論北京地鐵房山線小半徑曲線鋼軌磨耗的原因及預(yù)防

摘要：地鐵運(yùn)行路線小半徑曲線較多，導(dǎo)致鋼軌磨耗嚴(yán)重，不僅影響機(jī)車運(yùn)行的穩(wěn)定性和舒適性，甚至在極端情況下會造成機(jī)車脫軌，嚴(yán)重威脅人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。本文以北京地鐵房山線良鄉(xiāng)大學(xué)城小半徑曲線為研究對象，著重探討鋼軌磨耗形成的原因及相應(yīng)的預(yù)防和整治措施，以提高鋼軌使用壽命，降低運(yùn)營維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：北京地鐵??小半徑曲線??鋼軌磨耗??預(yù)防

On the Causes and Prevention of Small Radius Curve rail Wear on Fangshan Line of Beijing Metro

LI Siyaun

Abstract： There are many small radius curves in the subway operation route， resulting in serious rail wear， which will not only affect the stability and comfort of locomotive operation， but also cause locomotive derailment in extreme cases， which will seriously threaten the safety of people's lives and property. This paper takes the small radius curve of Liangxiang university town of Fangshan Line of Beijing subway as the research object， this paper focuses on the causes of rail wear and the corresponding prevention and treatment measures， to improve the service life of the rail， reduce operation and maintenance costs.

Key Words：Beijing Metro; Small radius curve; Rail wear; Prevention

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，機(jī)動車成為人們出行代步的交通工具，城市交通擁堵成為普遍現(xiàn)象。地鐵具有客運(yùn)量大、安全性高、占用地上空間小、受天氣影響小、污染小等特點(diǎn)，成為大中城市軌道交通網(wǎng)中重要的交通方式。由于地鐵建設(shè)過程中受城市街道、建筑物等條件的限制，以及基于建設(shè)成本的考慮，導(dǎo)致運(yùn)行線路上小半徑曲線占比遠(yuǎn)高于普通鐵路。相較大半徑曲線，小半徑曲線輪軌之間相互作用更加復(fù)雜，當(dāng)機(jī)車行駛至曲線段時(shí)迫使機(jī)車轉(zhuǎn)彎，高速行駛機(jī)車的慣性作用會對軌道產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊力，使軌道發(fā)生形變，并造成鋼軌側(cè)磨和波磨。鋼軌磨耗嚴(yán)重會使內(nèi)外軌發(fā)生偏載，輪軌之間的匹配性也遭到破壞，不僅會加劇耗損機(jī)車機(jī)器部件，而且還影響機(jī)車行駛的安全性、穩(wěn)定性、舒適性，因此在地鐵運(yùn)營的過程中需要重視鋼軌磨耗，針對鋼軌磨耗的原因采取相應(yīng)的減磨措施。

1 地鐵線路概況

北京地鐵房山線良鄉(xiāng)大學(xué)城站曲線全長630.4m，曲線半徑404.2m（<600m），屬于典型的小半徑曲線路段。為了盡可能減少機(jī)車行駛帶來的不利影響，全部采用高架無縫線路小阻力扣件。運(yùn)營實(shí)踐表明，不僅鋼軌側(cè)磨發(fā)展較快，出現(xiàn)了波磨和軌枕墩松動，而且軌距不易保持，影響行車安全，這樣就對該小半徑曲線路段的養(yǎng)護(hù)維修提出了更高的要求。

2 曲線鋼軌受力分析

不論是鋼軌側(cè)磨還是鋼軌波磨，都是由于來至于不同方向的力共同作用于鋼軌的結(jié)果。機(jī)車運(yùn)行時(shí)不可避免地會產(chǎn)生各種震動，尤其是高架線路震動更加明顯，震動與荷載產(chǎn)生各種作用力。行駛中的機(jī)車產(chǎn)生的力按照與鋼軌軌面的方向關(guān)系，通常分為豎向力、橫向力和縱向力3個(gè)方面，以至不同方向的力作用于軌道，一旦超過軌道的承受極限，必然會產(chǎn)生應(yīng)力和變形，使震動和搖擺加劇，機(jī)車通過曲線時(shí)產(chǎn)生輪軌間的不正常接觸和滑動摩擦加劇。

