基于提高使用壽命的鋼軌養(yǎng)護策略

戴姝婷

（南京地鐵運營有限責任公司,江蘇 南京 211135）

0 引言

隨著近年來交通行業(yè)的不斷發(fā)展，城市軌道交通已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂惺种匾囊环N交通方式。通過提高列車運行速度、縮短發(fā)車間隔以及改善車輛承載能力等措施，城市軌道交通逐漸滿足了人們?nèi)找嬖鲩L的交通需求。然而上述措施也直接加劇了車輛荷載對軌道結(jié)構(gòu)的沖擊和破壞，減少了軌道部件的使用壽命，軌道交通的養(yǎng)護成本隨之顯著增加。

1 城市軌道交通線路鋼軌傷損的概述

鋼軌是城市軌道交通的主要承載部件，直接承受來自列車車輪的反復(fù)作用。在軌道交通高效運行的過程中，鋼軌不可避免地會出現(xiàn)多種不同類型的損傷。據(jù)不完全統(tǒng)計，上海軌道交通1號線鋼軌在運行過程中出現(xiàn)的傷損主要包含裂紋、掉塊、光斑、碎裂和銹蝕等多種損傷，香港地鐵在運行過程中出現(xiàn)的傷損也包含鋼軌軌距角裂紋和剝離掉塊等。多種不同類型的鋼軌損傷都會對城市軌道交通的運行產(chǎn)生影響。如果處理鋼軌損傷的方法不恰當，不僅會導(dǎo)致列車在運行過程中出現(xiàn)輪軌噪聲[1]從而影響乘客的乘車舒適度，還會在一定程度上增加列車的運行能耗繼而導(dǎo)致列車的養(yǎng)護和維修成本增加。不恰當?shù)奶幚矸椒ㄍ瑫r影響鋼軌的使用壽命，嚴重時有可能會引發(fā)斷軌，對行車安全產(chǎn)生極大的影響。綜上所述，每個城市的軌道交通需要重視對線路鋼軌損傷的養(yǎng)護。

首先需要對鋼軌傷損的成因進行分析，并針對鋼軌損傷進行有效檢測，從提高鋼軌使用壽命的角度開展管理，盡量控制鋼軌在運行過程中出現(xiàn)的損傷。同時提出以延長鋼軌使用壽命為目的的鋼軌養(yǎng)護策略。通過這種方式能夠為我國現(xiàn)代化的城市軌道交通運行提供幫助。

2 鋼軌損傷的分類

提高鋼軌使用壽命，需要明確鋼軌壽命的特征，并對相關(guān)特征進行分類和量化，即定性和定量。鋼軌壽命的特征是鋼軌的損傷以及每一類損傷的程度。以南京地鐵為例，鋼軌傷損主要分為內(nèi)部傷損和外部傷損兩大類。

內(nèi)部傷損是指鋼軌母材和焊縫傷損。無縫線路的定義和形成方式是：通過焊接的方式將兩根鋼軌連接固定，使軌縫消失，線路若干根鋼軌形成一個整體[2]。無縫線路因為其特殊的形成方式產(chǎn)生了鋼軌母材和焊縫兩個位置。兩個位置傷損的類型具體有：魚鱗傷、擦傷、剝離裂紋、電擊傷、掉塊、多孔等。內(nèi)部傷損按嚴重程度降序排列為重傷、輕傷有發(fā)展、輕傷。

外部傷損包括高低接頭病害。在列車車輪輪對沖擊下，道床系統(tǒng)由于本身的缺陷容易在軌縫處出現(xiàn)高低接頭。高低接頭進一步加重軌道不平順和車輪輪對對鋼軌的沖擊，使鋼軌壽命進一步縮短。在無縫線路中，焊縫代替了接頭，因此此病害只在非無縫線路中出現(xiàn)。在養(yǎng)護工作中，此病害可以通過病害監(jiān)控、打磨順坡、自主更換、焊接等方式進行控制和根除。

外部傷損還包括鋼軌掉塊病害。利用病害的數(shù)量與位置進行研判，鋼軌掉塊與鋼軌本身質(zhì)量、鋼軌道床系統(tǒng)、扣件和夾板、大小半徑曲線、輪軌作用情況、鋼軌所處自然環(huán)境均有關(guān)聯(lián)性。而最直接的原因是鋼軌軌頭在超過接觸疲勞強度的輪軌接觸應(yīng)力的作用下，表面產(chǎn)生了塑性變形，進而出現(xiàn)裂紋與掉塊。

