★小半径曲线钢轨磨耗分析及整治措施

1 小半径曲线钢轨磨耗分析及整治措施 小半径曲线的换轨周期， 主要由上股钢轨的侧面磨耗和波形磨耗来控制。 我国铁路行业 小半径曲线上的钢轨有 98％是由于侧面磨耗超限而报废的。 对于小半径曲线上的钢轨而言， 轮轨的磨耗和损伤十分严重，具体表现在曲线上股钢轨侧磨加剧，导致几何形状发生改变， 有效截面减小，影响运营安全。因此，必须在钢轨磨损达到一定限度时就更换钢轨，以保证 列车的运营安全。严重的钢轨侧面磨耗减少了钢轨的强度，加剧了钢轨的伤损，缩短了钢轨 的使用寿命，不仅浪费大量的资金，而且还干扰运营任务的完成。因此，延长钢轨使用寿命 对解决轨道交通因钢轨磨耗而出现报废的问题具有积极意义。 1 曲线钢轨磨损机理 钢轨磨耗主要有垂直磨耗、侧面磨耗、鞍型磨耗和波形磨耗（简称波磨）等。其中影响 最大的是钢轨的侧面磨耗和波形磨耗，下面就这两种磨耗机理进行简单阐述。 1.1 波磨机理 波形磨耗是指钢轨使用后钢轨顶面出现的波形不均匀磨耗。 按其波长分为短波 （波纹形 磨耗）和长波（波浪形磨耗）两种。据研究，钢轨波形磨损形成的充要条件是轮轨接触点上 的法向力和切向力联合作用结果，使旧钢轨轨头内产生 2～7mm 深的塑性区，并且在纵向负 蠕滑率作用下，塑性区向上向前产生碾压变形基础单波，同时踏面经过不均匀磨耗和压宽， 由单波发展成多波，从而导致波形磨损的发生和发展。在轮轨系统中，影响钢轨波磨形成的 因素很多， 大致分为两类 一是轮对的扭转粘滑振动的强度， 它决定了是否会形成钢轨波磨； 二是在车辆运行条件下，钢轨波磨是否会进一步发展，是加速还是减缓波磨的发展，则取决 于轨道弹性和阻尼、机车车辆及其走形部构造特性、曲线半径、轮轨间粘着系数及轮轨蠕滑 力特性曲线、轨道不平顺等因素见图 1。 图１ 波磨示意图 2 1.2 侧磨机理 钢轨侧磨发生在小半径曲线的外股钢轨上， 是目前曲线上伤损的主要类型之一。 列车在 曲线上运行时， 轮轨的摩擦与滑动是造成外轨侧磨的根本原因。 当机车车辆在直线轨道上运 行时，一般轮轨间仅为一点接触，但列车通过小半径曲线时，外轮缘与外轨的轨距线相互贴 靠，产生两点接触现象，并在该点上产生钢轨对车轮的导向力。与此同时，轮轨接触点上的 轮对运行方向与轨距线的切线方向形成一个冲角α， 轮缘将缘着切线方向对轨头边缘不断削 磨，产生侧磨。侧磨的大小可用导向力与冲角的乘积即磨耗因子来表示。因此，导向力和冲 角是决定钢轨侧磨大小的两个主要因素。疲劳裂纹图、钢轨外轨磨耗示意图分别如图 2、图 3 所示。 图 2 滚动接触疲劳裂纹 图 3 钢轨外轨磨耗示意图 2 曲线钢轨磨耗的影响因素分析 3 曲线钢轨磨耗的影响因素存在于轨道和机车两个方面。从轨道方面而言，影响因素有 曲线半径、 外轨超高、 曲线轨距加宽， 轮轨间的摩擦系数、 轮轨游间以及曲线状态的好坏等； 从机车方面而言，影响因素有机车的类型、轴重、机车转向架构造、机车牵引性能以及行 车速度。 2.1 轨道参数对钢轨磨耗的影响 2.1.1 曲线半径大小的影响 钢轨曲线段车轮与钢轨相互作用产生对列出轮对的导向作用， 车轮与钢轨产生相互间的 粘着、蠕滑，轮轨的磨耗和损伤十分严重。而且半径越小，钢轨磨耗越严重。表 1 列出了某 地铁线路小曲线半径处的钢轨磨耗实测数据。 表 1 小曲线半径对磨耗影响表 2.1.2 轨距 如图 4 所示δDA-DB/4n S δ q n 为踏面斜率；D 为滚动圆直径 如果轨距变大，则游间δ增大（轮轨游间值为轨距与轮对宽度之差） 。