小半徑曲線鋼軌磨耗研究

吳 野 上海鐵路局南京橋工段

1 引言

曲線是軌道三大薄弱環(huán)節(jié)之一，特別是半徑小、坡道大的曲線隨著列車(chē)運(yùn)量的增大、速度的提高，小半徑曲線外股鋼軌側(cè)面磨耗加快。為了適應(yīng)鐵路運(yùn)輸發(fā)展的要求，延長(zhǎng)曲線更換磨耗鋼軌的周期，減少養(yǎng)護(hù)維修的工作量，降低運(yùn)營(yíng)成本，分析及防治小半徑曲線外股鋼軌側(cè)面磨耗，已成為線路維修工作中急需解決的重要課題之一。

鋼軌的傷損主要包括銹蝕、磨耗和折斷等，其中尤以鋼軌磨耗最為嚴(yán)重。鋼軌磨耗包括垂直磨耗和側(cè)面磨耗，垂直磨耗一般情況下是正常的，側(cè)面磨耗是我國(guó)現(xiàn)階段最為突出的傷損類(lèi)型，它屬于塑性變形磨損、粘著磨耗和疲勞磨耗的綜合機(jī)理，最終形態(tài)猶如切削。側(cè)磨主要發(fā)生在小半徑曲線上，由于鋼軌對(duì)列車(chē)輪對(duì)的導(dǎo)向作用，車(chē)輪與鋼軌產(chǎn)生粘著、蠕滑和滑動(dòng)，造成曲線上股嚴(yán)重側(cè)磨，在半徑較小，坡道大的小半徑曲線上，鋼軌的側(cè)向磨耗就更為嚴(yán)重。我段管轄的寧蕪線及部分支正線小半徑曲線，由于設(shè)計(jì)等級(jí)較低，線形條件不良，個(gè)別小半徑曲線的換軌周期非常短，有的7～8 個(gè)月就得下道，而且這些換軌周期完全由鋼軌的側(cè)磨來(lái)控制。有資料顯示小半徑曲線上的鋼軌有95%是由于側(cè)面磨耗超限而下道的，嚴(yán)重的鋼軌磨耗減小了鋼軌的強(qiáng)度，加劇了鋼軌的傷損，縮短了鋼軌的使用壽命，不僅浪費(fèi)大量的資金，而且還干擾運(yùn)輸任務(wù)的完成。因此減緩小半徑曲線鋼軌磨耗的速率，從而延長(zhǎng)鋼軌使用壽命具有重大的現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

2 曲線磨耗造成的主要病害

(1)鋼軌極易受傷，由輕傷發(fā)展到重傷。鋼軌側(cè)磨、波磨及接頭傷損是小半徑曲線常見(jiàn)的病害，尤其是側(cè)磨，是小半徑曲線最突出的傷損類(lèi)型。

(2)軌道幾何尺寸易超限，小半徑曲線上高低、軌距、正矢相對(duì)其他線路容易發(fā)生變化，保持的周期短，特別是軌距擴(kuò)大病害相當(dāng)普遍，并且隨著鋼軌側(cè)磨的增加而逐漸加劇。

(3)聯(lián)接零件易松動(dòng)且破損率高，小半徑曲線上聯(lián)接零件承受的沖擊力和橫向作用力都比較大，在相同扭力距的情況下，小半徑曲線聯(lián)接零件容易松動(dòng)，當(dāng)沖擊力和橫向力達(dá)到一定值時(shí)易造成夾板及接頭螺栓折斷、混凝土枕立螺栓失效、枕木道釘浮離、軌距桿折斷、軌掌壓裂、尼龍座擠碎、軌枕?yè)跫缙茡p等病害。