2.1 轉(zhuǎn)向架與鋼軌間的橫向作用力

橫向作用力主要是指作用于鋼軌的側(cè)面壓力和附加橫向力。在機(jī)車通過小半徑曲線時(shí)，車輪輪緣緊貼外股鋼軌內(nèi)側(cè)，通過輪緣與軌頭側(cè)面之間的正壓力，即導(dǎo)向力迫使機(jī)車轉(zhuǎn)向，使軌道承受來自水平方向的橫向力。橫向力不僅會使小半徑曲線外股鋼軌產(chǎn)生嚴(yán)重的側(cè)面磨耗，而且還會破壞曲線方向，造成曲線軌距擴(kuò)大、正矢超限、軌枕松動、線路沉落等一系列病害，長久下去形成惡性循環(huán)，加速側(cè)面磨耗的發(fā)展^[1]。

2.2 作用于鋼軌上的豎向力

豎向力主要是指機(jī)車荷載對鋼軌產(chǎn)生的豎向作用壓力，與機(jī)車行駛速度成正比，當(dāng)豎向力的增加超過鋼軌承受極限，就會導(dǎo)致鋼軌出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象。沖擊接頭使動力附加值增加，從而造成車輪偏載，嚴(yán)重時(shí)破壞軌枕，使線路平順性降低，沖擊接頭產(chǎn)生波磨和不正常磨耗^[2]。

2.3 作用于鋼軌上的縱向力

縱向力主要是指軌道爬行和軌溫過高對鋼軌產(chǎn)生的縱向作用壓力，當(dāng)無縫線路小半徑曲線地段軌溫過高時(shí)，在機(jī)車動力作用下鋼軌就會順曲線彎曲方向移動，使曲線軌距遭到破壞，尤其在小阻力扣件及地角螺栓扭力矩不足地段更加明顯，軌道爬行是車輪蛇形運(yùn)動造成的現(xiàn)象，在機(jī)車的制動地段最為明顯，軌道破壞也最為嚴(yán)重。

3 曲線鋼軌磨耗的特點(diǎn)

3.1側(cè)磨明顯

北京地鐵房山線良鄉(xiāng)大學(xué)城站受周圍環(huán)境制約，相對其他站點(diǎn)工況更為復(fù)雜，加之車型、軸重、速度等相對較為固定，導(dǎo)致曲線鋼軌磨耗較為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為接觸性疲勞裂紋、剝離掉塊、上軌側(cè)磨、下軌頂面波磨、軌頭壓潰等。鋼軌側(cè)磨是小半徑曲線鋼軌損傷的主要類型，最大側(cè)磨點(diǎn)出現(xiàn)在緩和曲線，小腰處側(cè)磨嚴(yán)重，大腰處側(cè)磨相對較輕^[3]。同時(shí)，鋼軌側(cè)磨與鋼軌材質(zhì)也有很大的關(guān)系，側(cè)磨程度直接決定了鋼軌的使用壽命和換軌周期，因此會減緩鋼軌側(cè)磨是工務(wù)工作的重要內(nèi)容。

3.2波磨異常

北京地鐵房山線良鄉(xiāng)大學(xué)城站高校林立、學(xué)生眾多，為了盡可能降低機(jī)車行駛產(chǎn)生的振動噪音，軌道結(jié)構(gòu)全部采用高架無縫線路小阻力扣件減振設(shè)計(jì)，雖然成本偏低、施工方便、利于維護(hù)，但該扣件承壓相對不足，發(fā)生撓曲的幾率較大，且鐵墊板地膠螺栓孔為橢圓眼，不能滿足扣壓力及固定鋼軌的要求，軌距難以保持，發(fā)生鋼軌異常波磨不可避免。因此，在進(jìn)行小半徑曲線軌道結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、平順性及強(qiáng)度，確保軌道結(jié)構(gòu)幾何形位合理^[4]，盡可能減少鋼軌異常波磨的發(fā)生。

4 曲線鋼軌磨耗的預(yù)防和整治

一線城市對小半徑曲線鋼軌側(cè)磨和波磨的預(yù)防和整治較為重視，形成了從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營維護(hù)整個(gè)生命周期的系統(tǒng)性防治措施，并且取得了顯著的效果，而二線、三線城市處于地鐵建設(shè)的起步階段，對小半徑曲線鋼軌側(cè)磨和波磨尚未引起足夠的重視，相應(yīng)的防治措施也不完善。當(dāng)鋼軌磨耗達(dá)到一定程度后，已經(jīng)無法滿足行車安全的要求時(shí)，只能采取換軌措施，這樣不僅影響機(jī)車正常運(yùn)營，同時(shí)也造成鋼軌浪費(fèi)，增加運(yùn)營維護(hù)成本，因此需要針對鋼軌磨耗的特點(diǎn)和成因，采取相應(yīng)的減磨措施以控制鋼軌磨耗發(fā)展，從而降低運(yùn)營維護(hù)成本。

