鐵路小半徑曲線(xiàn)鋼軌病害成因及整治研究

陳松濤

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鐵路小半徑曲線(xiàn)鋼軌病害成因及整治研究

陳松濤

（中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司承德工務(wù)段，河北 承德 067000）

鐵路是現(xiàn)代人們出行的主要交通方式之一，而鋼軌是列車(chē)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，如果病害頻發(fā)，那么不但會(huì)影響鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而且還會(huì)威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文將針對(duì)鐵路小半徑曲線(xiàn)鋼軌病害成因及整治進(jìn)行研究，分析兩種最為常見(jiàn)的鋼軌病害，探索有效的應(yīng)對(duì)辦法，希望能夠起到積極的促進(jìn)作用，提高小半徑曲線(xiàn)鐵軌病害控制效果，維護(hù)鐵路線(xiàn)路的高效、安全運(yùn)行。

鐵路；小半徑曲線(xiàn)鋼軌；病害成因；整治研究

鐵路網(wǎng)絡(luò)是國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈，對(duì)于加快區(qū)域發(fā)展、改善人民生活具有重要的意義。隨著建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，除了給人們帶來(lái)便利的交通條件之外，也產(chǎn)生了諸多技術(shù)難題，小半徑曲線(xiàn)線(xiàn)路鋼軌的受力情況比較復(fù)雜，很容易出現(xiàn)各種病害，只有找到這些病害產(chǎn)生的原因，才能從根本上對(duì)癥下藥，從而有效延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命，減少資源能源消耗。

1 鐵路曲線(xiàn)軌道受力分析

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，鐵路線(xiàn)路比較長(zhǎng)，需要穿越復(fù)雜的地形，為了降低施工成本、提高工作效率，需要根據(jù)地形鋪設(shè)軌道，從而形成了彎彎曲曲的曲線(xiàn)。在平直路段上，軌道受力比較均勻，在曲線(xiàn)路段則會(huì)復(fù)雜的多，很容易引起鋼軌病害。所以，要加強(qiáng)受力分析，在豎直方向上，車(chē)輛的重力會(huì)通過(guò)車(chē)輪傳遞到鋼軌上，隨著載客量的增加，這個(gè)方向上的力也會(huì)增加的越快。在橫向方向上，車(chē)輪對(duì)軌道會(huì)產(chǎn)生側(cè)向壓力，在曲線(xiàn)地段，需要通過(guò)橫向作用力來(lái)提供列車(chē)轉(zhuǎn)彎的向心力，曲線(xiàn)半徑、行車(chē)速度等都是影響橫向力大小的重要因素，通常來(lái)講，速度越大、半徑越小產(chǎn)生的橫向力越大。在縱向方向上，鋼軌還會(huì)受到列車(chē)爬行產(chǎn)生的摩擦力，在穿越復(fù)雜地形、不斷調(diào)整車(chē)速的情況下，會(huì)使鋼軌溫度出現(xiàn)明顯的變化，對(duì)鋼軌性能造成了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。軌道受力的復(fù)雜性是鐵路小半徑曲線(xiàn)鋼軌病害產(chǎn)生的重要原因，各種病害在具體表現(xiàn)上存在著一定的差異，需要具體問(wèn)題具體分析[1]。

2 鐵路小半徑曲線(xiàn)鋼軌病害成因及整治研究

2.1 剝離掉塊

1.1 特征

根據(jù)總結(jié)分析，鐵路小半徑曲線(xiàn)鋼軌剝離掉塊具有一定的特征，它主要集中在曲線(xiàn)上股鋼軌內(nèi)側(cè)面，相對(duì)而言，出現(xiàn)在直線(xiàn)段及曲線(xiàn)下股鋼軌的概率比較低，道岔前后、夾直線(xiàn)偶爾發(fā)生，幾乎在曲線(xiàn)上股鋼軌軸線(xiàn)外側(cè)不存在這個(gè)問(wèn)題。而且，主要出現(xiàn)在新鋼軌上，在使用磨合一段時(shí)間后，剝離掉塊的情況有所改善，由于小半徑曲線(xiàn)鋼軌受力情況更為復(fù)雜，所以產(chǎn)生剝離掉塊的問(wèn)題比較常見(jiàn)。另外，軌枕、道砟等都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，如果軌道的彈性小而剛度大，那么產(chǎn)生的作用力也就越強(qiáng)，剝落掉塊自然也就越嚴(yán)重，在軌道養(yǎng)護(hù)時(shí)通常會(huì)刷油，以降低磨損，但是這對(duì)于剝離掉塊病害的控制并不有利。

