川黔鐵路鋼軌磨耗規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析

陳茁 劉秀波 劉勇 張彥博 魏劍梅

1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；3.中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司，成都 610082

隨著近年來我國鐵路向重載、高速的方向快速發(fā)展，要求鋼軌具有高平順性、高耐磨、耐疲勞等性能［1］。鋼軌在自然條件和鐵路運(yùn)營的作用下，會產(chǎn)生鋼軌磨耗、銹蝕、傷損等問題。嚴(yán)重的鋼軌磨耗會導(dǎo)致鋼軌強(qiáng)度降低，加劇鋼軌傷損的發(fā)展，并引起輪軌接觸位置的變化，影響行車的安全性和穩(wěn)定性，甚至可能導(dǎo)致脫軌等嚴(yán)重事故。因此，鋼軌磨耗的測量是鐵路工務(wù)部門不可或缺的檢測項(xiàng)目。鋼軌磨耗演變規(guī)律和影響因素的研究對于控制鋼軌磨耗、改善輪軌接觸關(guān)系、輔助鋼軌大修決策并延長鋼軌使用壽命有重要意義。

近年來，在鋼軌磨耗的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等方面已取得豐碩的研究成果。路宜馳等［2］在大淮鐵路選取4條典型曲線軌道和1條長大坡道進(jìn)行鋼軌磨耗測量，針對性地提出了軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方案和打磨制度。馬敬武［3］將紅檸鐵路的磨耗和傷損情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合UM（Universal Mechanism）建立仿真模型進(jìn)行磨耗的仿真分析和預(yù)測。李錦等［4］統(tǒng)計(jì)了通霍鐵路鋼軌打磨前后的廓形數(shù)據(jù)，運(yùn)用CONTACT 對比分析了打磨前后鋼軌磨耗量和磨耗速率的變化。黃鵬等［5］統(tǒng)計(jì)了神朔鐵路的鋼軌打磨廓形和工藝，對比發(fā)現(xiàn)鋼軌打磨能夠有效去除鋼軌接觸疲勞傷損，明顯降低鋼軌和輪緣磨耗速率。龐婷婷［6］統(tǒng)計(jì)了西安機(jī)場線小半徑曲線地段病害，發(fā)現(xiàn)鋼軌側(cè)磨是小半徑曲線地段最嚴(yán)重的傷損類型。此外，利用實(shí)測數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建仿真模型［7-9］和統(tǒng)計(jì)模型［10-11］也能夠?qū)崿F(xiàn)磨耗的分析和預(yù)測。可見，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)能夠直接反映鋼軌磨耗情況，對于磨耗演變規(guī)律和影響因素的研究分析具有很高的價值。

川黔鐵路在重慶與成渝鐵路、襄渝鐵路相接，是貴州與重慶、四川及中南、西北地區(qū)各省市溝通的橋梁，已經(jīng)成為西南鐵路網(wǎng)中極其重要的一環(huán)。隨著川黔鐵路運(yùn)營速度和運(yùn)量不斷提升，鋼軌磨耗已成為影響列車運(yùn)行穩(wěn)定性的不可忽視的因素。本文利用川黔鐵路近三年的4 次鋼軌磨耗測量數(shù)據(jù)，分析鋼軌垂直磨耗、側(cè)面磨耗的演變規(guī)律以及曲線半徑、未平衡超高對外軌側(cè)面磨耗的影響。

1 鋼軌磨耗測量

在川黔鐵路K022—K416 區(qū)段內(nèi)選取測點(diǎn)，分別于 2019年1月（第 1 次）、2020年1月（第 2 次）、2020年6月（第3 次）、2021年1月（第4 次）對鋼軌廓形進(jìn)行了測量。測量區(qū)間包含直線段和曲線段。直線段長度小于 100 m 時不進(jìn)行采集，長度 100 ～ 500 m 的取 1 個測點(diǎn)，以此類推，每增加500 m 增加1 個測點(diǎn)。曲線段至少包含直緩、緩圓、曲中、圓緩和緩直5 個測點(diǎn)。對于長度大于500 m 的圓曲線區(qū)段，每增加1 000 m 在圓曲線區(qū)段內(nèi)增加1 對測點(diǎn)。各測點(diǎn)里程為100 m 的整數(shù)倍并在區(qū)段內(nèi)均勻分布。