4.1 合理選擇軌道參數(shù)

影響鋼軌磨耗的軌道參數(shù)主要包括軌距、超高和軌底坡，各項(xiàng)參數(shù)取值范圍是否合理會影響軌輪接觸性能，過大或過小的參數(shù)均會加速鋼軌磨耗。

1. 軌距與鋼軌磨耗關(guān)系密切，保持較小的軌距，可以降低機(jī)車蛇形運(yùn)動幅度，減輕車輪對鋼軌的側(cè)向作用力，從而減輕鋼軌側(cè)磨。但軌距現(xiàn)場調(diào)整困難較大，因此需要在設(shè)計(jì)階段和施工階段做好此項(xiàng)工作。
2. 曲線外軌超高同樣影響鋼軌磨耗速率，這主要是因?yàn)椴缓侠淼那€外軌超高會造成內(nèi)外股荷載不均衡，加速鋼軌磨耗，降低機(jī)車通行平順性，影響旅客乘車體驗(yàn)，嚴(yán)重時(shí)可能會造成機(jī)車向曲線外側(cè)傾倒，旅客的生命財(cái)產(chǎn)安全受到威脅。因此，應(yīng)準(zhǔn)確測定機(jī)車通過曲線的速度，及時(shí)調(diào)整好超高度。超高度的最大限度應(yīng)≤120mm，未被平衡超高應(yīng)≤61mm。設(shè)置超高后，應(yīng)觀察鋼軌的磨耗，分析超高是否合適，準(zhǔn)確、及時(shí)地做好調(diào)整。通常情況下，當(dāng)機(jī)車行駛速度較慢時(shí)以過超高通過，當(dāng)機(jī)車行駛速度較快時(shí)以欠超高通過。有研究表明，當(dāng)實(shí)設(shè)超高≤平衡超高15%時(shí)，輪軌形成的沖擊角顯著降低，機(jī)車轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向性能明顯提高，鋼軌側(cè)磨速率顯著降低。
3. 不同曲線工況，軌底坡設(shè)置不同，相應(yīng)的機(jī)車行駛速度不同，鋼軌側(cè)磨速率也不一樣，軌底坡主要影響曲線外軌側(cè)磨量。當(dāng)內(nèi)外軌軌底坡組合是1：20和1：40時(shí)，鋼軌側(cè)磨速率較小，當(dāng)內(nèi)外軌軌底坡組合是1：40和1：20時(shí)，鋼軌側(cè)磨速率較大，二者側(cè)磨速率相差30%左右。機(jī)車在實(shí)際通過小半徑曲線路段時(shí)，是從內(nèi)外軌軌底坡1：20和1：40區(qū)段向1：40和1：20區(qū)段行進(jìn)，機(jī)車行駛速度不斷降低，導(dǎo)致曲線過超高過大，因此可以通過墊高內(nèi)軌來改善鋼軌側(cè)磨。

4.2 鋼軌涂油

鋼軌涂油可降低輪軌之間的摩擦系數(shù)，鋼軌減磨效果明顯，在地鐵上的應(yīng)用非常廣泛。有報(bào)道指出，科學(xué)合理的鋼軌涂油可增加小半徑曲線鋼軌使用時(shí)間，降低換軌頻率。上海地鐵經(jīng)驗(yàn)表明，鋼軌涂油可使鋼軌側(cè)磨速率下降≥80%，并對內(nèi)軌波磨、頂面剝離掉塊也有明顯的弱化效果。北京地鐵經(jīng)驗(yàn)表明，鋼軌涂油可使鋼軌側(cè)磨速率由涂油前的5.33mm/月降低至涂油后的0.43mm/月。廣州地鐵經(jīng)驗(yàn)表明，鋼軌涂油對于鋼軌波磨具有顯著的抑制作用，尤其適用于直線電機(jī)線路。在鋼軌涂油過程中需要重點(diǎn)把控以下幾點(diǎn)^[5]。