1.2 危害

在實(shí)際工作中，如果鋼軌剝離掉塊到一定程度，那么就需要及時(shí)更換，所以，這種病害直接決定著鋼軌的使用壽命。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，在鋼軌鋪設(shè)初期及使用過(guò)程中，要加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，并按照規(guī)定進(jìn)行更新，這大大增加了鐵路建設(shè)和維護(hù)成本，增加了鋼材的消耗量。而且隨著剝離掉塊病害的不斷加重，不但會(huì)影響乘坐的舒適性，而且會(huì)對(duì)車(chē)輪、道砟、軌枕等產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，嚴(yán)重影響輪軌系統(tǒng)的穩(wěn)定性，容易誘發(fā)其他隱患的產(chǎn)生，甚至影響行車(chē)安全，導(dǎo)致脫軌、跳車(chē)等事故的發(fā)生。在毗鄰城市居住區(qū)域，還會(huì)產(chǎn)生巨大的噪聲，影響周邊居民的身心健康[2]。

1.3 成因

根據(jù)鐵路小半徑曲線(xiàn)鋼軌剝離掉塊的特征可以分析出主要的病害原因，即過(guò)高的輪軌接觸應(yīng)力和過(guò)低的鋼軌強(qiáng)度。從發(fā)展進(jìn)程上看，初期會(huì)萌生魚(yú)鱗狀表面裂紋，然后形成不連續(xù)剝離，這會(huì)減小有效接觸面積、增大軌頭應(yīng)力，從而導(dǎo)致病害迅速發(fā)展，形成剝離掉塊，最終導(dǎo)致鋼軌報(bào)廢。從力學(xué)角度上看，接觸疲勞傷損是產(chǎn)生剝離掉塊的主因，在高接觸應(yīng)力以及相對(duì)滑動(dòng)作用下，會(huì)使表面產(chǎn)生局部金屬斷裂損傷，首先在高預(yù)應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生微裂紋，隨著輪軌力的反復(fù)作用，促使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。如果磨損病害比較嚴(yán)重，微裂紋在還沒(méi)有產(chǎn)生擴(kuò)散之前已經(jīng)被磨掉，那么磨損病害就占據(jù)著主導(dǎo)地位，決定著鋼軌實(shí)際壽命。抹油養(yǎng)護(hù)能夠有效降低磨損率，但是潤(rùn)滑劑會(huì)滲透到裂紋間隙，加快了裂紋發(fā)展。

影響鋼軌剝離掉塊病害的因素有很多，包括軌道結(jié)構(gòu)、鋼軌材質(zhì)、列車(chē)速度、自然條件、軸重等，不同因素會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。鐵路曲線(xiàn)段具有一定的特殊性，與直線(xiàn)段設(shè)計(jì)差異較大，曲線(xiàn)半徑越小、行車(chē)速度越快，橫向輪軌力越大，而且，存在著客貨車(chē)、快慢車(chē)混跑的現(xiàn)象，有些設(shè)計(jì)參數(shù)不能滿(mǎn)足部分需求，導(dǎo)致離心力無(wú)法通過(guò)超高平衡，只能利用鋼軌橫向力進(jìn)行約束，所以，軸重過(guò)大和提升速度都會(huì)導(dǎo)致曲線(xiàn)段鋼軌上股受到的車(chē)輪橫向力劇增。隨著鐵路網(wǎng)絡(luò)的逐漸擴(kuò)張，大大增加了山區(qū)路段，形成了許多曲線(xiàn)線(xiàn)路，在列車(chē)運(yùn)行到大長(zhǎng)下坡時(shí)，需要通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的制動(dòng)來(lái)控制速度，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的熱量，極大考驗(yàn)了鋼軌材質(zhì)，為裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)增提供了條件。在潮濕多雨地區(qū)，由于雨水的附著會(huì)降低摩擦阻力，使車(chē)輪出現(xiàn)滑行情況，甚至發(fā)生擦傷，而且水會(huì)滲入到裂紋中，在水壓的作用下加快了裂紋的發(fā)展擴(kuò)大。另外，如果鋼軌材質(zhì)存在質(zhì)量隱患，那么會(huì)大大折損其變形性能，更容易催生剝離掉塊病害[3]。

