軌道衡接頭鋼軌斷裂原因分析及改進

李化林

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

軌道衡是一種可以在鐵路運輸生產過程中精確計量一列或多組車輛中單個車皮重量的計量衡器，因其具有準確度較高、性能穩定、經濟實用的特點而被廣泛應用于各需要對鐵路運輸散裝貨物進行稱重的工礦企業及鐵路部門。一般軌道衡均由承重臺、杠桿系統（稱重傳感器）和示值裝置（稱重顯示器）、計算機、打印機等配套設施構成。當前常見的軌道衡主要有靜態軌道衡、動態軌道衡和輕型軌道衡三種，其中靜態軌道衡和動態軌道衡的應用實例最多。

2 軌道衡在貴溪冶煉廠的應用現狀

貴溪冶煉廠（以下簡稱貴冶）作為全球單廠產能規模最大的銅冶煉廠，每年需通過鐵路運輸進出廠的各類生產原材料和產成品總量達數百萬噸，為便于鐵路運輸物資計量，貴冶根據物資計量需要設置了4 臺靜態電子軌道衡。

由于含銅物料等稀貴金屬的單價高且貴冶是國家一級計量單位，對軌道衡的計量精度要求很高。為既保證軌道衡的計量精確度，又能確保鐵路機車車輛通過軌道衡時的行車絕對安全。在軌道衡建設初期，充分考慮了軌道衡鋼軌（亦簡稱衡軌）與其兩端鐵路線路引軌之間的連接可靠性和垂向可靈活活動性。根據軌道衡廠家的設計和實際運用經驗，貴溪冶煉廠所使用的4 臺軌道衡鋼軌與引軌的連接方式均采用傳統的連接塊鉸接方式進行連接（見圖1）。

圖1 采用傳統方式連接的軌道衡鋼軌及引軌接頭

在衡軌與引軌用連接塊進行鉸接前，將衡軌和引軌相連接一端縱向各取100mm，用切割機在鋼軌外側從軌頭處沿軌腰到軌底進行縱向切除（通常軌頭部分橫向切割量為25mm,實際切割效果及縱向切割示意圖見圖2），待兩連接鋼軌切割完成后通過接頭安裝螺孔分別用2 塊內固定夾板和1 塊外活動連接塊對衡軌和引軌進行鉸接，既符合軌道衡橫向穩定性需求又滿足軌道衡精確計量時軌道衡鋼軌與引軌之間可垂向靈活活動性要求。

圖2 軌道衡鋼軌及引軌縱向切割示意圖

3 軌道衡接頭鋼軌采用傳統方式進行連接所存在的問題

自新30 萬t 銅冶煉項目投產以來，貴冶鐵路運輸總量從290 萬t 逐步攀升到531 萬t 左右，運輸量大幅上升，使軌道衡作業量也同比增加。加劇了衡軌和引軌的疲勞和劣化。近幾年衡軌和引軌接頭處鋼軌經常發生斷裂和崩塌的現象，平均每年每臺軌道衡都會發生1 次鋼軌斷裂或崩塌的故障（見圖3）。因軌道衡鋼軌和引軌的加工制作非常繁雜，每當軌道衡鋼軌或引軌斷裂后，要對其進行修復至少需要1 天以上時間，為確保鐵路行車安全，不得不對發生軌道衡鋼軌或引軌斷裂的軌道衡所處鐵路線路實施封鎖，嚴重影響鐵路物資的檢斤及正常運輸生產組織。為解決衡軌和引軌易出現鋼軌斷裂的問題，現場多次與廠家人員進行溝通和交流，對方均未提出較好的解決方案。

圖3 軌道衡鋼軌及引軌發生斷裂現場照片

而鋼軌作為鐵路線路的重要組成部分，它的主要功能就是直接將行走在軌道上的機車車輛載荷均衡傳遞給軌枕、軌道衡基礎及道砟等。由于在工程結構和機械設備中，疲勞破壞的現象極為廣泛，它普遍存在于每個承受反復荷載的結構部件中，因此疲勞問題是軌道結構中一個古老而又基礎的問題［1］。在鐵路運輸實際過程中，鐵路機車車輛的車輪依次通過鋼軌是一個不連續的過程，在交變荷載的重復作用下，鋼軌會因為疲勞而引起剝離、掉塊、核傷、孔裂、軌頭裂紋等疲勞重傷［1］，一旦鐵路線路出現軌距超限、鋼軌發生斷裂或崩塌等故障時未及時發現，機車車輛正常駛經該區段時將會釀成機車車輛脫線或顛覆等重大安全事故。2000年10 月17 日，一列高速列車以185km·h-1的速度從倫敦的King’s Cross 駛往Leeds 的途中，在通過距倫敦17km、半徑為1460m 的曲線時發生出軌事故。整個列車11 節車廂的后面8 節脫軌，2 節幾乎完全傾覆，另有1 節客車和餐車嚴重損壞。車上共有182 人，4 人死亡，70 人受傷，其中有4 人傷勢嚴重［2］。一例例慘痛的事故教訓，讓軌道衡接頭鋼軌易出現斷裂的缺陷不得不引起高度重視。因此，急需找到軌道衡衡軌和引軌接頭處鋼軌斷裂或崩塌的根本原因，并徹底解決這一問題。

