基于輪軌作用關系的鋼軌養護研究

摘 要:本文基于輪軌作用有限元示意圖，利用ANSYS大型有限元分析軟件計算輪軌接觸應力，并得出鋼軌的疲勞傷損和磨耗傷損的主要表現，并在此基礎上提出了鋼軌的幾點養護方法和策略，以期待對我國鐵路部門的鋼軌保養提供有益的幫助。

關鍵詞:輪軌作用 ANSYS 鋼軌養護

中圖分類號:U216文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)01(b)-0108-01

1 計算輪軌的接觸應力有限元模型

為了真實反映出實際運用中輪軌接觸的應力狀態，以HESA新造車輪、RE2A車軸、60kg/m鋼軌的幾何尺寸建立模型，輪對滾動圓間距1493mm，軌距1435mm，鋼軌軌底坡1∶30。

2 輪軌接觸應力計算結果

通過ANSYS大型有限元分析軟件，發現輪軌接觸面上切向作用力的提高導致次表面下最大剪切應力τmax和vonMises等效應力σe迅速增大，并且最大應力的位置隨著摩擦力的增大向接觸表面靠近，如圖1所示。F1和F2分別表示輪軌接觸斑上縱向和橫向切向力，從圖可知最大接觸應力位置幾乎到達接觸表面，這易導致接觸表面材料塑性流動、開裂或嚴重磨損。

鋼軌滾動接觸疲勞和由此形成的軌頭剝離，多發生于軌頂面、曲線內股鋼軌的軌距角、以及外股鋼軌的軌頂面。這些區域是輪軌接觸較為頻繁的區域。由于僅有100多mm2的輪軌接觸區面積，輪軌接觸區內因強大的車輪荷載產生較大的輪軌接觸應力。當接觸應力超過鋼軌的疲勞屈服極限，就會引起鋼軌表面或亞表面萌生滾動接觸疲勞裂紋。

3 鋼軌養護

結合輪軌作用的力學分析、鋼軌疲勞傷損和磨耗傷損的主要表現，并考慮目前難以從根本上控制鋼軌側磨的產生，只能靠后天的整修手段來減緩其形成和發展的速度，以及鋼軌整個服役壽命期的傷損發展情況，提出鋼軌全養護方法有:

(1)優先考慮鋪設重型軌，并改善鋼軌材質。加強曲線涂油并優先使用輪緣涂油器，是減緩曲線側磨的有效途徑之一。通常在側磨量達到5～6mm時進行涂油，才起到效果。超高設置的合理與否，與曲線側磨有很大關系。普遍認為，采用比平均速度設置的超高再小10%左右為宜。加強小半徑曲線養護維修，保證良好的軌道狀態。增大曲線半徑可減小曲線側磨。加強線路綜合養護維修，特別是要認真計算正矢和徹底撥正曲線方向，保持曲線圓順，增強鋼軌穩定性，使軌道具有良好的幾何尺寸，有利于延長鋼軌穩定磨耗時間，消除不正常磨耗，從而延長鋼軌使用壽命。通過減小軌距加寬，有利于曲線側磨減少。

(2)部分鐵路軌道區段會出現剝落掉塊、焊縫鞍形磨、肥邊、擦傷等由于經過長期的運營。同時軌頭表面因為冷作硬化，出現軌道表面金屬的破壞等缺陷。此外曲線地段還會出現波磨。從國內外的研究和實踐來看，鋼軌的期打磨可以消除和延緩磨耗的發展、消除鋼軌表面的接觸疲勞層，防止剝離掉、對斷面打磨還可以改善輪軌接觸條件，降低接觸應力。

(3)鋼軌軌頭質量標準是控制鋼軌壽命的前提，主要包括鋼軌初始質量和鋼軌臨界允許質量。在新軌上道后，采用鋼軌打磨、銑磨設備對鋼軌進行預整形，消除鋼軌生產及運輸過程中產生的原始不平順、軌頭表面脫碳層及軌頭表面殘余應力層，盡量減小軌頭表面的原始粗糙度;同時，根據輪軌接觸關系理論，通過新軌預整形作業實現與車輪外形配合良好的軌頭橫截面外形。其目的是提供平順的鋼軌運行表面和良好的輪軌接觸關系，修正鋼軌初始不平順、從而延遲鋼軌滾動接觸疲勞裂紋的萌生時間及磨耗的發生時間。適當減少軌距，將減小沖擊角和蛇形運動，對減少鋼軌側磨有利。對鋼軌進行合理涂油，降低磨擦系數，可以減緩磨耗。

(4)新軌經過預整形作業后，以鋼軌初始質量投入使用。隨著線路通過總重的累積，鋼軌軌頭逐漸發生磨耗傷損、疲勞裂紋傷損，甚至是兩種傷損的結合，軌頭質量逐漸下降。這時就要采用相應的技術和設備對軌頭質量進行定期檢測，記錄軌頭磨耗變化、軌頭外形變形、波磨發展或軌面疲勞裂紋擴展等信息，從而掌握軌頭質量的惡化情況，及時修理。

(5)當軌頭質量下降，鋼軌磨耗出現但還未嚴重發展，或者疲勞裂紋萌生但尚未大面積擴展時，就可以對軌頭進行預防性整形。預防性整形因為軌頭磨耗或裂紋情況尚不嚴重，所以對軌頭的金屬磨削量較少，從而可快速進行作業，不僅縮短了對線路正常運營的干擾，而且可以較好地恢復軌頭外形，改善輪軌接觸關系，容易地消除軌面輕微疲勞層或波磨。軌頭質量通過預防性整形作業后將會恢復到接近鋼軌初始質量。

(6)隨著通過總重的累積，鋼軌軌頭繼續經歷傷損發展、檢測和整形的循環過程。直到軌頭質量惡化到臨界允許質量。這時的軌頭經過人工打磨或銑磨和自然的輪軌磨耗，已經沒有足夠的金屬量保持軌頭強度和支撐車輪運行，因此必須進行換軌作業。新軌上道后，根據原來舊軌全壽命階段的養護維修歷史數據，結合線路條件、列車運行狀況、鋼軌潤滑條件等，就可以修正鋼軌軌頭質量控制標準，制訂新軌的檢測周期和預防性整形的作業周期等參數，從而預測新軌壽命，進一步優化鋼軌養護策略。

參考文獻

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