采用MiniProf 接觸式廓形儀對軌頭廓形進(jìn)行采集，并計(jì)算測量位置的垂直磨耗量和側(cè)面磨耗量。

廓形測量完成后，利用MiniProf Envision軟件將測量的鋼軌廓形文件與基準(zhǔn)廓形文件對齊，批量計(jì)算鋼軌的垂直磨耗量和側(cè)面磨耗量，并繪制成波形圖，見圖1。可以看出，鋼軌垂直磨耗量和側(cè)面磨耗量均隨時間明顯增加，且波形相近，可以認(rèn)為檢測數(shù)據(jù)基本符合實(shí)際情況。

圖1 鋼軌磨耗量測量結(jié)果

2 演變規(guī)律

分別統(tǒng)計(jì)4 次測量的垂直磨耗量WV和側(cè)面磨耗量WS，不同磨耗量的概率密度分布見圖2。

圖2 垂直磨耗量和側(cè)面磨耗量概率密度分布

由圖2（a）可以看出：第1 次測量的垂直磨耗量概率密度分布波形在WV= 1.5、4.5 mm 附近出現(xiàn)波峰，第2 次測量的波形在WV=2.5 mm 附近出現(xiàn)波峰，第3次和第4 次測量的波形在WV= 2.5 mm 左右的波峰峰值有所降低，但波峰寬度逐漸加大，并且WV＞4 mm 的概率密度逐漸變大。2020年6月至2021年1月間，WV＞6 mm的概率密度顯著增大，說明這期間鋼軌垂直磨耗快速發(fā)展。

由圖2（b）可以看出：4 次側(cè)面磨耗量概率密度分布波形均在WS= 0 ～0.5 mm 存在峰值；第1 次—第3次測量的波形相近，峰值均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢；由于2019年進(jìn)行了換軌，新軌側(cè)面磨耗逐漸發(fā)展，第4次測量的波形峰值有所降低，波峰寬度有所增加，這說明2020年6月至2021年1月間鋼軌側(cè)面磨耗進(jìn)一步發(fā)展。

直線段各測點(diǎn)4次磨耗量測量結(jié)果見圖3（圖中不同顏色的線代表不同測點(diǎn)）。可知：大部分測點(diǎn)垂直磨耗量呈現(xiàn)增長趨勢，增長速度不超過0.6 mm/年；大部分測點(diǎn)側(cè)面磨耗量較小且變化不大，少數(shù)測點(diǎn)呈現(xiàn)增長趨勢且增長速度逐漸增大。

圖3 直線段鋼軌垂直和側(cè)面磨耗量

曲線段各測點(diǎn)外軌曲中位置4次側(cè)面磨耗量測量結(jié)果見圖4（圖中不同顏色的線代表不同測點(diǎn)）。其中，圖 4（a）中的測點(diǎn)在 2019年1月至 2021年1月間的外軌側(cè)面磨耗發(fā)展穩(wěn)定，磨耗量沒有明顯的增長趨勢；圖 4（b）中的測點(diǎn)在 2019年1月至 2020年6月間發(fā)展穩(wěn)定，但2021年1月測量發(fā)現(xiàn)外軌側(cè)面磨耗量增長明顯。對圖4（b）中各測點(diǎn)的每次側(cè)面磨耗量測量值取平均值，進(jìn)行非線性擬合，擬合精度達(dá)到99.91%，見圖5?？芍涸阡撥壏矍捌?，曲線外軌側(cè)面磨耗發(fā)展緩慢，側(cè)面磨耗未達(dá)到軌下16 mm 位置，因此側(cè)磨量較小；隨著服役過程中輪緣與外軌內(nèi)側(cè)發(fā)生兩點(diǎn)接觸，側(cè)面磨耗逐漸發(fā)展至軌下16 mm，側(cè)面磨耗量開始快速增長。

圖4 曲線區(qū)段外軌側(cè)面磨耗量

圖5 曲線區(qū)段外軌側(cè)面磨耗量擬合

3 外軌側(cè)面磨耗的影響因素

3.1 曲線半徑對外軌側(cè)面磨耗的影響

對于不同曲線半徑，4 次測量的外軌側(cè)面磨耗量測量及擬合結(jié)果見圖6。可知，隨曲線半徑增大，外軌側(cè)面磨耗逐漸減小，并且在曲線半徑R=450 m附近下降趨勢較為明顯；R＜600 m 時，外軌側(cè)面磨耗受曲線半徑影響較大。

