軌底坡和軌頭廓面對鋼軌接觸疲勞傷損的影響研究

鄧建輝，陳朝陽，鄧 勇，劉豐收

(1.攀鋼集團研究院 材料研究所，四川 攀枝花 617000;2.中國鐵道科學研究院 金屬與化學研究所，北京 100081)

鐵路的曲線路段鋼軌為滿足輪軌接觸狀態良好，降低輪軌接觸應力，保證列車平穩運行，需設置軌底坡，我國在20世紀60年代中期將軌底坡由1∶20改為1∶40，一直沿用至今。

本文對我國目前60 kg/m鋼軌在1∶20和1∶40軌底坡條件下與LM型貨車車輪的接觸狀態進行了分析，并進行了60 kg/m軌型鋼軌1∶20軌底坡的鋪軌試驗;還對美國07版136RE牌號鋼軌與LM型貨車車輪的接觸狀態進行了研究，并進行了1∶40軌底坡的鋪軌試驗，研究軌底坡和軌頭廓面對鋼軌接觸疲勞傷損的影響。

1 軌底坡和軌頭廓面對輪軌接觸狀態的影響

1.1 軌底坡對輪軌接觸狀態的影響

曲線上股鋼軌的超高不變，當上股鋼軌的軌底坡不同時，鋼軌的接觸疲勞傷損程度不同。

我國目前普遍使用的貨車車輪是LM型，結合我國60 kg/m鋼軌標準輪廓，分別對曲線上股鋼軌在1∶40和1∶20軌底坡狀態下的輪軌接觸匹配狀態進行分析，結果表明，在1∶40軌底坡狀態下的輪軌接觸斑面積明顯小于1∶20軌底坡(見圖1)，在線路其他條件不變的情況下，曲線上股鋼軌采用1∶20軌底坡時見圖2，增大了鋼軌踏面的輪軌接觸面積。參考文獻［1］中60 kg/m鋼軌1∶40軌底坡與LM型車輪匹配，在相同軸重條件下其接觸應力是1∶20軌底坡的2.015倍，說明在1∶40軌底坡輪軌接觸斑面積明顯小于1∶20軌底坡的輪軌接觸斑面積。輪軌接觸斑面積減小，接觸應力增大，加劇鋼軌的接觸疲勞傷損。

圖1 我國60 kg/m新鋼軌輪軌接觸(1∶40 軌底坡，鋼軌傾斜 1.43°)

圖2 我國60 kg/m新鋼軌輪軌接觸(1∶20 軌底坡，鋼軌傾斜 2.86°)

1.2 軌頭廓面尺寸對輪軌接觸狀態的影響

為研究軌頭廓面尺寸對輪軌接觸狀態的影響，選取美國07年版136RE牌號鋼軌與LM型車輪匹配，與60 kg/m鋼軌進行對比，結果表明在1∶40軌底坡時，美國07年版136RE牌號鋼軌輪軌接觸狀態與我國60 kg/m鋼軌在1∶20軌底坡的輪軌接觸狀態相當，見圖3。說明美國07年版136RE牌號鋼軌的軌頭廓面設計比60 kg/m鋼軌合理。兩者的差別在于美國07年版136RE牌號鋼軌的踏面圓弧為203.2 mm，我國60 kg/m鋼軌的踏面圓弧為300.0 mm。我國60 kg/m鋼軌如果在軋制時出現鋼軌踏面負公差，鋼軌踏面就更平(沒有上“凸”顯現)，則車輪與鋼軌踏面就不易接觸，形成只有軌上圓角區域接觸，其輪軌接觸斑就會明顯減小，輪軌接觸應力就會明顯增大。

圖3 美國07版136RE新鋼軌輪軌接觸(1∶40 軌底坡，鋼軌傾斜 1.43°)

2 鋼軌接觸疲勞傷損觀測試驗

2.1 軌底坡改變鋪軌試驗

為了研究不同軌底坡對鋼軌接觸疲勞傷損的影響，在南昆線鋼軌接觸疲勞傷損突出的曲線分別進行1∶40和1∶20軌底坡的鋪軌試驗(1∶40軌底坡是現行規程)，采用軌底橡膠墊板來實現不同的軌底坡的調整。試驗鋼軌為1 100 MPa級熱處理鋼軌和U75V熱軋鋼軌，鋪設路段參數見表1。該試驗段前期使用的U75V熱軋鋼軌接觸疲勞傷損突出，見圖4。1∶40軌底坡的輪軌接觸斑面積比1∶20軌底坡小，相應的接觸應力增大。接觸應力增大，其鋼軌的接觸疲勞傷損加劇，反之，鋼軌的傷損減輕。