1.4 整治

鋼軌玻璃掉塊是普遍性問(wèn)題，各國(guó)的專(zhuān)家學(xué)者都在積極研究，以求獲得不錯(cuò)的預(yù)防、整治、緩解效果。嚴(yán)格控制軌道幾何不平順和復(fù)合不平順，消除因幾何偏差產(chǎn)生的激擾源，嚴(yán)格控制各種誤差，盡量降低軌道不平順性，減少輪軌沖擊作用，能夠有效緩解剝離掉塊病害的發(fā)生。全面整治軌頭接縫狀態(tài)，控制傷損高發(fā)區(qū)，避免出現(xiàn)接頭鋼軌和軌枕暗坑空吊，減小焊縫的原始不平順，保證軌縫均勻。提高軌道彈性，減弱輪軌耦合振動(dòng)強(qiáng)度，有效降低沖擊作用，延緩剝離掉塊的迅速發(fā)展。在軌頭出現(xiàn)裂紋之前，可以適當(dāng)抹油，以降低軌頭損耗，如果出現(xiàn)斑點(diǎn)，要及時(shí)停止，等到斑點(diǎn)消失后再進(jìn)行間斷涂抹。鋼軌應(yīng)該選用高強(qiáng)度、高純度、耐磨性好、高韌度鋼材，同時(shí)，改善生產(chǎn)工藝，彌補(bǔ)材質(zhì)原有的缺陷。利用專(zhuān)用打磨車(chē)周期性進(jìn)行預(yù)防性和修理性打磨，以應(yīng)對(duì)軌面不平順、疲勞微細(xì)裂紋、軌頭波形磨耗等各種缺陷。在新建和改造設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)擴(kuò)大曲線(xiàn)半徑，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，做好施工過(guò)程管理，避免因人為因素導(dǎo)致的質(zhì)量隱患。

2.2 水平裂紋

2.1 特征

鐵路小半徑曲線(xiàn)鋼軌水平裂紋病害主要發(fā)生在圓曲線(xiàn)和圓曲線(xiàn)附近上股鋼軌，而且在四百到七百米之間的曲線(xiàn)最容易產(chǎn)生水平裂紋。通過(guò)研究表明，軌面裂紋和軌道條件具有較強(qiáng)的聯(lián)系，如果軌底坡較小，那么很容易產(chǎn)生偏心受壓現(xiàn)象，而且減小了輪軌接觸面積，反之，軌底坡較大則可以明顯改善輪軌接觸狀態(tài)，有效緩解偏心受壓的問(wèn)題。相對(duì)而言，新鋼軌更容易產(chǎn)生水平裂紋，木軌枕比鋼筋混凝土枕軌的彈性要好，更不容易出現(xiàn)軌頭裂紋，而且利用大膠墊也能夠相對(duì)減少裂紋。另外，新舊線(xiàn)路、道床狀態(tài)、鋼軌重量、曲線(xiàn)半徑等都與水平裂紋病害有著不同程度的關(guān)聯(lián)[4]。

2.2 危害

水平裂紋與剝離掉塊都會(huì)影響鐵路線(xiàn)路運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性，容易產(chǎn)生許多不和諧因素。水平裂紋最終也會(huì)發(fā)展成剝離掉塊，對(duì)于最不利的部位裂紋，可能會(huì)向深度發(fā)展形成豎向裂紋或者斜裂紋，隨著程度的不斷加劇，導(dǎo)致鋼軌斷裂，這種病害也需要鐵路工作者著重關(guān)注，加強(qiáng)研究，找出原因，采取有效措施加以應(yīng)對(duì)。

