南京地鐵典型鋼軌傷損分析及防治

馬益龍

(南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012)

0 引言

鋼軌是鐵路軌道的主要組成部件。它的功用在于引導(dǎo)機(jī)車(chē)車(chē)輛的車(chē)輪前進(jìn)，直接承受車(chē)輪和其他方面的各種力，且傳遞給軌下基礎(chǔ)，并為車(chē)輪的滾動(dòng)提供連續(xù)平順和阻力最小的表面[1]。地鐵行車(chē)具有密度大、速度高、緊急啟停的特點(diǎn)，并且檢修天窗點(diǎn)短，鋼軌傷損發(fā)展速度較快，嚴(yán)重影響地鐵的安全運(yùn)營(yíng)?，F(xiàn)對(duì)南京地鐵典型傷損進(jìn)行分析，探索傷損發(fā)展規(guī)律，并提出對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施，延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命。

1 南京地鐵線路概況

南京地鐵2005年開(kāi)通，最早開(kāi)通的1號(hào)線鋼軌服役已近17 a，現(xiàn)有11條線路運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)里程427 km。南京地鐵正線采用U75V 60 kg/m鋼軌，運(yùn)營(yíng)線路60 kg/m鋼軌使用共計(jì)約1 714 km，基地線路采用U71Mn 50 kg/m鋼軌，50 kg/m鋼軌使用約340 km。南京地鐵正線曲線共1 263條，小半徑曲線(R≤400 m)301條，共87.096 km,占全部運(yùn)營(yíng)線路的10.2%。全線網(wǎng)鋼軌涂油器共182臺(tái)。我國(guó)根據(jù)鋼軌的傷損種類(lèi)、位置及原因進(jìn)行分類(lèi)，共分為9類(lèi)32種傷損[2-3]。南京地鐵鋼軌傷損類(lèi)型主要是波磨、側(cè)磨、鋼軌掉塊、接頭傷損、電擊傷等。

2 鋼軌傷研究分析

2.1 波磨及波磨掉塊

鋼軌波浪形磨耗，簡(jiǎn)稱(chēng)波磨，是指在輪軌滾動(dòng)接觸表面出現(xiàn)的類(lèi)似波浪的規(guī)律性不均勻磨耗現(xiàn)象[4]。影響波磨的因素有很多，波磨和曲線半徑、扣件類(lèi)型、道床結(jié)構(gòu)、車(chē)輛輪對(duì)、行車(chē)速度等多種因素有關(guān)。地鐵波磨主要發(fā)生在小半徑曲線地段，半徑越小，波磨發(fā)展越迅速，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析，南京地鐵波磨主要在曲線半徑R≤800 m地段，曲線半徑R≤500 m地段波磨尤為明顯。波磨掉塊，即波磨產(chǎn)生后，由于車(chē)輪和鋼軌振動(dòng)，在波磨波谷由于鋼軌應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋掉塊，波磨掉塊一般產(chǎn)生于軌道彈性較差的波磨地段。以南京地鐵3號(hào)線2條同工況的曲線(如表1所示)作為研究對(duì)象，通過(guò)長(zhǎng)期的觀察和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，研究波磨和波磨掉塊發(fā)展規(guī)律。