圖6 不同曲線半徑下的外軌側(cè)面磨耗量

第1 次、第2 次測量得到的不同曲線半徑下外軌側(cè)面磨耗量WS＞3 mm 的測點(diǎn)數(shù)量和在其半徑范圍內(nèi)所有測點(diǎn)中所占比例見表1。可知：R＜500 m 時，WS＞3 mm 的測點(diǎn)數(shù)量和所占比例都明顯較大；R＞500 m 后，WS＞3 mm 的測點(diǎn)數(shù)量和所占比例都明顯降低；R＞600 m后，幾乎不會出現(xiàn)WS＞3 mm的情況。

表1 不同曲線半徑下外軌WS ＞3 mm的數(shù)量及占比

3.2 未平衡超高對外軌側(cè)面磨耗的影響

TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定，在線路曲線地段，應(yīng)根據(jù)曲線半徑和實(shí)測行車速度在外股鋼軌合理設(shè)置超高。未平衡欠超高Hc、未平衡過超高Hg的計(jì)算式分別為

式中：H為實(shí)設(shè)超高，mm；vmax為線路允許速度，km/h；vh為貨車平均行車速度，km/h。

式（1）中的欠超高是利用線路設(shè)計(jì)允許的最高速度進(jìn)行計(jì)算。為了反映貨車通過時的實(shí)際情況，本文利用貨車通過的實(shí)際平均速度vh進(jìn)行計(jì)算。

不同未平衡超高和不同半徑下，各測點(diǎn)外軌側(cè)面磨耗量散點(diǎn)圖以及外軌側(cè)面磨耗量50%分位數(shù)和99.8%分位數(shù)見圖7。其中，未平衡超高大于0為欠超高，小于0為過超高。

圖7 不同半徑及未平衡超高下的外軌側(cè)面磨耗量

由圖7 可知：對于不同的欠超高和過超高，R＞600 m 時，外軌側(cè)面磨耗量均較?。籖≤ 600 m 時，0 ～20 mm 以下欠超高的曲線外軌側(cè)面磨耗較小，欠超高較大的外軌側(cè)面磨耗相對較大，過超高和均衡超高下的側(cè)面磨耗量也較大。這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)那烦呤闺x心力增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架后軸向外移動，使得輪對沖角減小，外軌側(cè)面磨耗減小；但欠超高過大會使離心力過大，轉(zhuǎn)向架后軸外側(cè)輪對輪緣貼靠，導(dǎo)致側(cè)面磨耗增大；同時，過超高會導(dǎo)致向心力增大，導(dǎo)向力減小，引起輪軌沖角增大，外軌側(cè)面磨耗增大。

4 結(jié)論

1）2019年1月 至 2021年1月 川 黔 鐵 路 K022—K416區(qū)段測點(diǎn)垂直磨耗和側(cè)面磨耗明顯發(fā)展，換軌能夠有效抑制磨耗的增長趨勢，換軌后側(cè)面磨耗發(fā)展速率較慢。

2）對于直線段鋼軌，2019年1月至 2021年1月間垂直磨耗呈現(xiàn)增長趨勢，增長速度較慢，大部分測點(diǎn)側(cè)面磨耗基本不發(fā)展，少數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢。

3）曲線外軌側(cè)面磨耗呈現(xiàn)兩種變化趨勢：基本不發(fā)展、前期基本不發(fā)展而后期快速增長。前者是由于部分位置側(cè)面磨耗未發(fā)展到軌下16 mm；后者是由于部分位置在發(fā)展到16 mm后側(cè)面磨耗快速增長。

4）外軌側(cè)面磨耗隨著曲線半徑增大呈減小趨勢。曲線半徑大于600 m 時，外軌側(cè)面磨耗幾乎不會大于3 mm，且曲線半徑對于外軌側(cè)面磨耗的發(fā)展影響較小。

5）對于半徑大于600 m 的曲線區(qū)段，外軌側(cè)面磨耗量較小，未平衡超高對于外軌側(cè)面磨耗的影響較小；對于半徑小于等于600 m 的曲線區(qū)段，0 ～20 mm欠超高曲線外軌側(cè)面磨耗較小，欠超高和過超高較大時曲線外軌側(cè)面磨耗較大。