普速鐵路小半徑曲線上股鋼軌疲勞傷損整治

張金 徐鳳生 章環宇 梁旭 李晨光

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081；2.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071

隨著既有線提速和重載運輸的發展，許多普速鐵路尤其是縱平面條件較差的山區鐵路（如昆明局的貴昆線、南昆線，成都局的成渝線，蘭州局的蘭新線等）小半徑曲線上股鋼軌鋪設使用后不久就出現了疲勞傷損，嚴重影響鋼軌的使用壽命甚至危及行車安全［1］。

我國普速鐵路線路運行多種車型，車輪型面主要有JM3、LM、LMA，鋼軌主要有60、60N 兩種軌頭廓形，輪軌匹配關系十分復雜。在不能統一車輪型面又無法改變軌底坡設置的情況下，鋼軌軌頭廓形打磨可以有效改善輪軌匹配關系。通過鋼軌打磨形成適合車輪型面的軌頭廓形，人為地加快輪軌磨合，使輪軌匹配達到理想狀態，從而減小輪軌作用力，延長輪軌的使用壽命［2-6］。

1 傷損特征及成因分析

通常小半徑曲線上股鋼軌更換下道的主要原因是側磨超限。不同于以側磨為主的傷損形式，這種疲勞傷損特征為：①從軌頭廓形來看，軌距角處明顯凸出，存在輾邊；②車輪輪緣未接觸鋼軌軌頭側面，未形成軌距角側磨；③鋼軌軌距角處存在過多的機車潤滑脂，出現明顯的魚鱗紋、剝離掉塊等疲勞傷損。

為了提高列車的曲線通過性能，小半徑曲線地段設置成欠超高，同時機車輪緣潤滑過多降低了鋼軌軌距角的摩擦因數。曲線上股鋼軌長期無磨耗，輪軌難以磨合，輪軌接觸關系不良，導致曲線上股鋼軌軌距角處長期承受很大的接觸應力，是造成曲線上股鋼軌出現魚鱗紋、剝離掉塊等疲勞傷損的主要原因［7］。

2 鋼軌打磨廓形優化設計

理想的輪軌型面匹配狀態能有效地降低接觸應力和磨耗，提高直線運行時列車蛇行失穩的臨界速度，同時改善列車曲線通過性能［8］。考慮到車輛運營一定里程后會進行車輪鏇修恢復車輪原始標準型面，故以普通客貨車標準LM 車輪型面為基礎，依據輪軌接觸幾何學和輪軌接觸力學等理論，針對小半徑曲線上股鋼軌疲勞傷損的情況進行軌頭廓形優化設計，提出了上股鋼軌打磨目標廓形60N?S，下股鋼軌工作邊按照60N 廓形進行打磨，如圖1所示。可以看出，上下股鋼軌均重點優化了內側軌距角，該位置長期承受較大的輪軌接觸應力，容易引起鋼軌塑性變形和疲勞傷損。

圖1 鋼軌實測廓形及設計廓形與LM車輪匹配

廓形優化設計后，上股鋼軌與車輪發生兩點接觸（一點為軌頂面與車輪踏面接觸，另一點為軌內側與車輪輪緣接觸），輪對以軌頂面接觸點為滾動中心，輪緣接觸點處必然產生滑動，加快輪緣和鋼軌內側磨耗，有利于上股鋼軌盡快形成側磨，從而顯著減小內側軌距角的輪軌接觸應力，可以有效緩解或抑制軌距角出現魚鱗紋、剝離掉塊等疲勞傷損。下股鋼軌與車輪在軌頭踏面中心和車輪踏面中心發生接觸，具有輪軌接觸應力最小、橫向蠕滑率及蠕滑力很小的特點，可以避免早期鋼軌疲勞傷損的出現。