表1 試驗鋼軌鋪設路段情況

圖4 試驗段前期1∶40軌底坡的U75V鋼軌

試驗鋼軌于2008年8月鋪設，至2010年3月鋼軌使用19個月，對鋼軌的使用情況調查結果表明:1∶20軌底坡時輪軌接觸光帶比1∶40軌底坡時寬約10 mm，見表2。并且1∶20軌底坡的鋼軌接觸疲勞傷損明顯比1∶40軌底坡的輕。試驗的U75V熱軋鋼軌與該路段前期在1∶40軌底坡條件下使用的U75V鋼軌比較，接觸疲勞傷損明顯減輕，僅在個別鋼軌的局部出現輕微的接觸疲勞剝離傷損，絕大部分鋼軌輪軌作用面光亮。

軌踏面輪軌接觸光帶增寬，表明輪軌接觸狀態更好，有利于減小輪軌接觸應力，減輕鋼軌的接觸疲勞傷損。

同牌號鋼軌在同路段的不同軌底坡條件下使用，接觸疲勞傷損程度明顯減輕，表明了軌底坡對其輪軌接觸狀態和鋼軌接觸疲勞傷損的影響。上股鋼軌在1∶20軌底坡狀態下其鋼軌的傾斜角大于1∶40軌底坡鋼軌的傾斜角，這就有利于車輪與鋼軌踏面的接觸，從而增寬鋼軌的輪軌接觸光帶。

鋪軌試驗結果表明，1∶20軌底坡條件的鋼軌接觸疲勞傷損明顯比1∶40軌底坡輕，說明在目前60 kg/m鋼軌軌頭輪廓尺寸狀態下，軌底坡由現行的1∶40改為1∶20，可有效減輕鋼軌的接觸疲勞傷損。

2.2 按美國136RE牌號生產的SS鋼軌鋪設試驗

在1∶40軌底坡條件下美國07版136RE牌號鋼軌與LM型車輪的接觸狀態與我國60 kg/m鋼軌在1∶20軌底坡條件下接觸狀態相當。同樣在1∶40軌底坡條件下，美國07版136RE牌號軌型鋼軌的接觸疲勞傷損比60 kg/m鋼軌損傷輕。

在京包線上行線進行了攀鋼按美標136RE牌號生產的SS鋼軌的鋪軌試驗。試驗段線路曲線半徑為610 m，年運量160 Mt，試驗段原有線路參數均不變，鋪設SS鋼軌，而該路段前期使用的是60 kg/m U75V熱軋鋼軌，接觸疲勞傷損和磨損突出，使用約一年就因傷損突出而下道。

SS熱軋鋼軌的抗拉強度 Rm≥980 MPa，延伸率 A≥10%，鋼軌性能指標與我國U75V熱軋鋼軌相當，屬于同一強度級別。試驗鋼軌于2007年10月鋪設，采用1∶40軌底坡，鋼軌使用36個月，整體使用狀態較好，幾乎未出現接觸疲勞傷損，最大側磨約12 mm。與前期使用的我國60 kg/m U75V鋼軌比較，使用時間已經延長了2年，而且鋼軌還能使用一段時間。

表2 不同軌底坡和不同使用周期的鋼軌踏面輪軌接觸光帶比較

2.3 觀測結果分析

1)通過對1∶40和1∶20軌底坡的輪軌接觸狀態分析，我國60 kg/m鋼軌與LM型貨車車輪接觸條件下，1∶20軌底坡的輪軌接觸斑面積明顯大于1∶40軌底坡的接觸斑面積，1∶20軌底坡的輪軌接觸應力比1∶40軌底坡狀態減小一倍［1］。輪軌接觸應力減小，有利于減少鋼軌的接觸疲勞傷損。

2)對美國07年版136RE牌號鋼軌與LM型車輪的接觸匹配狀態分析表明，軌底坡在1∶40狀態下，其輪軌接觸狀態與60 kg/m鋼軌在1∶20軌底坡條件的輪軌接觸狀態相當，美國07版136RE鋼軌的軌頭廓面尺寸設計對減小接觸應力有利。