外部傷損另一個很重要的病害是鋼軌磨耗。在所有類型的鋼軌磨耗中，對鋼軌使用壽命影響較大的是波浪形磨耗，其為沿鋼軌縱向出現(xiàn)的一定長度的形似波浪的不平順現(xiàn)象。如果任由鋼軌波浪形磨耗的發(fā)展，鋼軌使用壽命將隨之降低，同時威脅到行車安全。

3 基于提高使用壽命的鋼軌養(yǎng)護策略

鋼軌壽命是指其從安裝到報廢的總時間。鋼軌的損傷包括母材和焊縫傷損、高低接頭、鋼軌掉塊以及鋼軌磨耗都在不同的程度上影響鋼軌的壽命。要提高鋼軌的使用壽命，必須設(shè)法避免和減少傷損以及控制傷損的數(shù)量和程度，相對應(yīng)的策略按照順序主要分為以下幾個步驟。

3.1 軌道幾何形位的檢測和調(diào)整

3.1.1 軌道幾何形位檢測的內(nèi)容

軌道幾何形位包括軌道高低、軌向、軌距、水平、三角坑。軌道幾何形位如果超出容許值，將加大列車輪對對軌道的沖擊力和摩擦力，加速鋼軌傷損，縮短鋼軌壽命。

南京地鐵軌道幾何形位檢測屬于動態(tài)檢測，即利用檢測車對軌道進行動態(tài)加載，如此檢測結(jié)果方能體現(xiàn)軌道在動態(tài)加載下的真實情況。表1為鐵科院GJ-6型軌檢系統(tǒng)在評價軌道區(qū)段質(zhì)量時采用的不平順管理值和TQI（Track Quality Index）管理值。

表1 區(qū)段質(zhì)量不平順及TQI管理值

TQI（Track Quality Index）是將200 m區(qū)段內(nèi)高低、軌向、軌距、水平、三角坑的標準差進行相加，客觀地綜合反映了軌道質(zhì)量。而上述不平順管理值的各單項標準差是指該區(qū)段內(nèi)對應(yīng)各項動態(tài)檢測結(jié)果值的標準差。

TQI——Track Quality Index，即軌道質(zhì)量指數(shù)。

δi——各項幾何偏差。即左右高低、左右軌向、軌距、水平、三角坑的標準差；

n——采樣點個數(shù)（一般200 m區(qū)段內(nèi)為800個）。

軌道局部峰值采用動態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值進行評價，使用鐵科院GJ-6型軌檢系統(tǒng)超限等級標準，見表2。

表2 軌道動態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

超限等級評價方法：一級每處扣1分、二級每處扣5分、三級每處扣100分、四級每處扣301分。每千米扣分小于等于50分為優(yōu)良、扣分在51~300分之間為合格、扣分超過300分為失格。

3.1.2 軌道幾何形位的調(diào)整

在軌道幾何形位檢測完成后，需要對TQI和局部峰值超過允許值的軌道區(qū)段進行調(diào)整。即對軌道的高低、軌向、大小軌距、水平、三角坑進行調(diào)整，使TQI和局部峰值回歸允許值，從而優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)、減小列車輪對對軌道的沖擊力和摩擦力，延緩和控制鋼軌傷損，延長鋼軌壽命。

通常采用起道、撥道和改道的方法對軌道幾何形位進行調(diào)整。起道使用千斤頂將單股鋼軌提起，以調(diào)整兩股鋼軌的高低不平順。撥道使用液壓撥道器或撬棍左右撥動鋼軌，以調(diào)整鋼軌的軌向。改道作業(yè)通過調(diào)整鋼軌兩側(cè)軌距片的位置和厚薄，可以小量調(diào)整軌距，使軌距誤差符合容許值（+3 mm和?2 mm之間）。

3.2 鋼軌探傷

在軌道幾何形位檢測和調(diào)整的同時，開展鋼軌探傷、鋼軌狀態(tài)評價以及鋼軌病害處置工作，可以有效地延長鋼軌的使用壽命。

3.2.1 鋼軌探傷的內(nèi)容和周期

鋼軌探傷涵蓋兩方面的內(nèi)容：鋼軌常規(guī)探傷與無縫線路焊縫探傷。具體工作包括鋼軌的無損檢測、傷損監(jiān)控、傷損分析，最后根據(jù)傷損等級與發(fā)展趨勢等情況進行病害處置。常規(guī)探傷以正線6遍次/年、輔助線2遍次/年、場站1遍次/年為周期。

