從輪軌關(guān)系上分析大站場(chǎng)道岔區(qū)鋼軌磨損的原因及防治措施

張海寧 上海鐵路局阜陽工務(wù)段

1 從輪軌關(guān)系研究道岔區(qū)鋼軌磨損的目的

列車的運(yùn)行、牽引和制動(dòng)都需要通過輪軌的作用才能得以實(shí)現(xiàn)，輪軌作用過程中產(chǎn)生的問題，如輪軌接觸表面剝離現(xiàn)象、垂磨和側(cè)磨、脫軌等問題較為突出，這些問題在阜陽北編組場(chǎng)又較為明顯，尤其在駝峰及編尾道岔區(qū)鋼軌磨耗問題十分嚴(yán)重。這些問題的產(chǎn)生和許多因素有關(guān)，如荷載、運(yùn)行速度、輪軌運(yùn)動(dòng)行為、輪軌接觸表面狀態(tài)（表面粗糙度、污染度、溫度）、輪軌型面、機(jī)車車輛和軌道結(jié)構(gòu)特性等，這些因素影響比重很難從量上搞清楚，本文主要試圖在工務(wù)維修的角度上從輪軌關(guān)系分析大站場(chǎng)道岔區(qū)鋼軌磨損的病害原因及防治辦法。

2 道岔區(qū)輪軌運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生鋼軌磨損的原因分析

2.1 輪軌之間的摩擦力

當(dāng)列車通過道岔時(shí)，由于鋼軌的約束作用和輪對(duì)的自導(dǎo)向能力，使列車運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，則列車巨大動(dòng)量的大小和方向都要發(fā)生改變，所有這些都要通過外輪軌之間的相互作用和導(dǎo)曲線外軌超高來實(shí)現(xiàn)。所以，列車通過道岔時(shí)，外軌很可能會(huì)同車輪輪緣發(fā)生接觸，則機(jī)車輪對(duì)外側(cè)車輪和鋼軌之間的牽引力或粘著力大大降低，輪軌之間的震動(dòng)加劇，導(dǎo)致曲尖軌、導(dǎo)曲軌、岔后渡線鋼軌接觸表面波浪形磨損和側(cè)磨現(xiàn)象十分嚴(yán)重，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是：輪對(duì)是由兩個(gè)車輪和剛性較大的軸裝配組成的一個(gè)整體，輪對(duì)沿鋼軌滾動(dòng)時(shí)，由于軌道不平順等因素的影響，輪對(duì)中心總是存在橫移量，使左右輪沿鋼軌滾動(dòng)的半徑不同，而車輪是整體，具有同一個(gè)角速度，要使兩側(cè)車輪沿鋼軌作純滾動(dòng)，則輪對(duì)就不可能作直線運(yùn)動(dòng)，而輪距和輪緣距是確定的有限尺寸，則鋼軌限制了輪對(duì)的自由運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致左右輪軌之間產(chǎn)生沿縱向的摩擦力，當(dāng)因各種因素使這種摩擦力加大時(shí)，輪緣和鋼軌之間發(fā)生撞擊和摩擦傷損，更嚴(yán)重時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致車輪爬軌，釀成脫軌事故。

2.2 道岔區(qū)軌距過小

（1）道岔直股軌距過?。簷C(jī)車車輛沿軌道運(yùn)行時(shí)，為了避免車輪輪緣與鋼軌側(cè)面經(jīng)常接觸而導(dǎo)致鋼軌軌頭內(nèi)側(cè)磨損，以及便于機(jī)車車輛通過道岔而不導(dǎo)致輪軌之間撞擊破壞，左右車輪的輪緣外側(cè)距離應(yīng)小于軌距，即輪緣外側(cè)和鋼軌內(nèi)側(cè)應(yīng)留有一定的間隙。因此輪對(duì)沿軌道滾動(dòng)過程中可以相對(duì)軌道作橫向運(yùn)動(dòng)和搖頭運(yùn)動(dòng)。輪對(duì)在不同的橫向位移和搖頭角位移的狀態(tài)下，左右車輪和鋼軌之間接觸點(diǎn)的位置不同，于是輪軌之間的接觸幾何參數(shù)也相應(yīng)發(fā)生變化（如圖 1）。