3 曲線磨耗原因分析

小半徑曲線病害的產(chǎn)生與鋼軌受力有著直接關(guān)系。當(dāng)列車(chē)在曲線地段運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的力十分復(fù)雜。通過(guò)力的分析，可將列車(chē)作用于鋼軌上的力分為3 個(gè)方向，即豎直方向、水平橫向以及水平縱向。作用于鋼軌上豎直方向分力的構(gòu)成上，列車(chē)通過(guò)小半徑曲線通常會(huì)出現(xiàn)兩點(diǎn)接觸的情況，輪軌間存在著較大的橫向力作用，導(dǎo)致幾何形狀發(fā)生改變，有效截面減小。另外，由于軌面幾何尺寸不可能始終處于良好狀態(tài)，特別是軌距、正矢(或曲線方向)不良，這對(duì)鋼軌側(cè)面磨耗影響很大，也是引起曲線不均勻側(cè)磨的主要原因。不均勻側(cè)磨長(zhǎng)度一般3 m～10 m之間，長(zhǎng)短不一，大者甚至間隔幾十米。在磨耗形成的開(kāi)始階段，磨耗速率很小，約每月0.1 mm 左右，主要是軌面淬火層未被完全破壞，不均勻磨耗框架還小；列車(chē)蛇形運(yùn)動(dòng)對(duì)鋼軌的沖擊力較小；當(dāng)磨耗達(dá)到4 mm 以后，磨耗速率明顯大，軌面淬火被完全破壞，不均勻磨耗框架變大，列車(chē)蛇形運(yùn)動(dòng)對(duì)鋼軌的沖動(dòng)力增大；曲線鋼軌側(cè)磨往往在多種原因的復(fù)合作用下形成，每一種原因只是引發(fā)磨耗的誘因，只是原因主次不同。

（1）曲線超高設(shè)置不合理的影響。曲線超高設(shè)置應(yīng)根據(jù)實(shí)際通過(guò)的列車(chē)對(duì)數(shù)和實(shí)際通過(guò)的車(chē)速來(lái)確定。而事實(shí)上車(chē)速和通過(guò)對(duì)數(shù)是在不斷變化的，超高數(shù)值的合理性很難確定。超高偏大，車(chē)輪在向心力作用下撞擊磨擦下股鋼軌，從而逐漸形成下股鋼軌側(cè)磨和垂磨出現(xiàn)，超高偏小，車(chē)輪在離心力作用下撞擊磨擦上股鋼軌，上股鋼軌磨耗逐漸形成。

（2）線路結(jié)構(gòu)狀態(tài)及軌面幾何尺寸不良的影響線路結(jié)構(gòu)狀態(tài)不良是指：道床板結(jié)、翻漿；軌枕失效、空吊；扣件離縫、扭矩不足；鋼軌打疤、掉塊、低頭、擦傷、鞍磨等。軌面幾何尺寸不良是指：線路上存在著大的方向、高低、軌距、水平、正矢等超限處所。上述病害如集中于曲線地段，就會(huì)加速磨耗的形成發(fā)展。

（3）軌底坡的影響。軌枕預(yù)留軌底坡是l／40，用于直線地段是合適的，而在曲線地段，由于超高的作用，使車(chē)輪踏面與鋼軌頂面未全部接觸，車(chē)體荷載就集中于鋼軌內(nèi)頂接觸面，對(duì)鋼軌破壞很大，容易形成磨耗。只有增大軌底坡，方可消除偏載作用。

（4）車(chē)體本身的影響。車(chē)輪面對(duì)鋼軌的沖擊摩擦，使其踏面形成不均勻磨耗，從而使列車(chē)進(jìn)行蛇形運(yùn)動(dòng)，沖擊鋼軌，助長(zhǎng)磨耗的形成。另外，車(chē)體與車(chē)體、車(chē)體與輪對(duì)之間連接不牢固，增加列車(chē)的晃動(dòng)，也會(huì)助長(zhǎng)磨耗的形成。

4 曲線磨耗整治措施

4.1 合理設(shè)置曲線超高

結(jié)合綜合維修對(duì)超高進(jìn)行調(diào)整，最好利用大機(jī)維修對(duì)曲線超高進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整前要對(duì)通過(guò)對(duì)數(shù)和列車(chē)通過(guò)速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)超高設(shè)置進(jìn)行重新?lián)Q算，特別對(duì)鋼軌出現(xiàn)傷損異常的曲線要做重點(diǎn)測(cè)速，為克服過(guò)去人工測(cè)速誤差大的問(wèn)題，可與機(jī)務(wù)段聯(lián)系，調(diào)用其機(jī)車(chē)監(jiān)控議的速度數(shù)據(jù)，既省力、省時(shí)，又保證了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。凡是發(fā)現(xiàn)鋼軌不正常磨耗、曲線撞道嚴(yán)重地段，馬上派人深入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)速。設(shè)置超高時(shí)充分考慮曲線現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況，盡量接近于計(jì)算超高。