3)將軌底坡由1∶40改為1∶20后，增大了鋼軌的傾斜度，相當于增大軌踏面的“凸”度，或者說相當于增大了軌踏面的圓弧曲率，在線路其它參數不變的條件下，改善了輪軌接觸狀態，增大了輪軌接觸斑面積，由此減小輪軌接觸應力，減輕鋼軌的接觸疲勞傷損。

由表2可見，同樣的 60 kg/m 1 100 MPa鋼軌，使用時間相同，1∶40軌底坡的鋼軌踏面輪軌接觸光帶寬度比1∶20軌底坡的小約10 mm，輪軌接觸光帶寬度小，表明輪軌接觸斑面積小，輪軌接觸應力增大。

同樣是 U75V鋼軌，軌底坡由1∶40改為1∶20后，鋼軌的接觸疲勞傷損明顯減輕。表明在目前的60 kg/m鋼軌軌頭廓面尺寸條件下，在曲線路段采用1∶40的軌底坡不是很合理。

SS鋼軌在相同的路段所有線路參數均不變的情況下，仍是1∶40軌底坡，鋼軌使用36個月，其接觸疲勞傷損和磨損均明顯輕于前期鋪設的60 kg/m U75V鋼軌，鋼軌的實際使用壽命延長了2年。

鋼軌的接觸疲勞傷損與鋼軌的抗接觸疲勞強度有關，抗接觸疲勞強度越高、越不易產生接觸疲勞傷損，而鋼軌的抗接觸疲勞強度又隨鋼軌的抗拉強度提高而提高。136RE牌號 SS鋼軌的強度與我國60 kg/m U75V鋼軌屬于同一級別，所以其抗接觸疲勞強度應該是相當的。在相同線路條件下、同性能的鋼軌出現不同程度的接觸疲勞傷損，主要是由于不同的軌頭廓面尺寸導致的輪軌接觸斑面積和接觸應力的變化所致。

據資料顯示，美國的136RE牌號鋼軌軌型在2005年版的基礎上，2007年又進行了改進，制訂了2007年版的136RE軌型標準。而我國鋼軌的軌型標準幾十年沒變過。

［2］指出1965年起實行1∶40的軌底坡后，在一些小半徑曲線路段鋼軌接觸疲勞傷損有所增加，軌底坡為1∶40的鋼軌使用一段時間后，其軌頭斷面幾何形狀趨于1∶20軌底坡的斷面形狀，即相當于軌底坡改變成了1∶20。這主要是鋼軌磨損后形成的。

從上述分析可見，軌底坡參數和軌頭廓面尺寸對鋼軌的接觸疲勞傷損有直接影響，在目前的我國60 kg/m鋼軌軌頭廓面尺寸條件下，曲線路段采用1∶20的軌底坡是合適的，也有必要參考美國136RE牌號鋼軌的軌頭廓面尺寸，對我國鋼軌軌頭廓面尺寸進行優化。

3 結語

1)通過研究分析，在我國目前的60 kg/m鋼軌軌型條件下，采用1∶20的軌底坡與LM型車輪匹配其輪軌接觸斑面積大于1∶40軌底坡，鋪軌試驗結果為1∶20軌底坡的鋼軌接觸疲勞傷損比1∶40軌底坡明顯減輕。由此表明了軌底坡參數對鋼軌接觸疲勞傷損的影響。

2)美國07版136RE牌號鋼軌和我國60 kg/m鋼軌與LM型車輪接觸匹配，前者的軌頭廓面尺寸更有利于輪軌接觸斑面積的增大。鋪軌試驗也表明在相同的線路條件下，前者的接觸疲勞傷損和磨損均減輕，使用壽命延長2年。

3)在目前的60 kg/m鋼軌軌頭廓面尺寸狀態下，曲線路段應采用1∶20軌底坡;或者是對鋼軌軌頭廓面尺寸進行優化改進，以改善輪軌接觸狀態，減少鋼軌傷損。

參考文獻

［1］李霞，溫澤峰，金雪松.鋼軌軌底坡對 LM和 LMA兩種輪對接觸行為的影響［J］.機械工程學報，2008(3):64-69.

［2］趙鏡榮.恢復 1∶20 軌底坡［J］.鐵道建筑，1990(3):27-29.

［3］司道林，王繼軍，孟宏.鋼軌軌底坡對重載鐵路輪軌關系影響的研究［J］.鐵道建筑，2010(5):108-110.