圖1 輪軌運(yùn)動(dòng)過程示意圖

左右輪瞬間滾動(dòng)圓半徑R1和R2，當(dāng)輪對(duì)中心偏離軌道中央位置時(shí)，即輪對(duì)有橫移時(shí)，左右輪實(shí)際滾動(dòng)半徑R1≠R2，且隨輪對(duì)中心橫移和搖頭角的改變而改變。當(dāng)將輪對(duì)視為剛體時(shí)，輪對(duì)繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，各點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度相同，但左右輪接觸點(diǎn)處滾動(dòng)圓半徑不同，接觸點(diǎn)處相對(duì)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度是不同的，所以同一個(gè)輪對(duì)的左右輪在相同的時(shí)間內(nèi)行走過的距離不同。由于左右車輪和車軸聯(lián)結(jié)固定，則鋼軌對(duì)輪對(duì)的運(yùn)動(dòng)起著一定的約束，那么輪對(duì)左右輪軌接觸斑處將會(huì)產(chǎn)生微小的且方向相反的縱向滑動(dòng)，所以當(dāng)軌距過小時(shí)，這種鋼軌約束作用加強(qiáng)，超過輪對(duì)本身能調(diào)節(jié)能力時(shí)，這種縱向滑動(dòng)的趨勢(shì)會(huì)加大，加劇對(duì)鋼軌的磨損。

（2）道岔曲股軌距加寬不夠：機(jī)車車輛進(jìn)入道岔曲股軌道時(shí)，因慣性作用，仍然力圖保持其原來行駛方向，僅當(dāng)前軸外輪碰到外軌，并受到外軌引導(dǎo)，才沿著曲線軌道行駛。這時(shí)車輛的轉(zhuǎn)向架與曲線在平面上保持一定的位置和角度。可能出現(xiàn)三種不同情況：第一種情況是當(dāng)軌距足夠?qū)挄r(shí)，只有前軸外輪的輪緣受到外軌的擠壓力（稱導(dǎo)向力），后軸則居于曲線半徑方向，兩側(cè)輪緣與鋼軌間都有一定的間隙，行車阻力最小；第二種情況是當(dāng)軌距不夠?qū)挄r(shí),后軸（或其他一軸）的內(nèi)輪輪緣也將受到內(nèi)軌的擠壓（圖2），產(chǎn)生了第二導(dǎo)向力，行車阻力較前者增加；當(dāng)軌距更小時(shí),可能出現(xiàn)第三種情況,此時(shí)不但中間某軸內(nèi)輪受內(nèi)軌擠壓，而且后軸外輪也受到外軌擠壓，車輪被楔住在兩軌之間,不僅行車阻力大,甚至可能把軌道擠開，因此部分道岔曲股上軌距必須加寬，若實(shí)際養(yǎng)護(hù)過程中加寬值不夠時(shí)就會(huì)加劇鋼軌的磨損嚴(yán)重時(shí)發(fā)生脫軌。

圖2 道岔曲股軌距受擠壓需加寬

2.3 道岔導(dǎo)曲線欠超過或者反超高

列車在道岔曲股上行駛對(duì)軌道產(chǎn)生離心力，使外軌承受較大的壓力，發(fā)生嚴(yán)重的側(cè)面磨耗，嚴(yán)重時(shí)甚至造成列車傾覆事故。為此，須將外軌抬高一定程度，借助于因車體內(nèi)傾所產(chǎn)生的重力內(nèi)向分力來平衡這種離心力（圖3）。外軌抬高的數(shù)量，稱外軌超高度。由列車通過時(shí)離心力的大小確定。離心力與車速平方成正比，與導(dǎo)曲線半徑大小成反比，因此半徑越小，車速越大，離心力越大，需設(shè)的超高就越大。在車速和導(dǎo)曲線半徑都為已知的情況下，借助于上述各力的平衡關(guān)系，按使兩軌垂直磨耗均等的條件，可得外軌超高的計(jì)算公式為：