表1 選取研究曲線線路資料

曲線波磨發(fā)展規(guī)律：曲線1、曲線2在運(yùn)營(yíng)6個(gè)月后均出現(xiàn)波磨，波磨較輕沒(méi)有深度。運(yùn)營(yíng)6個(gè)月～2 a后，波磨發(fā)展迅速，波長(zhǎng)為27 mm～80 mm短波為主，波深0.1 mm～0.2 mm。運(yùn)營(yíng)2 a～4 a，2條曲線波磨繼續(xù)加劇，波長(zhǎng)為27 mm～80 mm短波為主，波深0.2 mm～0.3 mm，為減緩波磨發(fā)生，不定期對(duì)2條曲線進(jìn)行鋼軌打磨，打磨后波磨減緩，打磨1個(gè)月后波磨又迅速產(chǎn)生。運(yùn)營(yíng)4 a～6 a，波磨繼續(xù)發(fā)展，但曲線1和曲線2波磨表現(xiàn)形式不同，曲線1在曲下股波谷出現(xiàn)連續(xù)波磨掉塊(見(jiàn)圖1)，曲線2無(wú)此現(xiàn)象，對(duì)曲線1波磨掉塊進(jìn)行鋼軌打磨，效果不佳。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，曲線1地段軌下膠墊出現(xiàn)大面積壓潰失效(見(jiàn)圖2)，曲線2膠墊外觀正常，作用良好。后對(duì)曲線1地段失效膠墊進(jìn)行更換，輔助對(duì)曲線1進(jìn)行鋼軌打磨，運(yùn)營(yíng)6個(gè)月波磨掉塊基本消失。由此發(fā)現(xiàn)波磨掉塊的形成和軌道的彈性有關(guān)，扣件系統(tǒng)彈性不足，車(chē)輪和鋼軌振動(dòng)幅度增大，波谷處應(yīng)力集中易產(chǎn)生鋼軌剝離掉塊。

2.2 側(cè)磨及軌距角掉塊

鋼軌側(cè)磨發(fā)生在曲線上股，列高速通過(guò)曲線時(shí)，曲線上股鋼軌為車(chē)輛輪對(duì)導(dǎo)向，曲線上股鋼軌在輪對(duì)豎向力和橫向力的作用下產(chǎn)生側(cè)磨。曲線側(cè)磨主要在小半徑曲線區(qū)段，半徑越小，側(cè)磨發(fā)展越迅速。這是由于隨著曲線半徑的減小，車(chē)輛通過(guò)較小曲線半徑線路時(shí)的輪軌橫向力和沖角較大，使得輪緣極易與鋼軌貼靠加劇輪軌間的作用導(dǎo)致其磨耗相對(duì)較大。其次，車(chē)輛在通過(guò)較小曲線半徑時(shí)輪對(duì)會(huì)產(chǎn)生較大橫移量或輪軌導(dǎo)向力不足將導(dǎo)致兩點(diǎn)接觸和嚴(yán)重的鋼軌側(cè)磨現(xiàn)象[5]。

軌距角掉塊(如圖3所示)是曲線地段上股和部分直線地段鋼軌軌內(nèi)側(cè)距角處疲勞產(chǎn)生連續(xù)性掉塊,長(zhǎng)1 mm～5 mm，深1 mm～2 mm，掉塊分散狀分布。鋼軌涂油器是一種加裝在曲線起點(diǎn)，車(chē)輪經(jīng)過(guò)時(shí)感應(yīng)噴油并油脂涂覆經(jīng)過(guò)的曲線鋼軌內(nèi)側(cè)面的軌道附屬設(shè)備。涂油器油脂一定程度上能減緩鋼軌側(cè)磨的發(fā)展，但不合理的涂油會(huì)引發(fā)軌距角掉塊。根據(jù)南京地鐵多條運(yùn)營(yíng)線路經(jīng)驗(yàn)，軌距角掉塊多發(fā)于過(guò)量涂油的新開(kāi)通線路。鋼軌在曲線上股軌距角應(yīng)力集中產(chǎn)生微細(xì)裂紋，涂油器的油脂滲入微細(xì)裂紋在車(chē)輪壓力作用下發(fā)生“油楔效應(yīng)”，加速鋼軌剝離掉塊。