4 軌道衡接頭鋼軌斷裂的具體原因分析

4.1 鋼軌和機車車輛車輪結構外形及輪軌接觸分析

（1） 鋼軌結構外形分析。當前4 臺軌道衡鋼軌及引軌所采用鋼軌均是43kg/m 規格的鋼軌（簡稱43 軌，43 軌的橫截面圖及具體參數見圖4）。一般在鐵路運輸過程中鋼軌直接與鐵路車輛的車輪接觸部分為鋼軌頂端軌頭的踏面部分（鋼軌的各部位具體名稱及叫法見圖2），從圖4 中可以看出鋼軌的踏面為圓弧型平滑表面。

圖4 43 軌橫截面圖及參數

（2） 機車車輛車輪結構外形分析。由于鐵路車輛的轉向只能利用鋼軌對機車車輛的車輪進行引導。在機車車輛通過曲線時，為保證機車車輛的車輪不會發生脫線，鐵路機車車輛的車輪具有一定的錐度且在其最外側設有一定高度的輪緣（見圖5）。

圖5 輪對通過右曲線時的受力示意圖及車輪輪緣踏面外形結構圖

（3）輪軌接觸面受力分析。結合鋼軌和車輪的結構外形來看，鋼軌踏面與車輪踏面都是帶有弧度或錐度的光滑表面，在運行中輪軌接觸面很難實現車輪踏面和鋼軌踏面的整個面都非常密貼，其接觸部位極有可能是某一個小的接觸點、線或局部表面。一般根據輪軌接觸面的功能和設計可以分為軌頂和車輪踏面中心接觸區（區域A）、鋼軌軌角和車輪輪緣根部接觸區（區域B）、鋼軌和車輪外側接觸區（區域C）三個功能區域［3］（見圖6）。

顯然只有盡可能讓輪軌接觸位置發生在軌頂和車輪踏面中心接觸區（圖6 中區域A），接觸狀態為一點接觸較理想［3］，而當前在用的4 臺軌道衡均處于直線區段且鐵路機車車輛通過軌道衡的時速不會超過5km/h，基本滿足輪軌接觸面的理想狀態。

圖6 輪軌可能接觸的范圍及功能分區

（4）衡軌與引軌采用傳統連接方式時被加工區段鋼軌的輪軌接觸面分析。為保證計量準確性，衡軌與引軌采用傳統連接方式時對靠近接頭處的鋼軌進行了L 型切割加工，軌頭部分橫向切割量為25mm、縱向切割量為100mm。從圖7 中可以看出鋼軌軌頭被切割部分并未超過規頂中心線，故可以初步認為采用傳統連接方式對靠近接頭處的軌道衡鋼軌與引軌進行切割加工，對軌道衡鋼軌和引軌的輪軌接觸面并沒有產生改變，其接觸面仍然集中在軌頂和車輪踏面中心接觸區。

圖7 軌道衡鋼軌與引軌進行加工處理前后的輪軌接觸對比

從近幾年軌道衡鋼軌與引軌接頭處出現斷裂現象實際來看，所有出現斷裂的鋼軌均是發生垂向裂紋或斷口，即使出現較大裂紋時也沒有出現橫向位移。實踐證明也印證了軌道衡鋼軌與引軌接頭處的輪軌接觸集中在軌頂和車輪踏面中心接觸區，且鋼軌的主要受力及傳遞方向集中在與水平面垂直的垂向。

（5）衡軌與引軌采用傳統連接方式時被加工區段鋼軌與軌道衡基礎接觸面分析。由于鋼軌在運輸生產過程中主要負責將鐵路機車車輛的重量傳遞給軌枕或軌道衡基礎，與輪軌接觸不同，鋼軌軌底與軌枕或軌道衡基礎的接觸是整個平面的全面接觸（見圖8）。