列车进入曲线时， 运行的蛇形幅度变大， 列车左右摆动加强， 作用于钢轨的横向力增大， 轮轨间撞击力也变大， 从而加剧轮轨磨耗和轨道变形。现场试验表明，适当减小轨距，可以改善机车车辆通过曲线 的条件，使两轮的滚动半径差增大，滑动力减小，轮缘与外轨侧面之间的摩擦力也就减小， 同时车体横向摇摆减弱，轮轨导向力也适当减小，从而减轻侧磨见图 4。 4 图 4 两车轮滚动半径 2.1.3 超高 由于超高影响导向力和冲角的变化， 因而直接影响钢轨轨头侧磨速率的大小。 经过对欠 超高与过超高对曲线钢轨侧磨的影响的大量观测试验表明， 有着适当的欠超高对减缓钢轨侧 磨是有利的。 表 2 超高对侧磨影响表 北京铁路局与北方交大合作也曾对此进行长期研究， 并在石家庄至太原铁路线小半径曲 线地段建立了实验观测段。如表 2 所示，试验段实测的列车平均速度为 v78km/h，曲线半 径 R600m。按传统的超高公式计算的平衡超高为 h120mm。实测侧磨量数据表明，在平衡超 高时钢轨侧磨量最大， 试验同时也表明在小于平衡超高时钢轨侧磨量最小， 得到了与其上相 同的结论。各方专家研究表明，按平均速度算得的超高减少 15来设置曲线超高是比较合理 的。 5 2.1.4 轨底坡 对轮轨接触几何关系的研究表明， 轮轨接触角不同时， 轮对中心将偏离轨道中心线以不 同的滚动半径运行。加大内轨轨底坡，减缓外轨轨底坡，可加大内外轮滚动半径差，减小车 轮在外轨上的滚动距离，从而达到减缓侧磨的目的。石太线对 R300m 的两曲线改变轨底坡 后，月均侧磨实测数据如表 3 所示。分析结果表明，曲线内轨轨底坡加大，曲线外轨轨底坡 减小，将会减少轮对通过曲线时的轮轨滑动量，进而有利于减缓曲线钢轨磨损。 表 3 轨底坡对侧磨影响表 2.1.5 曲线圆顺度 曲线钢轨不均匀侧磨的形成与曲线的圆顺度有关系。 曲线不圆顺就意味着曲线半径不一 致，有的所处半径变大，有的所处半径变小。小半径曲线钢轨磨损严重，大半径曲线钢轨磨 损较轻，从而形成不均匀磨损，减少钢轨的使用寿命。曲线圆顺度的不良直接引起轮轨横向 力及导向力的改变，在圆顺度不良曲线范围内的后四分之一段，其导向力和冲角增大较多， 钢轨侧磨加剧。 因此， 进行拨道使曲线圆顺及整治接头和消灭硬弯是防止不均匀磨耗的有效 措施。 2.2 钢轨材质对磨耗的影响 由于各条线路的钢轨情况不同， 所以影响轮轨磨耗的程度也不尽相同。 各国铁路部门都 在增加钢轨重量和提高钢轨技术性能两方面下功夫。 据德国文献资料， 速度由 120km/h 提高 到 160km/h 时钢轨应力增加 10.8，这就需要增加钢轨的重量和改善钢轨的性能。石家庄工 务段在石太线上行 23 个曲线的 6.745km 线路上铺设各种高强度、高硬度钢轨，磨耗情况如 表 4 所示。高强度钢轨能有效延长钢轨的使用寿命，故改进钢材的生产工艺，保证钢轨质量 的均一性，对减缓钢轨磨耗可以起很大的作用见表 4。 6 表 4 钢轨材质对磨耗影响表 3 曲线钢轨磨耗的减缓措施 3.1.1 轮轨润滑 列车在曲线段上行驶，在轮轨接触面涂油，可以降低滑动摩擦因素，大大降低摩擦力， 达到减缓钢轨磨耗的目的。 轮轨涂油的效果已为国内外的铁路运营实践所证实。 根据美国的 试验资料，涂油后钢轨侧磨量降至原来的 1/5～1/7，效果非常明显。为了减缓轮缘与轨头 侧向磨损，可采用轮缘和钢轨轨头工作边润滑方法。 1人工涂液态油 人工涂油只能使用液态油，用量难于控制。油渗入疲劳纹将加速疲劳纹的发展，同时加 大了车轮横向滑动。因此已经较少采用人工涂油。 2