式中超高h(yuǎn)以mm計(jì)；速度v以km/h計(jì)；半徑R以m計(jì)。

圖3 外軌超高

在實(shí)際養(yǎng)護(hù)過程中，若道岔曲股欠超高則外股鋼軌磨耗嚴(yán)重，曲股反超高則內(nèi)股鋼軌磨耗嚴(yán)重。

2.4 水平不順

道岔直股地段兩軌應(yīng)保持同一高度，使兩軌負(fù)荷均勻，允許有一定誤差。《鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定，是按線路種類的不同，分別為不大于4～6 mm。軌道不允許有三角坑存在,即在一段不太長(zhǎng)的距離內(nèi),不允許左右兩軌高差交替變化，以致引起車輛劇烈搖幌。對(duì)于不同線路種類,《鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定，在18 m距離內(nèi),不許有超過4～6 mm的三角坑存在。三角坑的存在會(huì)使列車運(yùn)行過程中加大對(duì)直股一側(cè)鋼軌的磨損，過大的三角坑甚至?xí)箓€(gè)別車輪懸空，加大輪緣爬上軌面的可能，而發(fā)生脫軌事故?，F(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)方面因岔心更換等原因往往在道岔轉(zhuǎn)轍部位到岔心部位存在三角坑，直基本軌垂磨、肥邊現(xiàn)象較為突出。

2.5 軌底坡變化

車輪輪箍和鋼軌接觸的面為1/20的圓錐面。為了使車輪壓力的合力線更接近于鋼軌中軸線，以減小偏磨,鋼軌不是豎直鋪設(shè),而是略向軌道中心傾斜。這種傾斜度稱軌底坡。鐵路目前采用1/40的軌底坡（直線地段），其原因是車輪踏面(輪箍和鋼軌接觸的面)經(jīng)過一段時(shí)間的磨耗后,斜度已接近于1/40。阜北編組場(chǎng)編尾P50 1/9木岔枕復(fù)交道岔導(dǎo)曲軌軌底坡是靠軌下墊板斜調(diào)高層來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間機(jī)車運(yùn)行碾壓后斜調(diào)高層磨平，軌底坡變小或不存在。這種情況下鋼軌的磨耗就會(huì)加大，側(cè)磨發(fā)展迅速。

2.6 其它原因

從阜陽北編組場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)修層面來看，道岔軌件的磨損還有其它多方面原因，列如：道岔沖擊角大小、道岔區(qū)焊縫多少、鋼軌材質(zhì)、軌道彈性、列車直逆向進(jìn)入道岔、列車速度、重載運(yùn)輸、溫度、濕度等原因。

3 道岔區(qū)鋼軌磨損的預(yù)防和整治措施

3.1 整治道岔幾何尺寸超限

對(duì)道岔軌距、水平、超高等進(jìn)行全面檢查調(diào)查，綜合作業(yè)消除道岔區(qū)幾何尺寸超限問題，尤其在道岔區(qū)要加強(qiáng)對(duì)軌距的控制，杜絕小號(hào)碼道岔直股軌距小和曲股軌距加寬不夠的問題。

3.2 整治道岔結(jié)構(gòu)病害

（1）對(duì)道岔區(qū)道床進(jìn)行清篩及時(shí)處理翻漿冒泥、更換失效木岔枕、更換失效膠墊增強(qiáng)軌道的豎向彈性。需注意的是木岔枕道岔的豎項(xiàng)彈性強(qiáng)于混凝土岔枕道岔，養(yǎng)修中不可盲目的對(duì)木岔枕道岔區(qū)增加膠墊使木岔枕橫向彈性變化加劇鋼軌的磨損。