圖8 軌道衡鋼軌與引軌受力傳遞圖

理想狀態下，在鋼軌加工后鋼軌軌頭部分與車輪的接觸面和受力并沒有發生改變，但鋼軌軌底被切割后其與軌枕或軌道衡基礎的接觸面減少，故軌底與軌枕或軌道衡基礎之間的受力增加。由圖8 中的相關參數可分別計算出N1 和N2 的變化值。經計算,軌道衡鋼軌與引軌在加工后傳遞至軌枕或軌道衡基礎的單位面積受力增加了1.84 倍。

4.2 鐵路機車車輛經過軌道衡鋼軌接頭時的輪軌受力分析

當前貴溪冶煉廠所運用的鐵路線路均是采用此種方式進行連接的有縫線路，為方便鋼軌安裝，標準軌生產時在其兩端分別留有3 個螺栓安裝孔（見圖9）。雖然在后續安裝過程中通過鋼軌接頭的方式能夠整條鐵路線路的連續性，但在標準軌兩端預留安裝孔的方式使原有鋼軌的整體性遭到了破壞。

圖9 鋼軌接頭連接示意圖

一般說來，接頭夾板的斷面面積可達鋼軌斷面的85%～100%的程度，但是其抗彎剛度僅為鋼軌的30%，在同種支承狀態下，其下沉量是母材鋼軌的3 倍。因此，鋼軌接頭是軌道結構的薄弱環節［4］。

根據英國鐵路德比(Derby)技術中心萊昂(Lyon)在理論上建立了余弦型或拋物線型不平順的、在連續彈性基礎上的歐拉(Euler)梁軌道模型(見圖10)，并建立動力方程式對輪軌作用力隨時間的變化而變化的過程進行了計算，根據其結論，由于伸縮鋼軌與夾板間的磨耗、螺栓松動、鋼軌軌端磨耗以及軌縫等會產生沖擊，接頭部分受到很大的沖擊附加動力作用。根據對車輛枕簧下質量加速度的實測資料，這些附加力為正常輪載的2 ～3 倍，嚴重時可達4 ～5 倍［4］。

圖10 歐拉梁軌道動力學模型

4.3 軌道衡鋼軌與引軌接頭錯牙對鋼軌受力造成的影響分析

鋼軌接頭錯牙是指鋼軌接頭處兩軌面存在高度差的非正常接頭［5］。由于軌道衡鋼軌與引軌接頭采用活動連接。當鐵路機車車輛停留在軌道衡上時，軌道衡衡器會整體下降約0 ～3mm，在車輛檢斤過程中會產生接頭高低錯牙。根據鋼軌接頭錯牙的分類一般分為順輪錯牙和迎輪錯牙，從鐵路機車車輛通過軌道衡的過程來看，其駛入軌道衡時為順輪錯牙，駛離軌道衡為迎輪錯牙（見圖11）。

圖11 軌道順輪錯牙及迎輪錯牙示意圖

車輪正向通過迎輪錯牙接頭的沖擊力明顯比逆向通過順輪錯牙接頭時大，在輪軌相互作用中，迎輪錯牙引起的輪軌沖擊力峰值比順輪錯牙要大210.5 kN，錯牙高度越大其引起的輪軌沖擊力越大，鋼軌錯牙高度增加0.5mm 時，輪軌沖擊力最大峰值約增大60 ～90kN［5］。

4.4 鋼軌加工對其原金屬特性及應力結構產生的影響分析

為提高鋼軌的強度，當前使用鋼軌均為U71Mn鋼軌，其中添加的主要成分及含量分別為C 0.72%，Si 0.24%，Mn 1.17%，P 0.019%和S 0.025%，屬于高碳鋼，塑性和韌性值不高。生產廠對U71Mn 鋼軌不進行全長熱處理，是以熱軋態交貨，鋼軌硬度為25 ～28HRC［6］，鋼軌自然冷卻過程中外部較里部冷卻快，其內部會形成一定的應力，一般鋼軌表面比鋼軌里層的強度更高。

