)的尺寸偏差量也就越大，反之則越小。

若鋼軌斷面與垂直軸線之間不能保持良好的對稱關(guān)系，則會導(dǎo)致兩個相鄰鋼軌之間出現(xiàn)相對的物理作用力，一方面對鐵路上行駛的列車造成上浮的托舉力作用，另一方面也會出現(xiàn)明顯的向心指向力，不僅加劇了線路鋼軌的實際磨損程度，也會使鋼軌表面呈現(xiàn)相對光滑的表現(xiàn)情況。表1反映了標(biāo)準(zhǔn)鋼軌與“短尺軌”在斷面與垂直軸線保持不對稱關(guān)系情況下，實際尺寸偏差對鋼軌承力能力造成的影響。

表1 非對稱關(guān)系下鋼軌尺寸偏差對鋼軌承力能力的影響

5 螺栓孔位置偏差

螺栓孔是連接設(shè)備的作用位置，通常情況下，可將兩個完全獨立的鐵路線路鋼軌固定在一起，在實際維修過程中，相鄰兩個螺栓孔所處位置的物理距離越遠(yuǎn)，鋼軌尺寸的偏差量也就越大。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，鐵路鋼軌軌縫等于8 mm，此時魚尾螺栓、魚尾板螺栓都處于一個相對寬松的連接狀態(tài)。若已知鋼軌的實際重量水平，則可認(rèn)為螺栓孔位置偏差是影響鐵路線路維修質(zhì)量的唯一因素[5]?，F(xiàn)階段大多數(shù)鐵路線路鋼軌均采取無縫連接的形式，相鄰螺栓孔位置偏差量基本等于0.5 m或0.6 m，當(dāng)該項物理量數(shù)值水平過大時，鋼軌結(jié)構(gòu)易因物理承載力過大，出現(xiàn)斷裂或彎折的情況。當(dāng)該項物理量數(shù)值水平過小時，螺栓孔處的連接螺栓易因膨出作用而向外不斷外移，并最終脫落進(jìn)入列車的行駛軌道之中，造成列車脫軌事件的出現(xiàn)。

因此，在設(shè)置螺栓孔位置偏差量數(shù)值時，應(yīng)綜合考慮多項因素，在保障鋼軌物理承載能力的同時盡量將螺栓放置在相對較遠(yuǎn)的連接位置處，一方面避免外部壓力過大，對軌道結(jié)構(gòu)造成的彎曲性影響，另一方面也可最大限度延長列車的實際行進(jìn)距離。當(dāng)螺栓孔位置偏差量數(shù)值不斷趨近于0.5 m時，鋼軌尺寸的偏差量也會逐漸靠近其最小數(shù)值，獲得理想的鐵路線路維修結(jié)果。

6 結(jié)束語

為獲得理想化的鐵路線路維修效果，應(yīng)從長度尺寸偏差、斷面尺寸偏差等多個方面同時著手，在控制鋼軌尺寸偏差數(shù)值量水平的同時，提升鋼軌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)承載能力，從而為列車行駛提供一個相對穩(wěn)定且可靠的環(huán)境，使乘客的生命安全得到有效保障。