3 鋼軌打磨應用效果

按照優化設計的鋼軌打磨廓形，通過非對稱打磨實現上下股鋼軌不同廓形，可以有效改善輪軌接觸關系，加大內外軌車輪滾動圓半徑差，提高列車曲線通過能力，降低輪軌縱向滑動，減少輪軌接觸應力，抑制或減緩鋼軌疲勞傷損、波磨、肥邊等病害的發生與發展，從而延長鋼軌的使用壽命［7］。

3.1 軌頭廓形及軌面狀態

打磨前軌頭廓形及軌面狀態見圖2。可知：上股鋼軌與60N?S 廓形差異較大，內側軌距角處最大廓形偏差約為0.80 mm；下股鋼軌與60N 廓形差異較大，內側軌距角處最大廓形偏差約為0.70 mm；上股鋼軌軌距角無側磨，存在嚴重的魚鱗紋及剝離掉塊；下股鋼軌軌面狀態良好，未見明顯表面病害。

圖2 打磨前軌頭廓形及軌面狀態

打磨6個月后軌頭廓形及軌面狀態見圖3。可知：上股鋼軌與60N?S 廓形差異較大，內側軌距角處最大廓形偏差約為1.30 mm；下股鋼軌與60N 廓形差異較大，內側軌距角處最大廓形偏差約為0.80 mm；上股鋼軌內側軌距角形成了明顯側磨，并伴有輕微魚鱗紋（打磨前魚鱗紋較深未能完全消除）；下股鋼軌軌面狀態良好，未見明顯表面病害。

圖3 打磨6個月后軌頭廓形及軌面狀態

3.2 輪軌接觸幾何關系

打磨前后實測廓形與LM 車輪型面匹配時的輪軌接觸點分布情況見圖4。可知：打磨前上下股輪軌接觸點分布較分散且偏向工作邊一側；打磨后上下股輪軌接觸點分布趨于集中且基本位于軌頂中心附近。

圖4 打磨前后輪軌接觸點分布情況對比

3.3 輪軌接觸特性

為評估鋼軌軌頭磨耗性能和接觸疲勞性能，計算了打磨前后實測廓形對應的輪軌磨耗指數及輪軌接觸應力，結果見表1。可知：按設計廓形打磨后，曲線下股鋼軌磨耗指數增加了3.1%，接觸應力減小了5.4%；曲線上股鋼軌磨耗指數增加了159.7%，接觸應力減小了39.3%。這表明設計廓形打磨加速了曲線上股鋼軌側磨，有利于緩解曲線上股鋼軌疲勞傷損。

表1 打磨前后輪軌接觸特性指標對比

3.4 車輛運行安全性指標

打磨前實測廓形對應的輪重減載率為0.703，打磨后為0.615，降低了12.5%；打磨前實測廓形對應的脫軌系數為0.399，打磨后為0.375，降低了6.0%。打磨前后輪重減載率和脫軌系數均小于安全限值0.8。可見，采用設計廓形進行鋼軌打磨作業可以保障列車運行安全，且對列車運行安全性有一定的改善作用。

4 結論及建議

1）機車輪緣過度潤滑，輪軌難以磨合，曲線上股鋼軌軌距角處長期承受很大的接觸應力，造成曲線上股鋼軌出現魚鱗紋、剝離掉塊等疲勞傷損。

2）按設計廓形打磨后，輪軌接觸點分布相對集中且位于軌頂中心附近，曲線上股鋼軌磨耗指數明顯增大，接觸應力明顯減小，加速了曲線上股鋼軌側磨，有效緩解了曲線上股鋼軌疲勞傷損。

3）打磨后輪重減載率和脫軌系數分別降低了12.5%和6.0%，對列車運行安全性有一定改善作用，可以保障列車運行安全。

4）鋼軌打磨加速了曲線上股鋼軌側磨，改善了鋼軌疲勞傷損情況。如果側磨過于嚴重，建議采取科學合理的潤滑措施控制鋼軌側磨發展，避免因鋼軌側磨過快而更換下道，影響鋼軌使用壽命。