對鋼軌進行切割加工時，不僅破壞了原鋼軌的內部應力結構，在鋼軌靠切割面處少部分金屬會因為高溫變成液體，出現碳的富集區并在其里層形成奧氏體。停止切割后在環境溫度和鋼軌基體溫度的影響下切割面快速冷卻，形成了由表至里的馬氏體+萊氏體→馬氏體+殘余奧氏體→珠光體的組織結構特征［6］。而馬氏體和萊氏體組織為硬而脆的非正常組織，極易發生斷裂。通過對近幾年鋼軌出現斷裂的區域進行統計，也印證了這一點。從圖12 中可以看出軌道衡鋼軌與引軌連接部位的斷裂均發生在鋼軌軌頭加工部位及加工面的開孔位置。

圖12 軌道衡鋼軌與引軌接頭斷裂照片

5 軌道衡鋼軌與引軌連接方式的改進優化

通過對采用傳統連接方式對軌道衡鋼軌與引軌進行連接的具體分析，初步認為造成軌道衡與引軌連接接頭處鋼軌斷裂的主要原因歸納起來有以下幾個方面。

（1） 根據傳統連接方式將鋼軌切割一部分后，其軌底與軌枕或軌道衡基礎的接觸面減少，使鋼軌受力增加1.84 倍，加快了鋼軌的疲勞進程。

（2） 鐵路線路中鋼軌接頭只能保持鐵路線路的連續性，無法保證鋼軌的完整性，鐵路機車車輛通過時，接頭部分會受到很大的沖擊，鋼軌接頭受到的附加沖擊力為正常輪載的2 ～3 倍，嚴重時可達4 ～5 倍。

（3） 為保證軌道衡的檢斤精確度，軌道衡鋼軌與引軌之間不能進行剛性連接，鐵路車輛通過軌道衡時，軌道衡整體會有一定的下降使接頭產生錯牙，鋼軌錯牙越大其引起的輪軌沖擊力越大，鋼軌錯牙高度每增加0.5mm，輪軌沖擊力最大峰值就會增大約60 ～90kN。

（4）采用傳統連接方式將軌道衡鋼軌和引軌切除一部分，并鉆孔加工用于安裝連接塊，導致鋼軌原有的應力結構破壞，同時在切割面出現碳富集區使其表面產生脆而硬的非正常組織，加工后的鋼軌易出現斷裂。

考慮到鐵路運輸生產實際，針對初步確認的以上幾點問題，在確保行車安全和滿足軌道衡計量技術要求的前提下，于2015 年初選擇1 號軌道衡進行試點實驗，并從以下幾個方面對鋼軌連接方式進行改進。

（1） 改進鋼軌加工方式，將原鋼軌軌端加工方式由L 型多方向切割改為橫向切割，取消原加工方式在軌道衡鋼軌上的鉆孔，引軌取消臨近軌端55mm 處的第1 處鉆孔，按照通用鋼軌接頭的安裝位置在其它2 個固定安裝孔安裝夾板，確保鋼軌連接部位的軌面強度和軌腰強度不受破壞。

（2） 改變軌道衡鋼軌與引軌連接方式，取消原連接軌道衡鋼軌和引軌的固定連接塊，利用鋼軌普通接頭夾板設計制作新型內外夾板，將鉸接式連接改為非接觸式連接。

考慮到軌道衡鋼軌與引軌接頭處的輪軌接觸及受力集中在垂向，橫向沖擊很小，外夾板長度保持普通夾板原長度510mm 不變，為確保行車安全，外夾板同時起固定及防止軌道衡鋼軌外移的作用，為保證軌道衡檢斤過程中衡器下降時外夾板不會與軌道衡鋼軌發生干涉影響檢斤數據將臨近軌道衡鋼軌處夾板上下接觸面分別切除10mm，內夾板保留長度390mm 只起內外夾板固定作用（見圖13）。

圖13 新設計夾板加工效果圖

（3） 新型夾板安裝在軌道衡鋼軌與鐵路軌道鋼軌相連接的鐵路軌道鋼軌一端，外夾板處于軌道衡鋼軌端軌腰部位部分與鋼軌軌腰貼面保持有3mm游動間隙，使動態連接符合軌道衡鋼軌安裝技術規范（見圖14）。

圖14 改進后的軌道衡與引軌連接效果圖

6 結語

自對1 號軌道衡采用新改進連接方式以來，鋼軌接頭狀態持續保持穩定，在連續使用4 年多的時間后，衡軌和引軌均未出現較大損傷和病害，遠優于采用傳統方式連接軌道衡鋼軌接頭連接狀態。由此可見，采用新的連接方式，與以往傳統方式軌道衡鋼軌和引軌的壽命至少可提高4 倍以上。不僅降低了檢修維護成本，提高了運輸效率，還為鐵路運輸生產安全提供了可靠保障。