3.2.2 鋼軌狀態(tài)評價

南京地鐵依據(jù)鋼軌傷損分類，確定內(nèi)部傷損總分值50分、表面掉塊總分值20分、接頭病害總分值20分、鋼軌磨耗總分值10分，并根據(jù)病害的程度進一步劃分18個隸屬項。評分見表3。

表3 鋼軌狀態(tài)評分表

根據(jù)評分結(jié)果，每條線路可劃分為三個等級，分別用紅色、橙色和綠色進行標識和區(qū)分，具體如表4所示。

表4 線路鋼軌等級區(qū)分表

3.2.3 鋼軌病害處置

（1）內(nèi)部傷損。針對鋼軌輕傷以及輕傷有發(fā)展的情況，采取監(jiān)控的方式，視情況對其進行處理。根據(jù)鋼軌重傷傷損的分布情況，綜合考慮鋼軌所處現(xiàn)場的施工條件、處理時間的限制性等因素，主要的處理方式為班組更換、大修項目、焊接項目、重點管理等四種。

（2）高低接頭。因為高低接頭病害的程度不同，需要對此類病害進行區(qū)別處理。處置途徑主要是病害監(jiān)控、打磨順坡、自我焊接以及焊接項目。

（3）鋼軌掉塊。對于鋼軌掉塊的病害，可以通過鋼軌銑磨、鋼軌打磨、降低對潤滑裝置的依賴性以及鋼軌更換4個途徑進行處置和改善。

對于嚴重掉塊和嚴重波浪形磨耗的鋼軌區(qū)段，鋼軌銑磨施工是恢復(fù)鋼軌廓形、使鋼軌的使用壽命得到延長的重要方法。

普通性波磨傷損、裂紋的初期發(fā)展、彈條斷裂和列車晃動的鋼軌區(qū)段，主要采用鋼軌打磨施工方法進行處置。至于非中斷性掉塊、魚鱗傷、波浪形磨耗、擦傷等傷損，則應(yīng)使用修理性打磨的方法整治病害鋼軌。

鋼軌涂油器裝置輸出的油脂滲入到鋼軌的裂紋中，油楔作用會由于車輪對鋼軌壓力的持續(xù)作用而產(chǎn)生，從而使鋼軌裂紋及掉塊的發(fā)展進一步加速。因此，可以通過調(diào)節(jié)潤滑裝置的出油量控制曲線上股的非中斷魚鱗裂紋或掉塊。如果上述傷損仍然在持續(xù)發(fā)展，則對潤滑裝置進行暫時性關(guān)閉。之后在輪軌磨耗或鋼軌打磨的作用下，確認上述傷損被遏制后再酌情開啟裝置。

（4）鋼軌磨耗。預(yù)防和處置鋼軌傷損的有效方法是鋼軌打磨和銑磨作業(yè)，這兩種施工作業(yè)可以使鋼軌表面?zhèn)麚p減輕和消彌、鋼軌輪廓形狀得到恢復(fù)、接觸疲勞和波磨等傷損得到較好的預(yù)防、鋼軌的使用壽命隨之得到有效延長。

鋼軌病害區(qū)段分為普通區(qū)段和敏感區(qū)段?！盾壍谰S修規(guī)則》和《鋼軌打磨與焊接工作流程規(guī)范》適用于普通區(qū)段；《噪聲敏感點管控措施》適用于敏感區(qū)段。

4 總結(jié)

隨著近年來城市軌道交通的不斷發(fā)展，采用基于提高使用壽命的鋼軌養(yǎng)護策略能夠有效地控制鋼軌和車輪的損傷發(fā)生率，有助于延長鋼軌的使用壽命，從而令使用過程中鋼軌的更換概率大大降低，軌道交通的運營成本也隨之減少。

該文指出鋼軌壽命的特征是鋼軌的損傷以及每一類損傷的程度，并對每一類鋼軌的損傷進行了詳細描述。在此基礎(chǔ)上提出了基于提高使用壽命的鋼軌養(yǎng)護策略的步驟。步驟包括軌道幾何形位的檢測、軌道質(zhì)量評價、幾何形位的調(diào)整、鋼軌探傷、鋼軌狀態(tài)評價以及鋼軌病害處置。

隨著軌道交通運營時間的推移，基于提高使用壽命的鋼軌養(yǎng)護策略，應(yīng)該著眼于工程實際進行不間斷調(diào)整，使養(yǎng)護工作更精準、更高效，不斷提高鋼軌的使用壽命，最大程度降低軌道運營成本。