2.3 成因

只有軌頭表面存在缺陷并且滿(mǎn)足的萌生水平裂紋最低條件，才能促使水平裂紋病害的產(chǎn)生和發(fā)展。鋼軌材質(zhì)質(zhì)量是誘發(fā)該病害的內(nèi)部原因，在加工過(guò)程中，原材料缺陷會(huì)形成折疊裂紋，如果存在較多雜質(zhì)，那么在荷載作用下會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中狀態(tài)，從而產(chǎn)生裂紋。除了內(nèi)部原因，鋼軌水平應(yīng)力過(guò)大是重要的外部原因，從裂紋的發(fā)展方向上看，軌頭表面受到的橫向拉應(yīng)力起著主要的控制作用，這些橫向拉應(yīng)力是側(cè)向力和殘余應(yīng)力共同產(chǎn)生的效果。造成曲線(xiàn)上股軌面內(nèi)側(cè)水平裂紋主要外力包括輪軌接觸局部應(yīng)力、鋼軌靜態(tài)彎曲應(yīng)力、偏心受壓附加應(yīng)力、滑動(dòng)摩擦力、離心力、導(dǎo)向力、牽引力、制動(dòng)力，等等。

2.4 整治

針對(duì)鐵路小半徑曲線(xiàn)鋼軌水平裂紋病害的特征和成因，可以從減小接觸應(yīng)力、增大接觸面積的角度出發(fā)，緩解接觸疲勞，以求實(shí)現(xiàn)預(yù)期的整治目的。通過(guò)改變軌底坡來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大接觸面的目的，有效減小局部應(yīng)力和偏心受壓，同時(shí)，利用楔形膠墊也可以增大軌底坡，能夠起到不錯(cuò)的預(yù)防和修復(fù)裂紋的效果。實(shí)踐表明，增加軌道彈性也可以控制的裂紋病害，適度增加彈性比和膠墊厚度，并且保持道砟整潔和排水通暢，這些措施都能有效提升軌道彈性，在新開(kāi)通提速線(xiàn)路上要積極調(diào)整曲線(xiàn)超高，改善曲線(xiàn)上股鋼軌和車(chē)輪的接觸狀況，避免因不合理接觸造成軌頭應(yīng)力的快速增長(zhǎng)。在鐵路小半徑曲線(xiàn)部位鋪設(shè)新軌時(shí)，可以用適當(dāng)磨耗的鋼軌進(jìn)行替換，能夠有效緩解輪軌磨合問(wèn)題，這樣既可以節(jié)約成本，又可以獲得不錯(cuò)的病害控制效果。另外，除了做好倒換使用和及時(shí)更換，積極采取預(yù)防性打磨、控制抹油時(shí)間、優(yōu)化輪軌設(shè)計(jì)、改善生產(chǎn)工藝等措施，都可以有效應(yīng)對(duì)裂紋病害的產(chǎn)生與發(fā)展[5]。

綜上所述，本文首先針對(duì)鐵路曲線(xiàn)軌道受力進(jìn)行了分析，然后以剝離掉塊和水平裂紋為例，著重研究了小半徑曲線(xiàn)鋼軌病害的特征、成因、危害及整治措施。希望能夠起到積極的現(xiàn)實(shí)意義，充分認(rèn)識(shí)鋼軌病害造成的損失和影響，加強(qiáng)理論研究，針對(duì)小半徑曲線(xiàn)鋼軌病害的主要影響因素尋求應(yīng)對(duì)策略，從而保證行車(chē)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，提高鐵路建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]吳忠翔. 鐵路小半徑曲線(xiàn)的病害成因分析及整治辦法[J]. 交通世界,2019(36):128-129.

[2]陳亮. 鐵路小半徑曲線(xiàn)病害的成因及整治[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2019(30):121-122.

[3]袁立昌. 鐵路線(xiàn)路小半徑曲線(xiàn)病害成因及其整治對(duì)策探析[J]. 科技與創(chuàng)新,2017(19):96+99.

[4]馬存福. 鐵路線(xiàn)路小半徑曲線(xiàn)病害成因及其整治措施[J]. 民營(yíng)科技,2015(08):27.

[5]任虎,王琨,楊國(guó)強(qiáng),袁寶明. 鐵路線(xiàn)路小半徑曲線(xiàn)病害成因及預(yù)防措施[J]. 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2015(35):94-95.

陳松濤（1981.10- ），男，漢族，河北承德人，本科，技術(shù)員，研究方向鐵道工程技術(shù)。

K928

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1007-6344（2021）01-0041-02