（2）在日常養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)中，加強(qiáng)軌枕間距及橫向位移的檢查，按照鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軌枕進(jìn)行方正，調(diào)整軌距塊；及時(shí)更換和補(bǔ)充失效、銹蝕和缺少的軌距擋板；加強(qiáng)車工電聯(lián)合檢查，全面整治大小框架問題；加強(qiáng)扣件養(yǎng)護(hù)工作，及時(shí)復(fù)緊連接零件和更換立螺栓，減少曠動(dòng)間隙；加裝絕緣軌距桿。從而加強(qiáng)道岔區(qū)的平順性，減小幾何層面的輪軌摩擦力。

3.3 鋼軌潤(rùn)滑

鋼軌潤(rùn)滑是一種成本投入少、見效快的有效方法，能迅速減小鋼軌的側(cè)磨，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，現(xiàn)場(chǎng)可在道岔導(dǎo)曲側(cè)磨嚴(yán)重地段進(jìn)行鋼軌涂油。需注意的是潤(rùn)滑劑的成分、性能對(duì)鋼軌的保護(hù)作用起到至關(guān)重要的作用，想要取得鋼軌潤(rùn)滑的做好效果，本質(zhì)在于涂油的材質(zhì)而不在于涂油的數(shù)量。

3.4 加強(qiáng)打磨工作

（1）軌面預(yù)防性打磨。

道岔區(qū)軌件、鋼軌更換時(shí)，新軌在上道使用時(shí)一般有小于0.125 mm的銹皮和軌面不平順，這些原始的不平順是今后出現(xiàn)各種軌頭病害的根源，通過對(duì)新上道的軌件、鋼軌進(jìn)行打磨可使軌面達(dá)到平順、均勻硬化。另外新更換的部分軌件的焊縫通常會(huì)留下0.25 mm的公差，是道岔區(qū)鋼軌的沖擊點(diǎn)，打磨后可消除或減小軌頭焊縫的沖擊作用。

（2）軌面修復(fù)性打磨。

道岔區(qū)軌件、鋼軌出現(xiàn)表面?zhèn)麚p后一般需及時(shí)進(jìn)行整治，目前采用的對(duì)軌面?zhèn)麚p整治的技術(shù)是采用軌面修復(fù)打磨。軌面修復(fù)打磨是對(duì)鋼軌軌面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打磨維修的良好方法，它使修復(fù)后的軌面縱向平順、橫向圓滑，能消除軌面?zhèn)麚p，有效地抑制軌面?zhèn)麚p，是一種十分經(jīng)濟(jì)、合理的維修作業(yè)手段。在阜陽北編組場(chǎng)內(nèi)主要用人工打磨方法進(jìn)行打磨。（備注：隨著技術(shù)的改進(jìn)目前在京九正線采用打磨列車自動(dòng)打磨，打磨的作業(yè)范圍和效率提高很大，能有效的解決高焊縫、魚鱗傷、道岔毛刺等病害。）

4 取得的效果及一些思考

（1）通過輪軌關(guān)系的研究探索，因地制宜的采取針對(duì)性的道岔維修作業(yè)，尤其通過對(duì)道岔區(qū)加強(qiáng)涂油和打磨工作后，軌件、鋼軌的使用壽命明顯延長(zhǎng)了3-5倍，減少了工務(wù)部門的道岔維修費(fèi)用，保證了運(yùn)輸?shù)陌踩?，提高了設(shè)備質(zhì)量。

（2）在阜陽北編組場(chǎng)大站場(chǎng)道岔區(qū)，線性復(fù)雜、荷載較大、道岔沖擊角較大、軌距遞減率較大等因素致使輪對(duì)在沿著鋼軌滾動(dòng)接觸過程中更容易使輪軌發(fā)生磨損，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生脫軌影響運(yùn)輸安全。從工務(wù)的層面上研究輪軌關(guān)系十分必要，尤其是在涂油工作、打磨工作、鋼軌材質(zhì)與輪對(duì)材質(zhì)匹配的問題上需進(jìn)一步加深研究。