南京地鐵3號(hào)線開(kāi)通僅6個(gè)月，部分曲線上股軌距角出現(xiàn)剝落掉塊現(xiàn)象，隨著時(shí)間的推移，病害普遍發(fā)展，半徑較大曲線也出現(xiàn)類(lèi)似病害，并且有惡化趨勢(shì)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)軌距角掉塊上有較多油脂，3號(hào)線開(kāi)通后，正線48臺(tái)涂油器即滿(mǎn)載工作，涂油器噴出油脂通過(guò)車(chē)輪帶至全線鋼軌。在現(xiàn)場(chǎng)選取6條掉塊嚴(yán)重曲線，對(duì)全線涂油器進(jìn)行關(guān)閉，定期觀察6條曲線軌距角掉塊發(fā)展情況。通過(guò)6個(gè)月統(tǒng)計(jì)觀察，6條曲線軌距角掉塊逐漸消失，全線軌距角掉塊現(xiàn)象明顯緩解。為了進(jìn)一步驗(yàn)證涂油和軌距角掉塊的關(guān)系，在剛開(kāi)通的寧和線選取6條曲線，在涂油器全部關(guān)閉的狀態(tài)下，定期收集6條曲線軌距角掉塊情況，運(yùn)營(yíng)1年內(nèi)，曲線上股未出現(xiàn)軌距角掉塊現(xiàn)象。后涂油器逐漸打開(kāi)，涂油器附近鋼軌出現(xiàn)零星軌距角掉塊，后關(guān)閉涂油器，掉塊逐漸消失。由此可以判斷，涂油器過(guò)量涂油、不均勻涂油是軌距角掉塊的主要誘因。

2.3 接頭類(lèi)傷損

列車(chē)經(jīng)過(guò)接頭時(shí)會(huì)產(chǎn)生不平順，從而造成車(chē)輪對(duì)接頭的沖擊，因此地鐵接頭類(lèi)傷損多發(fā)。南京地鐵接頭類(lèi)傷損有焊縫內(nèi)部傷損、高低焊頭、眼孔裂紋、軌頭裂紋類(lèi)。

1)焊縫內(nèi)部傷損。

焊縫內(nèi)部傷損主要為鋁熱焊、氣壓焊、閃光接觸焊處的灰斑、核傷(如圖4所示)、夾渣、光斑等傷損。至今南京地鐵鋼軌無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)傷損共1 516處，其中焊縫傷損有1 108處，占所有無(wú)損檢測(cè)傷損的73%?；野咧复嬖谟陂W光焊焊縫，為斷口中的局部光滑區(qū)域與周邊金屬有明顯界限的傷損，占全部傷損數(shù)量的28.23%。

2)高低焊頭。

目前地鐵在建線路以移動(dòng)閃光接觸焊為主，移動(dòng)閃光焊機(jī)在焊接過(guò)程中，受制于現(xiàn)場(chǎng)施工條件，鋼軌在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)對(duì)軌不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致產(chǎn)生高焊頭(見(jiàn)圖5)、低焊頭(如圖6所示)等情況。按照焊接流程，焊接后對(duì)焊縫進(jìn)行打磨，先用中粗砂輪對(duì)焊縫及附近的軌頭頂面兩側(cè)面及顎部磨除焊瘤，然后使用砂輪機(jī)在軌頭頂及兩側(cè)面進(jìn)行修整，打磨焊縫平直度滿(mǎn)足：軌頂面垂直偏差0 mm～0.3 mm，軌頭側(cè)面工作邊水平方向最大偏差±0.3 mm[6]。由于對(duì)軌不準(zhǔn)確，打磨焊縫周?chē)撥壞覆?，雖然暫能滿(mǎn)足平直度要求，但運(yùn)營(yíng)后母材的原始狀態(tài)顯現(xiàn)，高低接頭更為明顯，高低焊頭偏差有的達(dá)1.5 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。目前南京地鐵共有高接頭91處，低接頭96處，高低接頭對(duì)行車(chē)有較大隱患，行車(chē)不平順，產(chǎn)生輪軌間異常沖擊，造成焊頭附近扣件彈條折斷，局部晃車(chē)、抖動(dòng)，長(zhǎng)期造成焊縫內(nèi)部傷損等。

3)鋼軌眼孔裂紋。

從受力角度分析，鋼軌眼孔位于鋼軌中和軸附近，由于軌腰鉆孔，鋼軌強(qiáng)度降低，在應(yīng)力傳遞過(guò)程中，螺栓孔周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)由于接頭錯(cuò)牙、軌縫等因素，車(chē)輪通過(guò)接頭時(shí)產(chǎn)生沖擊，螺栓孔周?chē)鷳?yīng)力集中加劇，從而形成鋼軌眼孔裂紋(見(jiàn)圖7)。鋼軌眼孔裂紋也與鉆孔作業(yè)有關(guān)，鉆孔位置偏斜、鉆孔未倒棱都能造成鋼軌眼孔裂紋，鉆孔位置偏斜，螺栓和鋼軌受剪，鉆孔未倒棱螺栓孔附近積累較多鐵屑、毛刺，在螺栓剪切力的作用下形成眼孔裂紋。南京地鐵眼孔裂紋傷損共9處，占所有接頭傷損0.6%，雖然眼孔裂紋傷損數(shù)量較少，但對(duì)行車(chē)安全造成較大影響。