4.2 做好曲線的撥道工作，保持正矢不超限

消滅“鵝頭”及“反彎”如果曲線方向不良，就會(huì)形成這樣一種循環(huán)：方向不良一鋼軌不均勻磨耗一曲線橫移、撞道一扣件松動(dòng)失效一軌距及變化率超限一加劇方向不良。為保證曲線方向處于良好狀態(tài)，必須用繩正法計(jì)算撥道量。在撥道時(shí)首先將曲線及兩端的軌縫均勻，并將頭尾的直線方向撥直，如果撥量較大可在大機(jī)作業(yè)前根據(jù)繩正法計(jì)算的撥量進(jìn)行粗撥道，然后再利用大機(jī)進(jìn)行精撥，可以取得更好的整治效果。

4.3 加強(qiáng)曲線的日常保養(yǎng)

保持曲線圓順，減少車(chē)輪對(duì)鋼軌的沖擊力(1)保持曲線的幾何尺寸不超限。(2)整治、更換、補(bǔ)充聯(lián)結(jié)零件及扣件，加強(qiáng)兩個(gè)扭矩，防止線路爬行。(3)矯直鋼軌硬彎，消滅鋼軌接頭“支嘴”。(4)提高搗固質(zhì)量，特別要注意搗固均勻一致、搗墊結(jié)合，消滅低接頭硬小腰或高接頭低小腰以及暗坑吊板。(5)徹底整治接頭病害，及時(shí)清篩翻漿冒泥接頭，并換成小石碴以增加其穩(wěn)定性，接頭錯(cuò)口及大軌縫及時(shí)整治，打磨接頭鋼軌倒角以減少鋼軌揭蓋掉塊。

4.4 適當(dāng)改變軌底坡

增加輪軌接觸面積當(dāng)曲線上股鋼軌主要表現(xiàn)為側(cè)磨時(shí)，可在曲線下股墊以l0／14 mm 的坡形膠墊，減少下股鋼軌外傾量，防止因鋼軌外傾造成的軌距擴(kuò)大和沖擊角的增加。

4.5 對(duì)小半徑曲線進(jìn)行技術(shù)加強(qiáng)

（1）可根據(jù)曲線的實(shí)際情況采用增加軌距桿，或在曲線上股外側(cè)增加混凝土軌撐的加強(qiáng)方法。（2）在小半徑曲線上鋪設(shè)淬火軌和Ⅲ型軌枕及相應(yīng)的扣件是小半徑曲線技術(shù)加強(qiáng)的發(fā)展方向。淬火鋼軌具有較高耐磨強(qiáng)度和足夠的硬度。對(duì)曲線上股軌枕外側(cè)擋肩擠壞嚴(yán)重、動(dòng)靜態(tài)檢查病害較多的曲線換鋪Ⅲ型軌枕及相應(yīng)的扣件。（3）堅(jiān)持鋼軌涂油。在曲線上利用鋼軌側(cè)面涂油的辦法可以減緩鋼軌磨耗特別是側(cè)磨，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命1/3 或更長(zhǎng)一些。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析，歸納起來(lái)，對(duì)防治小半徑曲線鋼軌的磨耗上，工務(wù)部門(mén)主要做好一下幾個(gè)方面的工作：

（1）清理路肩，整修排水設(shè)備，使路基排水暢通。

（2）保持道床彈性和排水良好，根據(jù)曲線半徑或線路橫移情況，適當(dāng)加寬曲線外側(cè)碴肩寬度。無(wú)縫線路地段可根據(jù)需要堆高碴肩。

（3）更換接頭失效軌枕，接頭的四根軌枕下墊高彈膠墊。

（4）整修鋼軌坍低接頭，對(duì)馬鞍形磨耗、波形磨耗等要進(jìn)行打磨，側(cè)面磨耗曲線應(yīng)定期涂油。

（5）根據(jù)具體情況，增設(shè)軌距桿及軌撐，必要時(shí)增加防爬器及支撐，杜絕線路爬行。

（6）絕緣接頭采用高強(qiáng)絕緣螺栓（扭力矩保持700 N·m）。

（7）加強(qiáng)搗固及時(shí)消滅空吊板、三角坑等，補(bǔ)足道碴填滿夯實(shí)。

（8）按規(guī)定做好超高及其順坡，使超高順坡均勻曲線圓順。

（9）對(duì)變化較快的曲線，應(yīng)埋設(shè)永久性撥道樁。

（10）小半徑曲線要盡量使用耐磨淬火軌。