1. 把控出油量，涂油器出油量的多少與鋼軌磨耗直接相關(guān)，如果出油量過少則難以起到應(yīng)有的減磨效果，如果出油量過多則無法使機(jī)車正常制動和牽引。國外發(fā)達(dá)國家油量控制技術(shù)較為成熟，通過采用電子涂油器以確保出油量保持恒定或通過查看鋼軌內(nèi)側(cè)面涂油狀態(tài)和軌距角磨耗情況對出油量進(jìn)行控制。國內(nèi)對油量控制技術(shù)的研究相對較為滯后，因鋼軌涂油過多或過少情況引發(fā)的機(jī)車安全事故屢見于報(bào)道。
2. 對鋼軌性能進(jìn)行超聲波檢查探傷之前應(yīng)停止涂油，并用清潔劑去除鋼軌表面油脂。
3. 對已經(jīng)發(fā)生接觸性疲勞裂紋的鋼軌，需要先去除鋼軌表面油脂，然后用打磨車將裂紋磨掉后方可繼續(xù)進(jìn)行涂油操作，否則如果繼續(xù)涂油油脂會順著裂紋下滲，促進(jìn)裂紋進(jìn)一步發(fā)展，加速剝離掉塊。
4. 定期檢查鋼軌涂油器，保證其工作狀態(tài)良好、運(yùn)行正常，能夠有效起到減小輪軌間摩擦系數(shù)的作用，達(dá)到減緩鋼軌磨耗發(fā)展的目的。

4.3 其他方面的防治措施

（1）加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)、消滅超限，采取提高穩(wěn)定軌道框架的措施。針對北京地鐵房山線良鄉(xiāng)大學(xué)城站小半徑曲線的特點(diǎn)，每隔3m安裝一根軌距拉桿，并對地膠螺栓全面進(jìn)行復(fù)緊，保持小阻力扣件足夠的扣壓力。在綜合維修中進(jìn)行細(xì)撥細(xì)改，確保正矢不超限、軌距順坡和超高遞減。

（2）及時(shí)整修鋼軌、車輪零部件等缺陷，采取有效措施積極處理鋼軌硬彎、低接頭等病害。對于車輪零部件缺損或功能異常、枕木嚴(yán)重腐蝕等情況應(yīng)及時(shí)更換;對于混凝土軌枕，應(yīng)定期監(jiān)測軌枕扣壓力是否符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求，如果不滿足要求，則需要對其進(jìn)行加固處理;對于鋼軌固定位置，也應(yīng)定期檢查，確保固定位置正確;對于破損及翻漿的軌枕墩要及時(shí)進(jìn)行修理。

（3）改善鋼軌斷面材質(zhì)、采用合金鋼軌以提高鋼軌的抗磨性和強(qiáng)度^[6];將曲線鋼軌與直線鋼軌進(jìn)行倒換使用，對于新建地鐵線路，在運(yùn)營1～2年后可將曲線和直線上的鋼軌位置進(jìn)行互換，一方面，曲線上的鋼軌磨耗嚴(yán)重，換到直線上后磨耗速率降低，可繼續(xù)使用;另一方面，直線上的鋼軌由于車輪的碾壓，在表面已經(jīng)形成一層耐磨、光滑的保護(hù)層，換到曲線上后同樣可以起到減磨的效果。

5 結(jié)語

鋼軌磨耗超限是引發(fā)換軌和導(dǎo)致機(jī)車行駛安全問題的主要原因，通過分析小半徑曲線鋼軌的受力及磨耗特點(diǎn)，進(jìn)而提出針對性的減磨措施，以提高輪軌匹配性、減輕鋼軌磨耗、增加鋼軌使用時(shí)間。對于北京地鐵房山線良鄉(xiāng)大學(xué)城站小半徑曲線線路，曲線半徑已經(jīng)確定，可以通過合理選擇軌道參數(shù)和鋼軌涂油等措施以降低鋼軌磨耗速率，其中合理選擇軌道參數(shù)包括減小曲線超高、設(shè)置非對稱性軌底坡、保持軌距正偏差在規(guī)范限值范圍之內(nèi)等，鋼軌涂油包括把控出油量、明確涂油禁忌、確保鋼軌涂油器運(yùn)行正常等。需要明確的是，軌道參數(shù)設(shè)置需要根據(jù)鋼軌磨耗實(shí)際，并結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果予以確定。實(shí)踐表明，通過采取以上各項(xiàng)減磨耗措施，北京地鐵房山線良鄉(xiāng)大學(xué)城小半徑曲線地段鋼軌磨耗過快情況得到明顯減緩，減少了維修工作量，降低了換軌頻率和運(yùn)營維護(hù)成本。

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中圖分類號：U21DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2201-5640-2517

作者簡介：李思遠(yuǎn)（1987—），男，本科，研究方向為地鐵運(yùn)營管理。