4)軌頭裂紋。

軌頭裂紋(如圖8所示)主要發(fā)生在接頭鋼軌踏面，分為縱向裂紋和橫向裂紋，產(chǎn)生主要原因是輪軌接觸接頭振動(dòng)沖擊較大。發(fā)展規(guī)律為：有縫線路鋼軌軌端出現(xiàn)肥邊，肥邊不及時(shí)打磨會(huì)造成軌面壓塌，加劇輪軌接觸振動(dòng)，后碾壓形成鋼軌橫向裂紋，接頭處膠墊失效剛度變大，加劇接頭裂紋向縱深發(fā)展。南京地鐵目前發(fā)現(xiàn)軌頭裂紋共11處，占全部傷損的0.7%，由于傷損比較隱蔽，需要探傷無(wú)損檢測(cè)、拆檢發(fā)現(xiàn)。

2.4 鋼軌電擊傷

地鐵電擊傷分為兩類(lèi):一類(lèi)是掛地線操作不當(dāng)造成電灼傷;一類(lèi)是鋼軌附近金屬物火花放電灼傷鋼軌。第一類(lèi)掛地線灼傷鋼軌，為了保證安全，靠近接觸網(wǎng)作業(yè)均需掛地線，按照正確作業(yè)流程，接觸網(wǎng)斷電后才能掛地線，由于操作人員操作失誤，在接觸網(wǎng)帶電的情況下掛地線，把接觸網(wǎng)高壓電瞬間引到鋼軌，造成鋼軌灼傷。第二類(lèi)火花放電產(chǎn)生電擊傷，由于電氣化線路，鋼軌有回流的作用，南京地鐵采用架空接觸網(wǎng)供電,電壓為直流達(dá)1 500 V，靠近鋼軌的鐵絲、鋼筋等金屬產(chǎn)生火花放電效應(yīng)，灼傷鋼軌。由于鋼軌高壓電擊，鋼軌瞬間灼傷，鋼軌內(nèi)部金屬組織變化，產(chǎn)生高碳馬氏體，不僅破壞了鋼軌組織和性能的均勻性，還是應(yīng)力集中的源點(diǎn)，材料疲勞和開(kāi)裂的策源地，是列車(chē)安全運(yùn)行的嚴(yán)重隱患。南京地鐵共發(fā)現(xiàn)電擊傷損42處，占所有無(wú)損檢測(cè)傷損的2.8%。

3 鋼軌傷損管理與預(yù)防措施

3.1 建立鋼軌傷損信息庫(kù)

工務(wù)部門(mén)應(yīng)建立鋼軌傷損信息庫(kù)，按照線路信息、傷損位置、傷損類(lèi)別、傷損等級(jí)等要素定期收集鋼軌傷損信息，對(duì)鋼軌進(jìn)行“全壽命周期”管理，即從新線建成至鋼軌報(bào)廢，全程跟蹤傷損的發(fā)展，定期對(duì)典型傷損進(jìn)行分析。如鋼軌焊縫，新線驗(yàn)收階段跟蹤焊縫質(zhì)量，收集焊縫“第一手資料”，后期跟蹤焊縫傷損發(fā)展，直至鋼軌報(bào)廢更換。另外，建立鋼軌傷損信息庫(kù)管理機(jī)制，確保現(xiàn)場(chǎng)傷損能及時(shí)準(zhǔn)確的收集到信息庫(kù)里面，收集基礎(chǔ)信息，利用“大數(shù)據(jù)+”分析方法，總結(jié)不同傷損的發(fā)展規(guī)律，指導(dǎo)傷損鋼軌的養(yǎng)護(hù)或更換。

3.2 軌道病害系統(tǒng)整治

軌道病害直接影響輪軌受力，從而影響傷損的發(fā)展，應(yīng)系統(tǒng)的對(duì)軌道病害進(jìn)行整治，道床、鋼軌、聯(lián)結(jié)零件等軌道設(shè)備應(yīng)保持良好的狀態(tài)。對(duì)道床基礎(chǔ)病害進(jìn)行治理：對(duì)翻漿冒泥地段路基進(jìn)行整治；對(duì)道床脫空病害進(jìn)行注漿加固；整治軌枕剝離等。聯(lián)結(jié)零件應(yīng)保持良好的狀態(tài)：對(duì)失效膠墊進(jìn)行更換，保證軌下和板下膠墊良好彈性；更換扣件失效尼龍?zhí)坠?，保證軌道框架橫向剛度；扣件扭力矩在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。鋼軌應(yīng)保持良好的狀態(tài)和幾何形位：對(duì)波磨地段鋼軌進(jìn)行打磨；對(duì)接頭錯(cuò)牙進(jìn)行整治；保持良好的軌道幾何狀態(tài)等。

3.3 加強(qiáng)鋼軌內(nèi)部傷損探傷檢查

由于鋼軌內(nèi)部傷損隱蔽性強(qiáng)、危害性大，因此應(yīng)加強(qiáng)鋼軌母材常規(guī)探傷和焊縫探傷，有些特殊地段應(yīng)增加探傷次數(shù)，如：冬季高架、地面段；橋梁和隧道過(guò)渡段、小半徑曲線地段、大坡道地段；傷軌數(shù)量異常地段。根據(jù)運(yùn)營(yíng)年數(shù)適當(dāng)增加探傷遍次，運(yùn)營(yíng)時(shí)間超過(guò)8 a的線路，增加1遍次常規(guī)探傷，運(yùn)營(yíng)時(shí)間超過(guò)15 a的線路，增加2遍次常規(guī)探傷。加密大型探傷車(chē)、雙軌式探傷小車(chē)探傷遍次，異常數(shù)據(jù)人工探傷進(jìn)行復(fù)核，能夠提高檢查效率，準(zhǔn)確定位傷損位置，及時(shí)采取處置措施，保障安全。

3.4 科學(xué)制定鋼軌維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

以側(cè)磨為例，涂油器的開(kāi)啟能延緩側(cè)磨的發(fā)生，但過(guò)量涂油是軌距角掉塊的直接誘因，科學(xué)制定涂油器涂油周期和涂油量，研究涂油平衡點(diǎn)，使減緩鋼軌側(cè)磨發(fā)展。南京地鐵總結(jié)涂油器的開(kāi)啟規(guī)律：建議新線開(kāi)通6個(gè)月不開(kāi)啟涂油器；側(cè)磨在1 mm～2 mm內(nèi)，涂油器油量控制最小；隨著側(cè)磨的發(fā)展，側(cè)磨達(dá)2 mm以上，適當(dāng)增加涂油量；如產(chǎn)生側(cè)磨掉塊，應(yīng)立即關(guān)閉涂油器。鋼軌過(guò)度維修不但增加了維護(hù)成本，而且增加了傷損的發(fā)展速度，鋼軌欠維修不能達(dá)到鋼軌維修的標(biāo)準(zhǔn)，不利于傷損的控制，鋼軌的養(yǎng)護(hù)應(yīng)制定科學(xué)的維修周期和標(biāo)準(zhǔn)，避免過(guò)修和欠修。

4 結(jié)語(yǔ)

目前南京地鐵“13線在建，11線運(yùn)營(yíng)”，隨著南京地鐵線路數(shù)量增加，鋼軌的養(yǎng)護(hù)和維修成為地鐵運(yùn)營(yíng)關(guān)注的重點(diǎn)。后期鋼軌管理工作將不斷總結(jié)現(xiàn)有運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，在新型工藝材料運(yùn)用、鋼軌數(shù)據(jù)智能檢測(cè)、鋼軌狀態(tài)綜合分析等方面深入探索，科學(xué)制定鋼軌養(yǎng)修制度、合理延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，提高地鐵運(yùn)行質(zhì)量和效率。